熱激轉(zhuǎn)錄因子在植物抗非生物脅迫中的功能研究進(jìn)展

李 麗, 劉雙清, 楊遠(yuǎn)航, 戴良英, 李 魏

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗室, 長沙 410128

植物在生長發(fā)育過程中常會受到各種生物脅迫(如病原微生物、害蟲等)和非生物脅迫(如高溫、干旱、高鹽等)的影響。在進(jìn)化過程中，植物已經(jīng)形成了一系列復(fù)雜且有序的機(jī)制來感知環(huán)境的變化、抵御環(huán)境帶來的不利影響[1]。植物熱激轉(zhuǎn)錄因子(heat shock transcription factors，HSFs)廣泛存在于各種植物中，是植物抵御逆境脅迫信號途徑中的重要元件[2]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，植物HSFs可分為A、B和C三類[1]，其位于脅迫響應(yīng)基因表達(dá)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)鏈的末端，可以特異性地結(jié)合高度保守的熱激元件(5′-nGAAn-3′)(heat shock element，HSE)，進(jìn)而與其他轉(zhuǎn)錄因子聚集共同形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，以調(diào)控?zé)峒さ鞍?heat shock protein，HSP)的表達(dá)[3]。隨著全球氣候條件和環(huán)境的惡化，培育抗逆品種、減輕植物在逆境脅迫中的損傷已成為當(dāng)前生物學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文主要介紹了植物HSFs的蛋白結(jié)構(gòu)及其在抗非生物脅迫響應(yīng)中的功能進(jìn)展和機(jī)制，以期為研究植物應(yīng)對高溫、干旱等非生物脅迫的抵抗機(jī)制提供新思路。

1 植物HSFs的主要結(jié)構(gòu)域

研究發(fā)現(xiàn)，植物HSFs在序列大小上存在著顯著差異，但具有相似的結(jié)構(gòu)模式[4,5]，主要包含以下結(jié)構(gòu)域：①DNA結(jié)合區(qū)(DNA binding domain，DBD)，DBD結(jié)構(gòu)域是一段高度保守的區(qū)域，靠近HSFs的N端，中間的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)可特異性地識別并結(jié)合HSE的保守基序，進(jìn)而激活抗逆基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[6]；②寡聚化結(jié)構(gòu)域(oligomerization domain，OD)，由2個疏水七肽重復(fù)區(qū)域HR-A/B構(gòu)成[7]，當(dāng)植物受到外界高溫刺激后，植物體內(nèi)的HSFs通過由HR-A/B構(gòu)成的卷曲螺旋結(jié)構(gòu)形成同源三聚體，以促進(jìn)與HSP啟動子的HSE的結(jié)合，并誘導(dǎo)HSP的表達(dá)[8]；③核定位信號(nuclear localization signal，NLS)和核輸出信號(nuclear export signal，NES)，NLS由一簇堿性氨基酸組成，它與HSFs亞細(xì)胞定位和進(jìn)入細(xì)胞核有關(guān)，而NLS與NES協(xié)同作用可控制HSFs在細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)中的自由分布[9,10]；④C端轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(C-transcriptional activation domain，CTD)，CTD結(jié)構(gòu)域是HSFs序列上最不保守的區(qū)域，含有短肽AHA(aromatics, hydrophobic and acidic amino acid residues)基序，而AHA基序是HSFs轉(zhuǎn)錄活動所必需的條件，只有A類HSFs含有AHA結(jié)構(gòu)(圖1)，因此，通常認(rèn)為B、C兩類HSFs不具有轉(zhuǎn)錄激活功能[11]。

圖1 植物熱激轉(zhuǎn)錄因子的主要結(jié)構(gòu)域[1]Fig.1 The principal structural domains of plant heat shock transcription factors[1].注：DBD: DNA結(jié)合域；OD:寡聚域；NLS: 核定位信號；NES: 核輸出信號；AHA: 激活結(jié)構(gòu)；-LFGV-:轉(zhuǎn)錄抑制基序。

2 HSFs在植物抗極端溫度脅迫中的功能

2.1 HSFs對高溫脅迫的響應(yīng)

全球溫室效應(yīng)的加劇，導(dǎo)致植物的生長發(fā)育面臨巨大的挑戰(zhàn)。例如，高溫能降低植物光合效率、破壞細(xì)胞功能，甚至可導(dǎo)致植物死亡[12]。植物可通過改變?nèi)~片生長方向、降低蒸騰速率來維持水分，從而減少高溫脅迫帶來的危害，也可通過產(chǎn)生植物激素和滲透物質(zhì)來抵抗高溫脅迫，如水楊酸(salicylic acid，SA)途徑可介導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)獲得性耐熱性(system-acquired heat resistance，SAR)，SA不僅能促進(jìn)HSP的產(chǎn)生，還有研究表明其可有效地清除黃瓜中的H2O2[13]。另外，有研究表明，玉米和甘蔗在遭遇熱脅迫時會積累甜菜堿以維持體內(nèi)的水分[14]，而多胺類物質(zhì)能使受熱刺激后的大豆幼苗恢復(fù)其生長狀態(tài)[15]。值得一提的是，HSFs作為熱激響應(yīng)信號途徑的終端成分，在熱激反應(yīng)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

目前，關(guān)于HSFs的功能研究主要集中在其對高溫脅迫的響應(yīng)上。早在2002年，Mishra等[16]就發(fā)現(xiàn)，過量表達(dá)SlHsfA1的番茄植株經(jīng)連續(xù)1 h高溫(45℃)處理后，其耐熱性與野生型相比有顯著提高。HSFsA1作為番茄抗高溫脅迫過程中必不可少的因素，是高溫誘導(dǎo)基因表達(dá)的主要調(diào)控者，在高溫脅迫觸發(fā)、維持和恢復(fù)的3個階段中起顯著作用，同時也負(fù)責(zé)HSFsA2和HSFsB1的合成[17]。擬南芥有4個HSFA1基因(HSFA1a、HSFA1b、HSFA1d和HSFA1e)，它們控制了超過65%的受高溫脅迫誘導(dǎo)的基因，野生型植株基礎(chǔ)性耐熱能力和獲得性耐熱能力都明顯高于hsfa1s突變體[18]。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥AtHSFA1d和AtHSFA1e能在高溫脅迫下被三聚化、核轉(zhuǎn)位以及磷酸化等方式激活，繼而與AtHSFA2中5′端的HSE相連以誘導(dǎo)HSFA2等下游轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[19]，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)控植物的抗逆性。

HSFA2可在植物受高溫刺激后大量積累，同時激活HSP的轉(zhuǎn)錄[16]，而HSP以分子伴侶的形式維持蛋白質(zhì)和生物膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并使胞內(nèi)谷胱甘肽(glutathione，GSH)保持較高的還原水平以清除脅迫過程中積累的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，從而維持植物內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定[20]。研究發(fā)現(xiàn)，HSFsA2是番茄和擬南芥在抗高溫脅迫中的主導(dǎo)因素[21]，它還參與HSFA1a、Hsp17-CII和Hsp17-CI的互作，改變這三者在細(xì)胞中的分布和活動[22]。HSFA2是擬南芥21類HSFs中表達(dá)能力最強(qiáng)的一類，它在植物正常生長時基本檢測不到，但在高溫脅迫下可大量積累，并兼具信號放大的功能。在擬南芥中，過量表達(dá)AtHSFA2和敲除AtHSFA2后分析其轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，結(jié)果表明，AtHSFA2直接或間接調(diào)控46個脅迫防御相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，如熱激蛋白、抗壞血酸過氧化物酶2、肌醇半乳糖苷1和肌醇半乳糖苷2等[23]。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中的HSFA2主要依賴于Hsp90機(jī)制的脯氨酸酰順/反異構(gòu)酶伴侶蛋白ROF1/FKBP62和ROF2/FKBP65，從而在植物應(yīng)答高溫脅迫過程中發(fā)揮作用[15,24]。此外，擬南芥AtHSFA2還是細(xì)胞分裂素蛋白激酶MAPK6特有的靶標(biāo)，在植物面臨高溫時，MAPK6被激活并使AtHSFA2磷酸化，從而改變其在細(xì)胞內(nèi)的分布情況[25]。Wang等[26]研究發(fā)現(xiàn)，牛尾草FaHsfA2c異位表達(dá)使擬南芥的基礎(chǔ)耐熱性和獲得耐熱性均有所提高，并且能修復(fù)HSFA2的熱敏感缺陷，以維持植物在高溫脅迫下的光合能力和生長狀況。

除了HSFA1和HSFA2及其亞族，植物體內(nèi)其他A類HSFs也參與調(diào)控植物抵御高溫脅迫過程，如在擬南芥中過量表達(dá)干旱響應(yīng)元件連接蛋白DREB2C，轉(zhuǎn)基因植株一經(jīng)高溫誘導(dǎo)，隨即引起AtHSFA3表達(dá)量大幅度提高，二者在高溫脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中相互作用，使得轉(zhuǎn)基因植株獲得更強(qiáng)的耐熱性[27]。研究人員發(fā)現(xiàn)秘魯番茄中的LpHsfA3含有和HSFA1、HAFA2相同的AHA基序，且具有和二者相似的功能，其表達(dá)受高溫脅迫誘導(dǎo)，并能直接激活SlHsp26.1-P和SlHsp21.5-ER協(xié)同提高植株抵抗高溫脅迫的能力[28,29]。小麥TaHsfA6f作為轉(zhuǎn)錄激活因子，參與調(diào)控一系列保護(hù)植株免受高溫?fù)p害的HSP及相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，如TaHSP(16.8,17,17.3,90.1-A1)、高爾基體抗凋亡蛋白(Golgi anti-apoptotic protein，GAAP)和分子伴侶TaRof1[30]。將大豆GmHSF34在擬南芥中過量表達(dá)，轉(zhuǎn)基因幼苗經(jīng)高溫處理后的存活率是野生型的5～6倍，表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐熱性[31]。植物HsfA9不僅在種子發(fā)芽早期對基礎(chǔ)性耐熱性有貢獻(xiàn)，還在胚胎發(fā)育和種子成熟過程中起至關(guān)重要的作用，有證據(jù)表明HsfA9在ABI3(abscisic acid insensitive 3)途徑的下游起作用[32,33]。

相對于A類HSFs而言，B、C兩類HSFs在C末端結(jié)構(gòu)域中含有1個高度保守的四肽-LFGV結(jié)構(gòu)，能抑制下游基因的表達(dá)，但在含有合適的啟動子架構(gòu)時，番茄HSFB1經(jīng)高溫刺激后可作為輔助調(diào)節(jié)因子來增強(qiáng)植物細(xì)胞中HSFA1、HSFA2的活性，二者形成類似增強(qiáng)體的復(fù)合物，募集植物CREB連接蛋白(CREB binding protein，CBP)直接同源組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶HAC1(orthlog histone acetyltransferase)以形成三元復(fù)合體，共同激活報告基因的表達(dá)[34]，此外，HSFB1還能與控制持家基因(house keeping gene)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄激活子協(xié)同作用，在植物遭受高溫脅迫過程中維持或恢復(fù)持家基因的表達(dá)[35]。Xiang等[36]在水稻B類HSFs的研究中發(fā)現(xiàn)，OsHsfB2b表達(dá)量能在高溫誘導(dǎo)下大幅度上調(diào)，使植株耐熱性提高。在正常生長條件下，小麥中的B2族TaHSF3在根、莖和葉組成型表達(dá)，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)將小麥TaHSF3在擬南芥中過量表達(dá)后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高溫處理，轉(zhuǎn)基因植株的存活率、葉綠素含量都遠(yuǎn)高于野生型[37]。相反地，早期有報道稱，在高溫脅迫下無法檢測大豆中GmHSFB1的轉(zhuǎn)錄活性，將人體內(nèi)的HSF1(AD2)的異源激活結(jié)構(gòu)域融合到GmHSFB1的C末端也未檢測到協(xié)同增強(qiáng)AD2轉(zhuǎn)錄活性的信號，從而證實(shí)GmHSFB1抑制熱休克反應(yīng)[38]。擬南芥HSFB1的類似組蛋白基序-CRGKMMK被-GSRMTETK替換，致使其無法行使募集HAC1/CBP的功能，在高溫脅迫中抑制其體內(nèi)的HSFs(如HsfA2、HsfA7a、HsfB1和HsfB2b)和HSP的表達(dá)，將hsfb1突變體和野生型幼苗在40℃下持續(xù)處理80 min后，hsfb1突變體中HsfA2和HSP的表達(dá)量高于野生型，表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐熱性[39,40]。

2.2 HSFs對低溫脅迫的響應(yīng)

研究表明，OsHSFC1a、OsHSFC1b、OsHSFC2a、OsHSFC2b和OsHSFA4d、OsHSFA7、OsHSFA9在經(jīng)4℃低溫誘導(dǎo)處理后表達(dá)量上調(diào)[41]。更有對于水稻C類HSFs的研究發(fā)現(xiàn)，所有水稻C族HSFs均可由低溫誘導(dǎo)產(chǎn)生，其中，OsHSFC1表達(dá)最強(qiáng)，作為主要的低溫感受元件而存在[42]。類似地，擬南芥體內(nèi)的AtHsfC1能被低溫誘導(dǎo)表達(dá)趨于40倍[43]。此外，在一些園藝植物(如胡蘿卜和甘藍(lán)等)中也發(fā)現(xiàn)，DcHsfC16和BraHsfC039在低溫狀態(tài)下均能顯著表達(dá)[44,45]，由此可見，C族HSF成員在植物抵御低溫逆境中發(fā)揮著重要的作用。

3 HSFs在植物抗干旱脅迫中的功能

在自然條件下，干旱脅迫通常與高溫脅迫同時發(fā)生。肌醇半乳糖苷合成酶(galactinol synthase，GolS1)是植物在應(yīng)對干旱脅迫中產(chǎn)生的一種重要化合物，其在擬南芥中的表達(dá)受高溫調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)，植物HSFs可通過介導(dǎo)其目的基因GolS1的表達(dá)，參與植物干旱脅迫應(yīng)答機(jī)制，此外，還能作用于下游干旱響應(yīng)元件結(jié)合因子DREB2A和DREB2C，提高部分干旱脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)[46]。

擬南芥HSFA1b除了參與植株抗高溫脅迫外，還是擬南芥抗干旱和澇害的重要調(diào)控因子，然而，在HSFA1b-OX植株中干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的基因DREB2A表達(dá)量和脫落酸(abscisic acid,ABA)含量沒有改變[47]。而受干旱脅迫顯著誘導(dǎo)的HSFA3則直接作用于干旱脅迫響應(yīng)因子DREB2A和DREB2C上，且能編碼Hsp18.1-CI、Hsp26.5-II和Hsp70[27,48]。因此，這兩者可能通過不同的分子信號途徑來調(diào)控擬南芥的抗旱性。相反，Xiang等[36]研究發(fā)現(xiàn)HSFB2亞族成員負(fù)調(diào)控植物抗旱響應(yīng)，水稻OsHsfB2b-OX轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)丙二醛的含量顯著上升，脯氨酸含量下降，從而使水稻的抗旱能力降低。由此可見，不同HSFs成員以不同的模式參與抗干旱脅迫的調(diào)控。

4 HSFs在植物抗其他非生物脅迫中的功能

在自然條件下，針對植物的一種脅迫的發(fā)生常常伴隨著其他非生物脅迫的發(fā)生，共同對植物造成危害。如高溫脅迫常伴隨著高鹽脅迫、氧化脅迫等，引起植物體內(nèi)蛋白質(zhì)變性、ROS大量積累，導(dǎo)致作物產(chǎn)量驟減，而植物HSFs的存在可有效地減輕這些非生物脅迫對植物帶來的不利影響[49]。

研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥中HSFA1與HSFA2也能增強(qiáng)植株苗期對鹽脅迫的抵抗能力[18]。將小麥TaHsfA2d和水稻OsHsfA2e基因在擬南芥中過量表達(dá)后，轉(zhuǎn)基因植株在發(fā)芽階段和苗期都降低了對鹽脅迫的敏感程度，種子萌發(fā)率和幼苗葉綠素含量顯著高于野生型植株[50,51]。此外，水稻和草莓等植物體內(nèi)的OsHsfA2s、OsHsfA4s、OsHsfA7、OsHsfA9、OsHSFB2b、FvHsfA2a等基因都能被高鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)[2,36,51]，且能提高植物的抗高鹽脅迫能力。

氧化脅迫會引起植物體內(nèi)ROS的大量積累，如H2O2、超氧陰離子、單線態(tài)分子氧等，對細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸造成損傷，降低細(xì)胞的代謝功能，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡[43]。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥HsfA3基因可直接調(diào)控ROS清除系統(tǒng)關(guān)鍵酶——抗壞血酸過氧化酶(ascorbate peroxidase，APX2)的合成，使抗氧化酶相關(guān)基因GolS和棉子糖合成酶(raffinose synthase，RS)2基因RS2大量表達(dá)，減少了植物的H2O2積累，從而增加植物對氧化脅迫的耐受性[52]。由此可猜測，肌醇半乳糖醇和棉籽糖家族寡糖類(raffinose family oligosaccharides,RFOs)可能作為滲透保護(hù)物質(zhì)和抗氧化劑以保護(hù)植物避免遭受氧化損傷。類似地，在煙草中過量表達(dá)向日葵HaHSFA4a和HaHSFA9基因能增強(qiáng)植株對氧化脅迫的抗性[53]。Mittal等[42]發(fā)現(xiàn)水稻植株體內(nèi)多個OsHsfs的基因可被H2O2誘導(dǎo)表達(dá)，尤其是OsHsfA2a、OsHsfB4b、OsHsfC2a，從而提高水稻對氧化脅迫的感知和抵抗能力，這可能與植株能有效地清除在應(yīng)答脅迫過程積累的ROS、降低細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度、保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性有關(guān)。

5 展望

研究植物應(yīng)對如高溫、干旱和高鹽等非生物脅迫的響應(yīng)機(jī)制，是提高植物的耐逆性和產(chǎn)量的先決條件。HSFs結(jié)合脅迫誘導(dǎo)基因中的順勢元件，在植物獲得耐逆性中起重要作用。本文介紹了HSFs家族的保守結(jié)構(gòu)、HSFs在不同植物中具有的表達(dá)差異和功能差異。HSFs作為一類重要的轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors，TFs)，通過磷酸化、寡聚化等過程，形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，激活并調(diào)控不同的脅迫相關(guān)基因和熱激蛋白的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)，從而參與不同脅迫的響應(yīng)信號途徑。目前，關(guān)于HSFs的研究主要集中于如番茄和擬南芥等模式植物，且以A類家族成員為主，B、C兩類HSFs成員的生物學(xué)功能還有待進(jìn)一步研究。縱觀HSFs近年來的研究進(jìn)展，在HSFs參與調(diào)控植物對極端溫度、干旱、高鹽以及氧化等逆境脅迫的響應(yīng)中，其研究主要以高溫脅迫為主，并多為對單一脅迫的影響，對于HSFs調(diào)控其他逆境脅迫與脅迫間交叉的響應(yīng)機(jī)制的研究較少，尤其是對于主要農(nóng)作物的病蟲害等生物脅迫的研究甚少。

在番茄、擬南芥、水稻、大豆等植物中的研究結(jié)果顯示，不同HSFs家族成員在逆境中的響應(yīng)機(jī)制各不相同，信號通路及物質(zhì)間的互作形式也有差別，它們以其獨(dú)特的方式在高溫脅迫及其他逆境反應(yīng)中參與保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)不受破壞、保持較高的光合效率、保證生理生化性質(zhì)的穩(wěn)定，然而，研究已經(jīng)證明，HSFs在逆境脅迫中的調(diào)節(jié)作用具有多樣性和復(fù)雜性，如何定位到與HSFs互作的蛋白、HSFs的靶標(biāo)基因等，都是目前研究HSFs精準(zhǔn)調(diào)控逆境響應(yīng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

將先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)運(yùn)用到植物不同生長階段和脅迫狀態(tài)的研究中，如微陣列、基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)，將有利于完整的闡述HSFs在不同非生物脅迫中的功能和信號途徑。因此，熱激轉(zhuǎn)錄因子有望被利用到轉(zhuǎn)基因植物中，使其對環(huán)境脅迫具有更好的耐受性。未來研究的重點(diǎn)應(yīng)主要集中于植物HSFs在抗病原微生物脅迫中的功能、不同非生物脅迫之間的交叉網(wǎng)絡(luò)、對植物的生長發(fā)育和新陳代謝的影響，為深入探究植物抗逆機(jī)理和培育抗逆品種提供理論基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

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