Dof基因家族調節(jié)植物生長發(fā)育功能的研究進展

李 婭，丁文杰，江海燕，李玉立，王良桂，岳遠征*

(1 南京林業(yè)大學 風景園林學院，南京 210037；2 南京林業(yè)大學，風景園林江蘇省重點實驗室，南京 210037)

基因調控是一個涉及多種調控元件的復雜過程，轉錄因子是基因調控過程的重要因子，可通過與不同基因啟動子區(qū)段的順式調控序列相結合來調節(jié)相應基因的轉錄水平[1]。轉錄因子也稱為反式作用因子，一般由DNA結合區(qū)、轉錄調控區(qū)(包括激活和抑制域)、寡聚化位點及核定位信號區(qū)4個功能區(qū)組成[2]。植物生長發(fā)育過程中的許多生命活動都受轉錄因子的嚴格調控，根據轉錄因子與DNA結合的結構域序列特點，可以將轉錄因子分成不同的家族，Dof基因家族便是其中之一。

Dof基因家族是植物特有的一類轉錄因子，目前在果蠅、酵母和線蟲等不同類型的生物體中均沒有發(fā)現(xiàn)該家族基因的存在[1]。Dof轉錄因子能夠與其他轉錄因子相互作用，也能夠通過激活或者抑制靶基因來調控轉錄過程，從而發(fā)揮功能。研究表明，Dof基因家族成員參與到植物體的多種生命活動中，對植物生長發(fā)育、光調控、防御機制以及激素調控等過程中的相關基因有重要的調控作用[3]?；贒of基因在植物中的重要作用，本文主要針對Dof家族成員的結構特點及其生物學功能進行了總結，為Dof家族基因的進一步研究提供信息和參考。

1 Dof基因家族的結構特點

Dof基因家族屬于單鋅指蛋白超家族，一般由200～400個氨基酸構成[4]。Dof蛋白具有明顯的結構特征，由N-末端高度保守的Dof結合結構域、寡聚化位點、引導Dof蛋白進入細胞核的核定位區(qū)段以及負責C-末端轉錄調控的激活結構域4個部分組成[5](圖1)。其中，Dof 結合結構域是由52個保守的氨基酸殘基構成的C2-C2型單鋅指結構域，在該結構域中有4個絕對保守的Cys殘基[6]。Dof蛋白由于其C-末端轉錄調控域的氨基酸序列較為多變，不具有保守性，因此在植物中的功能具有多樣性[1]。

研究表明，Dof基因家族成員可通過識別含有AAAG或者CTTT序列來與下游基因啟動子序列結合，從而調控表達。如擬南芥的OBP1轉錄因子能特異性識別GST6基因啟動子的AAAG或者CTTT序列；玉米中PBF基因可識別Zein基因的TAAAG序列[5,7]；然而南瓜Dof蛋白AOBP卻能特異性識別下游基因啟動子中的AGTA序列[8-9]。

2 Dof基因家族成員的鑒定與分析

近年來，基因家族分析已成為了解不同物種中基因結構進化和功能的重要手段。自從玉米中克隆出第一個Dof基因(ZmDof1)以來[10]，目前已有大量的Dof家族成員從不同植物的基因組數(shù)據庫中得到了鑒定。前人已經對萊茵衣藻(1個Dof基因家族成員，下同)、小立碗蘚(9)、巖柏草(8)、江南卷柏(8)、短柄草(27)、火炬松(8)、擬南芥(36)、大麥(24)、大豆(78)、番茄(34)、水稻(30)、小麥(31)、高梁(28)、玉米(54)、甘蔗(25)等植物基因組中的Dof成員情況進行了綜述分析[1]，然而關于Dof基因家族成員在不同物種中的鑒定工作一直都未停止。近年來在馬鈴薯、大白菜、胡椒、桃、蘋果、香蕉等植物中又有大量的Dof成員通過全基因組分析或者轉錄組分析的策略被鑒定出來(表1)。

圖1 Dof蛋白結構及AAAG序列識別位點示意圖Fig.1 Schematic diagram of Dof protein structure and AAAG sequence identification site

3 Dof蛋白與其他蛋白的相互作用

Dof蛋白除了可與本家族的Dof蛋白成員互作外，還可與bZIP、MYB、QM、ZFP2、WRKY、TCP以及HMG蛋白等其他家族的成員相互作用[1]。目前，已有研究表明Dof蛋白主要以兩種方式與其他蛋白發(fā)生相互作用。一種是由Dof結構域介導的互作，如擬南芥Dof轉錄因子OBP1及玉米Dof轉錄因子PBF均可以通過其Dof結構域與bZIP家族蛋白相互作用，從而調控目的基因的表達[30-31](圖2)；另一種是由Dof蛋白C末端的轉錄調控結構域介導的相互作用，如在大麥中，Dof家族基因BPBF和SAD可通過C端的調控結構域與HvGAMYB蛋白發(fā)生互作，從而影響種子的發(fā)育[32-33](圖3)。

4 Dof基因家族的生物學功能

研究表明，與Dof蛋白結合的元件存在于多種植物特異性基因的啟動子序列中[5]，如近期從矮牽牛的2個花特異性表達基因PhLRR和PhGRP的啟動子序列中就發(fā)現(xiàn)大量可與Dof蛋白結合的順式調控元件[46]。由于Dof蛋白具有蛋白-啟動子和蛋白-蛋白互作的功能，因此Dof蛋白可廣泛地參與植物的組織分化、種子發(fā)育、代謝調節(jié)以及逆境脅迫等多種生物學過程[47]。本研究就不同植物中與Dof基因相互作用的蛋白及其功能進行了總結(表2)。

4.1 Dof基因與植物的組織分化

4.1.1Dof基因參與植物花藥發(fā)育啟動子可誘導其下游基因在花藥中特異性表達，為更好地了解花藥發(fā)育過程，眾多花藥特異性基因的啟動子在擬南芥、煙草、矮牽牛、馬鈴薯、油菜和水稻等植物中被鑒定出來，在這些啟動子中都含有大量的可與Dof轉錄因子結合的順式元件。ZmDof1作為第一個發(fā)現(xiàn)的Dof基因，可調控玉米花粉特異性基因Zm401的表達，并且該基因在植物花粉粒中也有較高的表達水平[48]；此外，玉米ZmDof30作為Zm908的轉錄阻遏蛋白基因，可負調控花粉萌發(fā)和花粉管生長的關鍵基因Zm908的啟動子活性，從而影響植物花藥的發(fā)育[49]。

表1 不同植物中 Dof 基因數(shù)目(2015～2018)

a. OBF蛋白與OBP1蛋白相互作用促進AtGST6表達；b. O2蛋白與PBF蛋白相互作用促進玉米cyPPDK基因表達圖2 Dof與bZIP相互作用調控目的基因的表達a. OBF protein interacts with OBP1 protein to promote AtGST6 expression; b. O2 protein interacts with PBF protein promotes corn cyPPDK gene expressionFig.2 Dof proteins could regulate the target genes expression by interacting with bZIP proteins

a. BPBF與WRKY38相互作用并在GA不存在的情況下抑制Amy32b表達；b. SAD與GAMYB相互作用并在GA存在下激活Amy32b表達 圖3 Dof與其他轉錄因子相互作用調控目的基因的表達a. BPBF could inhibit the expression of Amy32b by interacting with WRKY38 when absence GA; b. SAD could activate the expression of Amy32b by interacting with GAMYB under the GA treatmentFig.3 Dof proteins could regulate the target genes expression by interacting with other transcription factors

4.1.2Dof基因參與植物的開花過程光周期是控制植物開花的重要因素，Dof 轉錄因子可通過調控植物光敏色素和隱花色素的信號轉導通路來響應光反應。CDFs是一類參與開花調節(jié)的Dof亞家族成員，已有報道表明擬南芥中的CDFs基因對光周期調控的開花過程起至關重要的作用，如AtCDF1可通過調節(jié)CO和FT的表達水平來抑制植物開花[45]；此外，在擬南芥中過表達番茄的SiCDF3基因和油菜的BnCDF1基因，能通過調節(jié)成花基因如CO和FT來推遲開花[50-51]；不同的是，在番茄中過表達TDDF1基因可通過調節(jié)開花基因表達而誘導番茄早期開花[52]；水稻OsDof12、OsDof4基因則受光照條件的影響從而控制植株開花[53-54]。

表2 Dof相互作用蛋白及其在植物生長和發(fā)育中的功能

4.1.3Dof基因參與植物保衛(wèi)細胞的發(fā)育過程保衛(wèi)細胞作為植物葉面表皮的重要組成成分，控制著氣孔的開合，在植物氣體交換與控制水分蒸騰方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，植物Dof基因參與了保衛(wèi)細胞的生長發(fā)育過程，如將擬南芥保衛(wèi)細胞中特異性表達的AtMYB60基因的Dof蛋白結合位點刪除后，發(fā)現(xiàn)AtMYB60基因的表達量發(fā)生了變化，從而影響了植物保衛(wèi)細胞的發(fā)育[55]；擬南芥植株AtSCAP1基因功能缺失后，導致氣孔呈現(xiàn)不規(guī)則形狀，從而缺乏控制氣孔開閉的能力，進一步研究發(fā)現(xiàn)，SCAP1基因是通過調控GORK、AtMYB60、PYL2等下游基因的表達來調控保衛(wèi)細胞的發(fā)育[56]。

4.1.4Dof基因參與植物組織分化的其他發(fā)育過程Dof基因家族成員除了參與植物的花藥發(fā)育、開花響應、保衛(wèi)細胞發(fā)育過程，還通過調控植物細胞周期、維管系統(tǒng)形成、葉片極性、花器官脫落等過程來直接或間接地影響植物的形態(tài)建成。已有研究報道，在擬南芥中過表達Dof轉錄因子AtOBP1，可縮短細胞周期[30]；AtOBP3通過調控光敏色素和花青素來影響子葉的擴展和子葉下胚軸的伸長[47]；AtDof4.1作為轉錄阻遏物影響著植株的開花和器官的尺寸(例如葉和擬南芥中的角果)[57]；AtDof5.1通過啟動REV基因的表達來調控植物器官發(fā)育[1]；AtDof2.4和AtDof5.8參與了擬南芥葉和花芽維管系統(tǒng)的形成[47]；AtDof4.7參與了花器官的脫落過程[40]。另外，毛竹Dof家族的部分基因如PheDof1、PheDof4、PheDof5、PheDof12、PheDof14、PheDof16也參與了花器官的形成發(fā)育過程[15,58-59]。

4.2 Dof基因與植物的種子/果實發(fā)育

4.2.1Dof基因參與植物種子/果實的萌發(fā)與休眠研究表明，種子萌發(fā)的過程受到赤霉素(GAs) 和脫落酸(ABA)的調控，Dof基因家族成員可通過對ABA和GA的合成代謝進行調節(jié)來調控種子的萌發(fā)。如擬南芥AtDof6基因可通過與TCP14蛋白相互作用，影響ABA的合成代謝來調控種子的萌發(fā)[42]；AtDAG1基因可通過直接抑制GA生物合成基因GA3ox1和ABA分解代謝基因CYP707A2的表達來調控種子的休眠和萌發(fā)[60]；AtDGA2行使與AtDAG1相反的功能參與種子的萌發(fā)過程[61]；另有研究報道，桃的PpeDof基因及玉米的ZmDof3基因也在種子的萌發(fā)與休眠過程中發(fā)揮著積極的調控作用[27,62]。

4.2.2Dof基因參與植物種子/果實的成熟植物Dof蛋白一般通過調控種子/果實成熟相關基因的表達來影響果實的成熟。如草莓的FaDof2基因是一種與果實成熟相關的轉錄因子，由激素調控并作用于特定受體，其表達與丁香酚含量有關，在草莓成熟過程中沉默表達FaDof2基因，可抑制花托中涉及丁香酚產生的關鍵基因的表達，從而影響草莓的成熟[63]；另外，香蕉的轉錄抑制因子MaDof23也可通過調控成熟相關基因(如MaEXP1/2/3/5、MaXET7、MaPG1)的表達來影響香蕉的成熟[44]。

4.2.3Dof基因參與植物種子/果實中蛋白質和脂肪的合成Dof轉錄因子除了影響植物種子/果實的休眠、萌發(fā)和成熟，還與蛋白質和脂肪的存儲合成相關。在擬南芥中過表達GmDof4 和GmDof11，會增加種子發(fā)育期間種子的脂質含量，抑制種子貯藏蛋白基因CRA1的表達[64]；在大豆中過表達GmDof11，可使轉基因大豆種子的蛋白質含量降低，油脂含量增加[64]；而在甘藍型油菜中過表達GmDof4基因，可促進FAB2基因和FAD8基因的表達從而使種子中的油脂含量增加，蛋白含量降低[41]。

4.3 Dof基因與植物的代謝調節(jié)

4.3.1Dof基因參與單子葉植物的代謝調節(jié)Dof蛋白通過調控碳氮代謝相關基因的表達參與植物的代謝調節(jié)。在單子葉植物中，玉米Dof1和Dof2基因通過行使相反的功能影響C4循環(huán)中的PEPC羧化酶基因的表達，從而影響植物的碳代謝過程[65]；將ZmDof1基因導入水稻，可増加水稻碳氮的積累，促進植株在低氮條件下的生長[66]；此外，小麥TaDof1基因的超量表達可促進谷氨酰胺合成酶和谷氨酸酶的表達，進而影響了小麥的氮利用率[67]；水稻OsDOF18基因可介導氨氮的運輸和氮的分布，進而影響植物氮素的使用效率[68]。

4.3.2Dof基因參與雙子葉植物的代謝調節(jié)研究表明，Dof蛋白還參與了擬南芥、番茄，茶樹等雙子葉植物生命活動的代謝調節(jié)過程。在擬南芥中用35S強啟動子過表達水稻OsDof25基因，可促進銨轉運蛋白基因AtAMT1.1和AtAMT2.1的表達，同時抑制硝酸鹽轉運蛋白基因AtNRT2.1的表達，從而導致總氨基酸濃度的增加[69]；在番茄植株中分別超量表達擬南芥和番茄的CDF3基因，發(fā)現(xiàn)CDF3會引起初級代謝的變化，并促進氮同化進程[70]；對茶樹進行氮饑餓處理后再供給氮發(fā)現(xiàn)，CsCDF1基因在不同組織中對不同濃度氮的反應有上調的趨勢[71]。此外，Dof基因還參與苯基丙酸、類黃酮和芥子油苷等次生代謝產物的合成過程，如在擬南芥中過表達AtDof4.2基因影響了苯丙酸的代謝途徑，其黃酮類的合成受到抑制，而促進了肉桂酸的合成[72]。

4.3.3Dof基因參與苔蘚類植物的代謝調節(jié)小立碗蘚中的PpDof1蛋白是目前于苔蘚類植物中報道的唯一一個參與代謝調節(jié)的Dof家族成員，在PpDof1基因功能缺失突變體中，小立碗蘚原絲體配子托的形成延遲或者減少，并且在BCD培養(yǎng)基上PpDof1缺失突變體的菌落大小以及長絲側枝的多少均受到培養(yǎng)基中外加碳氮源的影響[73]。

4.4 Dof轉錄因子與植物的逆境脅迫

4.4.1Dof基因響應植物的干旱脅迫目前已有研究表明，小麥Dof家族成員TaDof1、TaDof2、TaDof14、TaDof15是小麥在干旱、鹽等逆境脅迫下的應答基因。TaDof14和TaDof15兩個基因在干旱脅迫下上調[74]；在 PEG脫水處理下，TaDof1、TaDof2 在小麥根和葉子中表達下調，但在干旱脅迫下，兩基因在不同品種間差異表達[67,74]；此外，水稻OsDof18基因以及高粱的SbDof12、SbDof19、SbDof24三個基因的表達也均受干旱脅迫的誘導[68,75]。

4.4.2Dof基因響應植物的鹽脅迫Dof基因家族的許多成員能夠影響轉基因植株的耐鹽能力。檉柳的ThDof1.4和ThZFP1基因可在體內形成一種轉錄調控級聯(lián)，其表達可以增加脯氨酸含量，增強ROS的清除能力，從而提高檉柳對鹽脅迫和滲透脅迫的耐受性[76]；同樣，對檉柳TheIF1A的功能研究也表明，Dof家族基因在參與植物逆境脅迫的響應過程中，能夠影響轉基因植株的耐鹽能力[77]；此外，在擬南芥中過量表達番茄的SlCDF1、SlCDF3基因，可通過激活各種脅迫響應基因(包括COR15、RD29A和RD10)的表達來增加植物的抗干旱性和耐鹽性[50]；另有研究報道擬南芥的部分Dof基因和小立碗蘚的Dof1基因也富含NaCl敏感性，并在鹽脅迫條件下具有上調表達的趨勢[73]。

4.4.3Dof基因響應植物的高/低溫脅迫高溫和低溫是植物生命活動中常遭遇的兩種非生物逆境，Dof轉錄因子廣泛參與植物的高低溫脅迫響應過程。通過38 ℃高溫和4 ℃低溫脅迫處理茶樹的3個不同品種后發(fā)現(xiàn)，3種茶樹中的CsDof1和CsDof2基因表達量都高于對照組，且在不同茶樹品種間存在差異[78]；白菜受高低溫脅迫處理后，其體內的Dof基因表達量會迅速升高[17]；在低溫條件下，過表達甘藍型油菜Dof基因BnCDF1，植株的冷應答基因會表現(xiàn)出較高的表達水平[51]。

4.4.4Dof基因響應植物的激素脅迫Dof基因家族成員不僅參與干旱、脫水、高低溫、NaCl等引起的非生物脅迫過程，還參與了ABA、AsA等引起的激素脅迫。通過qRT-PCR分析非生物脅迫下(包括干旱、高鹽度和ABA)馬鈴薯Dof基因成員的表達模式，發(fā)現(xiàn)StDof基因在不同脅迫下的表達模式有很大差異，大部分StDof基因的表達在脅迫條件下會表現(xiàn)出上調的趨勢[3]；有研究顯示，在毛果楊的Dof家族基因的啟動子區(qū)域發(fā)現(xiàn)許多重要的應激或植物激素相關的順式元件，進一步對其葉和根的表達譜分析發(fā)現(xiàn)，在滲透和ABA脅迫下，PtrDof基因家族中共有7個基因在葉和根中的表達始終表現(xiàn)為上調的趨勢[21]；除此之外，番茄中的SlDof22基因可通過與S1SOS1基因的啟動子序列結合，負調控番茄中AsA的積累[79]。

4.4.5Dof基因響應植物多種非生物逆境脅迫通過對毛竹PheDof基因的表達譜進行分析發(fā)現(xiàn)，毛竹中的大部分PheDof基因在鹽、干旱和冷處理下顯示出較高的表達水平，并且這些PheDof基因在以上脅迫處理1 h后就表現(xiàn)為上調表達的趨勢，這表明PheDof基因可能參與了毛竹的多重脅迫反應途徑[59]；值得注意的是，PheDof4-1基因的表達在干旱脅迫的幼莖中受到了誘導，而在葉片和根中則受到了抑制，但是在低溫脅迫的根中，PheDof4-1基因的表達量則表現(xiàn)為急劇的增加[80]。近期研究表明，蘋果Dof家族中的大部分成員對PEG、NaCl、冷脅迫以及外源ABA的處理都非常敏感[18]；番茄Dof家族成員TDDF1在植物中的超量表達可以改善植物體對干旱、鹽以及各種激素處理的耐受性，并增強對晚疫病的抵抗性[52]；此外，在鹽、脫水和傷害脅迫情況下，水稻OsDOF18基因可參與根表達基因OsRGLP2的轉錄激活，從而使轉水稻OsRGLP2基因的煙草表現(xiàn)出很強的恢復能力[81]。

5 展 望

Dof基因家族成員廣泛參與植物的光合調控、碳氮代謝、種子儲藏蛋白的合成、次生代謝物的合成、種子發(fā)育及萌發(fā)、植物的保衛(wèi)細胞調控、生物和非生物脅迫應答等過程，在植物生長發(fā)育過程中起到至關重要的作用[47]。自第一個Dof蛋白發(fā)現(xiàn)以來，隨著基因組學和生物信息學的發(fā)展，利用插入突變、RNA干擾(RNAi)、基因瞬時表達、遷移率變動實驗以及轉基因技術，已經解析了大量Dof基因的生物學功能及其調控機理。但迄今為止，與該家族成員互作的基因所參與的轉錄調控網絡尚不明確，且關于Dof 轉錄因子參與植物育性調控的研究仍鮮有報道。因此，今后應對 Dof 轉錄因子所參與的轉錄調控網絡進行進一步解析，并嘗試將具有不同功能的Dof基因家族成員應用于植物的性狀改良。

(編輯:裴阿衛(wèi))