NAC 轉(zhuǎn)錄因子在植物響應(yīng)非生物脅迫中的作用

張丹 馬玉花

（青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西寧 810016）

在自然環(huán)境中，植物常常會(huì)遭遇各種不利環(huán)境，從而導(dǎo)致植物的生長受阻、產(chǎn)量減少、生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值受損，這些不利環(huán)境包括生物脅迫和非生物脅迫［1］。生物脅迫有病原體感染、食草動(dòng)物吸食和人為破壞等；非生物脅迫主要包括干旱脅迫、滲透脅迫或鹽脅迫、極端溫度（高溫、低溫）等。隨著全球氣候的變化，這些非生物脅迫對(duì)植物的影響日益加劇，并造成全球主要農(nóng)作物的減產(chǎn)，而全球氣候變化趨勢(shì)將導(dǎo)致非生物脅迫出現(xiàn)的頻率增加。因此，深入研究植物在非生物脅迫下的響應(yīng)機(jī)制（包括信號(hào)感知，傳遞以及轉(zhuǎn)錄調(diào)控和應(yīng)答基因的表達(dá)），培育抗逆植物新品種，保證全球糧食供給和農(nóng)林業(yè)的有效生產(chǎn)，對(duì)于人類生活環(huán)境的改善和生活質(zhì)量的提高有極大的促進(jìn)作用。

為了在不利環(huán)境下正常生長，植物在生理、生化和分子水平上進(jìn)化出了一系列復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制，包括信號(hào)的感知、依賴ABA 通道和ABA 獨(dú)立通道的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)及進(jìn)一步激活生理和代謝反應(yīng)［2］。植物在非生物脅迫響應(yīng)中的基因產(chǎn)物分為兩類：第一類由一些調(diào)控下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及脅迫應(yīng)答基因表達(dá)的蛋白因子組成，稱為調(diào)節(jié)蛋白［3］，包括轉(zhuǎn)錄因子（NAC、MYB、MYC、WRKY、bZIP 和HB 等）、蛋白激酶和磷酸激酶等；第二類在植物對(duì)非生物脅迫的適應(yīng)過程中具有直接作用，稱為功能蛋白，包括小分子滲透物質(zhì)（如脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖）、晚期胚胎發(fā)育豐富（LEA）蛋白、脫水素、保護(hù)酶（如SOD、CAT 和POD）及水通道蛋白等，這些蛋白質(zhì)可以通過維持植物細(xì)胞膨壓、清除活性氧和保護(hù)細(xì)胞內(nèi)生物大分子的結(jié)構(gòu)來緩沖各種非生物脅迫對(duì)植物細(xì)胞的損傷［4］。

轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factors，TFs）是一種通過與DNA 或其他蛋白質(zhì)復(fù)合物的特定序列結(jié)合來調(diào)控基因表達(dá)的蛋白質(zhì)［5］，而轉(zhuǎn)錄調(diào)控是指在基因表達(dá)的過程中，轉(zhuǎn)錄因子與脅迫應(yīng)答基因上游的順式作用元件相結(jié)合從而激活或者抑制基因的表達(dá)，轉(zhuǎn)錄調(diào)控分為依賴ABA 通道和ABA 獨(dú)立通道［6］。植物在受到外界干旱、高鹽等非生物脅迫時(shí)，會(huì)引起ABA 生物合成的增加，從而激活MYB、MYC、NAC、bZIP 等轉(zhuǎn)錄因子與下游的相應(yīng)的脅迫應(yīng)答基因RD22、Gly、RD29B和RD20A的啟動(dòng)子區(qū)特定序列的順式作用元件MYBRS、MYCRS 和ABRE（核心序列為ACGTGGC）結(jié)合，從而激活脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)；在ABA 獨(dú)立通道中，植物細(xì)胞感受到環(huán)境刺激后將信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)至轉(zhuǎn)錄因子NAC、DREB2，激活了NAC、DREB2 轉(zhuǎn)錄因子與相關(guān)脅迫應(yīng)答基因ERD1和RD29A的啟動(dòng)子區(qū)特定序列的順式作用元件DRE/CRT 結(jié)合，從而激活脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)。

植物特異性轉(zhuǎn)錄因子NAC 是來自矮牽牛的NAM 和來自擬南芥的ATAF1、ATAF2 和CUC2 的首字母縮寫，隨著植物全基因組測(cè)序和EST 序列數(shù)量的不斷增加，在許多物種中都發(fā)現(xiàn)了NAC 基因，模式植物擬南芥和水稻中分別有117、151 個(gè)NAC 轉(zhuǎn)錄因子［7］，蘋果有180 個(gè)［8］、香蕉有167 個(gè)［9］、大豆有152 個(gè)［10］、沙棘有177 個(gè)［3］。NAC 轉(zhuǎn)錄因子不僅參與植物的生長發(fā)育（如側(cè)根的發(fā)育、花的發(fā)育、次生壁的形成及植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等［11］），而且在植物響應(yīng)非生物脅迫如干旱、鹽堿、水澇及低溫等過程中都起著重要的調(diào)節(jié)作用。本文就NAC 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征、作用機(jī)理及其在植物非生物脅迫中的功能研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為NAC 相關(guān)的基因研究以及植物的抗逆新品種培育提供理論依據(jù)。

1 NAC 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征

NAC 蛋白是最大的植物特異性轉(zhuǎn)錄因子家族，其在植物各個(gè)發(fā)育階段和不同組織中表達(dá)，參與各種生長和發(fā)育過程以及調(diào)節(jié)植物對(duì)環(huán)境脅迫的反應(yīng)［12］。NAC 家族共有的脫氧核苷酸序列被定義為NAC 域，NAC 域位于NAC 蛋白的N 端，全長約150 個(gè)氨基酸，是高度同源的區(qū)域，由A、B、C、D、E 5 個(gè)亞結(jié)構(gòu)域構(gòu)成（圖1）。NAC 域中的各個(gè)亞結(jié)構(gòu)比對(duì)表明亞結(jié)構(gòu)域A、C、D 是嚴(yán)格保守的，B 和E 不保守，NAC 結(jié)構(gòu)域包含特定的DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域（DNA binding domain，DBD），DBD 包含在60 個(gè)氨基酸的區(qū)域內(nèi)，其可能折疊成特異性結(jié)合CaMV 35S啟動(dòng)子的螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋基序，B 和E 亞區(qū)域中序列的多樣性與功能、發(fā)育階段、組織特異性的多樣性有關(guān)，轉(zhuǎn)錄激活區(qū)（Transcriptional activation region，TAR）位于NAC 蛋白的C 端［13］。

圖1 NAC 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)示意圖

2 NAC 轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫中的作用

植物在生長發(fā)育過程中面臨著各種生物和非生物脅迫，嚴(yán)重影響其自身的生長發(fā)育和有機(jī)物積累，因此，許多學(xué)者致力于植物響應(yīng)非生物脅迫的調(diào)控機(jī)制研究。隨著全球氣候變暖，干旱、鹽堿和極端溫度成為阻礙植物生長和產(chǎn)量的主要因素，本文主要綜述NAC 轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫、鹽脅迫和極端溫度脅迫中的調(diào)控作用的研究進(jìn)展。

2.1 NAC轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫中的作用

干旱是全球氣候變化的直接后果之一，日益加劇的全球氣候變暖對(duì)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。全球氣候變暖導(dǎo)致干旱頻率增加，嚴(yán)重影響了糧食作物的生存和產(chǎn)量。干旱對(duì)于植物生長的影響顯著，輕度的干旱降低產(chǎn)量，嚴(yán)重的干旱會(huì)引起植物永久萎焉而導(dǎo)致顆粒無收。研究表明，NAC 轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫中差異表達(dá)，是干旱脅迫關(guān)鍵基因之一。植物NAC 轉(zhuǎn)錄因子通過4 種途徑來提高植物的耐旱性，一是通過結(jié)合響應(yīng)干旱脅迫的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子的順式作用元件，從而激活相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)來提高植物的耐旱性，如MYB、DREB、WRKY 等；二是通過增加植物滲透調(diào)節(jié)物的含量如脯氨酸、甜菜堿等來維持植物體內(nèi)滲透平衡，防止蛋白質(zhì)變性，從而提高植物在干旱脅迫下的存活率；三是通過抑制植物細(xì)胞內(nèi)水分外流以保持較高的相對(duì)含水量；四是調(diào)節(jié)植物的干旱脅迫相關(guān)的應(yīng)答基因的表達(dá)來減少脅迫對(duì)植物的損傷。

大田干旱條件下，小麥葉片和小麥籽粒的23 個(gè)TaNAC 基因中有7 個(gè)具有葉片特異性表達(dá)、5 個(gè)具有籽粒特異性表達(dá)［14］；從菜豆基因組數(shù)據(jù)庫中鑒定出的86 種NAC 蛋白中22 個(gè)與干旱相關(guān)，MBS 是一種順式作用元件，為參與干旱誘導(dǎo)的MYB 結(jié)合位點(diǎn)，TsApx6（Thellungiella salsuginea）參與干旱脅迫反應(yīng)，其啟動(dòng)子區(qū)中含有MBS 元素［15］，與干旱相關(guān)的菜豆NAC 基因中有16 個(gè)基因含有MBS 順式作用元件，表明NAC 基因參與了菜豆的干旱響應(yīng)［16］。通過病毒誘導(dǎo)的基因沉默抑制NAC 轉(zhuǎn)錄因子基因SlJUB1的表達(dá)，顯著降低了番茄耐旱性，同時(shí)引起離子滲漏的增加，過氧化氫水平的升高和各種干旱響應(yīng)基因表達(dá)的降低；擬南芥AtJUB1的過量表達(dá)增加了番茄的耐旱性，干旱期間葉片相對(duì)含水量較高，過氧化氫水平降低；干旱會(huì)引起SlJUB1的表達(dá)量升高，直接結(jié)合番茄中SlDREB1、SlDREB2和SlDELLA的啟動(dòng)子，從而激活DELLA和應(yīng)激相關(guān)基因DREB2和DREB1的表達(dá)，增加了植物的抗旱性［17］。由此可見，JUB1 正向調(diào)節(jié)番茄抗旱性。同時(shí)，在擬南芥中已經(jīng)證明JUB1 通過影響植物激素生物合成/信號(hào)傳導(dǎo)和ROS 信號(hào)傳導(dǎo)中涉及的多種相互關(guān)聯(lián)的細(xì)胞途徑來限制植物生長并增強(qiáng)對(duì)非生物脅迫的耐受性，AtJUB1直接抑制對(duì)GA 和BR 生物合成至關(guān)重要的基因（分別為GA3ox1和DWF4）［18］，同時(shí)它直接激活編碼DELLA 的基因GAI和RGL1，從而導(dǎo)致DELLA 蛋白的積累。此外，AtJUB1直接靶向激活擬南芥響應(yīng)干旱脅迫的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子基因DREB2A的表達(dá)。將遼寧堿蓬SlNAC1轉(zhuǎn)入擬南芥發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因擬南芥的成活率較高，轉(zhuǎn)基因植株的水分損失率低于野生型（WT）和對(duì)照組（V）植株，成活率高于WT 和V 植株，表明SlNAC1能增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植物的耐旱性［12］。過表達(dá)MusaNAC042的轉(zhuǎn)基因香蕉植株在干旱脅迫下，脯氨酸含量升高，丙二醛含量降低，且在相同的干旱脅迫水平下，轉(zhuǎn)基因植株的相對(duì)含水量高于對(duì)照植株，說明其具有較強(qiáng)的抗旱性［19］。另外，在干旱脅迫下過表達(dá)MusaNAC042可引起9 個(gè)應(yīng)激相關(guān)基因的表達(dá)上調(diào)，包括CBF/DREB、5 個(gè)WRKY 和3 個(gè)LEA 基因。干旱脅迫下，過表達(dá)ONAC022（N22oe）的轉(zhuǎn)基因水稻植株較野生型（WT）植株耐旱性強(qiáng)，成活率高，生長性能好，蒸騰速率降低，氣孔率降低，脯氨酸和可溶性糖含量增加，且ONAC022在轉(zhuǎn)基因水稻中的過表達(dá)可以通過ABA 依賴通路調(diào)控［20］。干旱脅迫下轉(zhuǎn)TaNAC67植株的細(xì)胞膜穩(wěn)定性（CMS）均高于野生型（WT）和對(duì)照組，表明CMS 的增強(qiáng)是由TaNAC67的過表達(dá)引起的，此外，研究發(fā)現(xiàn)，TaNAC67突變體在水分脅迫下干旱脅迫應(yīng)答基因DREB2A、ABI1和ABI2的表達(dá)顯著且持續(xù)上調(diào)，DREB2A是參與干旱反應(yīng)的重要調(diào)控因子，它的顯著上調(diào)增加了下游干旱脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)，增強(qiáng)了植物對(duì)干旱脅迫的耐受性，ABI1和ABI2參與ABA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控，其高表達(dá)水平會(huì)引起受ABI1和ABI2控制的基因表達(dá)上調(diào)，并增強(qiáng)植物依賴ABA 通路的干旱脅迫響應(yīng)能力［21］。

2.2 NAC轉(zhuǎn)錄因子在滲透脅迫和鹽脅迫中的作用

鹽脅迫是一種非常普遍的環(huán)境脅迫，它直接影響植物的生長、發(fā)育、分布區(qū)域和產(chǎn)量。鹽脅迫不僅會(huì)引起多種生理變化，如植物失水、黃化和萎蔫［22］，還會(huì)引起植物體內(nèi)的生化變化，一些大分子物質(zhì)如蛋白質(zhì)和脂類被破壞和水解，導(dǎo)致代謝紊亂，甚至引起植物死亡。此外，鹽脅迫下活性氧的過度積累加速了植物萎蔫［23］。鹽脅迫誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子包括MYB、bZIP、NAC 和AP2/ERF 等，還有一些植物激素在鹽脅迫響應(yīng)過程中也起著重要的調(diào)節(jié)作用，如赤霉酸（GA）、茉莉酸（JA）、脫落酸（ABA）和乙烯等［24-25］。NAC 轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)鹽脅迫主要通過以下幾方面：一是通過維持細(xì)胞內(nèi)Na+和K+濃度增強(qiáng)植物的耐鹽性；二是通過激活脅迫應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)如LEA、SOD、POD、HRG、ABA 和乙烯等保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)態(tài)；三是促進(jìn)小分子滲透調(diào)節(jié)物（甜菜堿、脯氨酸、可溶性糖等）的積累從而保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；四是調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉來平衡植物體內(nèi)的水分狀態(tài)。

在鹽脅迫條件下，蘋果MdNAC047直接與乙烯啟動(dòng)子結(jié)合并激活其轉(zhuǎn)錄，增加了乙烯反應(yīng)基因的表達(dá)，從而增強(qiáng)了蘋果對(duì)鹽脅迫的耐受性［26］。在高鹽條件下，ATAF1轉(zhuǎn)基因水稻種子的發(fā)芽率高于野生型（WT）水稻種子發(fā)芽率，表現(xiàn)出較好的耐鹽性，研究發(fā)現(xiàn)，ATAF1在水稻中的過表達(dá)提高了鹽脅迫誘導(dǎo)基因OsLEA3、OsSalT1和OsPM1的轉(zhuǎn)錄水平，OsLEA3的積累能維持細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能，以促進(jìn)植物恢復(fù)，OsSalT調(diào)控細(xì)胞內(nèi)Na+的濃度，防止細(xì)胞受損，并且這3 個(gè)基因的啟動(dòng)子分別包含5、7 和6 個(gè)ATAF1 結(jié)合基序，說明ATAF1 通過結(jié)合OsLEA3、OsSalT1和OsPM1的啟動(dòng)子并激活它們的表達(dá)來改善轉(zhuǎn)基因水稻耐鹽性［27］。在鹽脅迫處理下，ONAC022過表達(dá)（N22oe）的轉(zhuǎn)基因水稻與WT 相比表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐鹽性，根和芽中積累的Na+較少，葉片水分散失率降低，蒸騰速率降低，氣孔閉合率增加，游離脯氨酸和可溶性糖積累增加，在過表達(dá)ONAC009和ONAC058的轉(zhuǎn)基因水稻中也觀察到類似的現(xiàn)象［28-29］。此外，N22oe植物的根系較大，說明ONAC022可能在脅迫條件下調(diào)節(jié)根系，從而提高脅迫耐受能力，與野生型相比表現(xiàn)出生長發(fā)育遲緩，這可能是由于脅迫耐受與正常生長發(fā)育之間能量的重新分配，從而提高植物在鹽脅迫下的存活率［20］。從楊樹中克隆NAC13，使用過表達(dá)和基因敲除技術(shù)得到轉(zhuǎn)基因楊樹，過表達(dá)NAC13轉(zhuǎn)基因楊樹在鹽脅迫下，氣孔會(huì)收縮甚至閉合，脯氨酸含量增加，脅迫相關(guān)基因（包括SOD、POD、HRG、ABA 和GA 相關(guān)基因）的差異表達(dá)增強(qiáng)了楊樹的耐鹽性，此外，過表達(dá)NAC13突變體的根系比野生型（WT）發(fā)達(dá)，具有更好的形態(tài)學(xué)性狀，基因沉默的突變體增加了鹽脅迫敏感性，證明NAC13在鹽脅迫反應(yīng)中具有重要的調(diào)節(jié)作用［30］。小麥中的TaNAC29受鹽脅迫誘導(dǎo)，鹽脅迫處理下，過表達(dá)TaNAC29的轉(zhuǎn)基因擬南芥與野生型（WT）相比，積累了較少的H2O2，SOD、POD、APX 和CAT 活性均顯著提高。此外，轉(zhuǎn)基因組應(yīng)激相關(guān)基因（如RD29A、RD29B、KIN）轉(zhuǎn)錄水平明顯升高，TaNAC29通過增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)，清除活性氧，減少膜損傷，調(diào)控應(yīng)激相關(guān)基因的誘導(dǎo)，增強(qiáng)植物耐鹽性［31］。檸條的兩種NAC轉(zhuǎn)錄因子基因CiNAC3和CiNAC4對(duì)鹽脅迫有調(diào)控作用。CiNAC3和CiNAC4的轉(zhuǎn)基因擬南芥耐鹽性明顯增強(qiáng)，與野生型相比，CiNAC4轉(zhuǎn)基因株系的側(cè)根數(shù)顯著增加［32］。研究發(fā)現(xiàn)，大部分過表達(dá)TaNAC67轉(zhuǎn)基因擬南芥的葉綠素含量和可變熒光與最大熒光的比值Fv/Fm 優(yōu)于對(duì)照組，表明TaNAC67轉(zhuǎn)基因品系在重度鹽脅迫條件下具有更強(qiáng)的光合能力，能夠保證更多的有機(jī)物積累并提高植物的耐鹽性［21］。遼寧堿蓬的SlNAC1能夠被鹽脅迫誘導(dǎo)，用NaCl 溶液處理擬南芥幼苗，野生型和對(duì)照組植株大部分死亡，成活率較低（Wt 為17%，V 為17%），但轉(zhuǎn)基因擬南芥N1 和N2 系的39%和35%繼續(xù)生長，可見過表達(dá)SlNAC1可以提高植物的耐鹽性［12］。

2.3 NAC轉(zhuǎn)錄因子在極端溫度中的作用

極端溫度對(duì)植物造成生理脅迫，導(dǎo)致減產(chǎn)甚至個(gè)體死亡［33］。植物面對(duì)的極端溫度脅迫主要有極端高溫引起的熱脅迫和極端低溫引起的冷脅迫，如夏季的高溫、春季植物萌發(fā)后的倒春寒以及冬季凍土之前的寒冷，熱脅迫和冷脅迫已成為限制全球作物生產(chǎn)的主要環(huán)境因素。植物在極端溫度脅迫下，會(huì)發(fā)生生理和生化水平的一系列變化，使活性氧大量累積，對(duì)核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)造成損害［34］。

2.3.1 NAC 轉(zhuǎn)錄因子在低溫脅迫中的作用 低溫可引起細(xì)胞膜凍結(jié)，并通過滲透、氧化和其他脅迫直接或間接地抑制植物的生長，造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，嚴(yán)重影響作物產(chǎn)量和質(zhì)量［35-36］。在低溫條件下，植物表現(xiàn)出多種生理生化反應(yīng)，包括鈣含量的增加，活性氧（ROS）的累積、膜脂成分的變化以及形成低溫保護(hù)蛋白、可溶性糖和氨基酸等低溫保護(hù)代謝物［37］。此外，低溫會(huì)誘導(dǎo)植物一系列冷應(yīng)激基因，這些基因可編碼親水可溶性多肽，增強(qiáng)抗氧化酶的活性，通過修復(fù)膜系統(tǒng)和穩(wěn)定細(xì)胞滲透勢(shì)來改變自身生理生化特性，從而改善植物的抗凍性［38］。

冷信號(hào)通路是ICE-CBF 轉(zhuǎn)錄調(diào)控級(jí)聯(lián)［39］，CBF轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)節(jié)某些冷應(yīng)激基因啟動(dòng)子中CRT/脫水反應(yīng)元件（DRE）的表達(dá)和功能，CBF 表達(dá)誘導(dǎo)因子1（ICE1）是一種類似MYC 的bHLH 轉(zhuǎn)錄激活因子。香蕉轉(zhuǎn)錄因子MaNAC1 是MaICE1 的直接靶基因，MaICE1 磷酸化和冷應(yīng)激可以增強(qiáng)MaICE1與MaNAC1啟動(dòng)子結(jié)合的能力。低溫脅迫下，MaNAC1通過與ICE1-CBF 信號(hào)通路相互作用提高香蕉果實(shí)的耐寒性。遼寧堿蓬的轉(zhuǎn)錄因子SlNAC1 參與了冷應(yīng)激響應(yīng)的調(diào)控，過表達(dá)SlNAC1的轉(zhuǎn)基因擬南芥在冷脅迫下的成活率顯著高于野生型和對(duì)照組，說明SlNAC1可增強(qiáng)植物的抗寒性［12］。過表達(dá)TaNAC67的轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)嚴(yán)重冰凍脅迫的耐受性強(qiáng)于野生型［21］。梅花中的15 個(gè)NAC 家族基因在低溫脅迫下的表達(dá)表明其中10 個(gè)表達(dá)均上調(diào)，另外還有5 個(gè)成員的表達(dá)受到明顯抑制，證明NAC 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)冷脅迫具有調(diào)控作用［40］。

低溫脅迫不僅通過誘導(dǎo)NAC 轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)正向提高植物的耐寒性，也會(huì)通過抑制或者下調(diào)NAC 轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)或者負(fù)調(diào)控來減弱植物的耐寒性，如在水稻中，低溫脅迫降低了ONAC095的表達(dá)，ONAC095-SRDX 植株表現(xiàn)出嚴(yán)重的萎萎現(xiàn)象，存活率較低，電解質(zhì)滲漏率較高，低溫誘導(dǎo)基因表達(dá)下調(diào)，超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性降低，丙二醛含量增加，植株積累過量的過氧化氫和超氧陰離子，說明ONAC095-SRDX 植株體內(nèi)活性氧的清除失衡，造成植物細(xì)胞的毒害［41］，致使轉(zhuǎn)基因水稻的耐寒性降低［42］。蘋果MdNAC029可特異性結(jié)合MdCBF1和MdCBF4啟動(dòng)子，直接抑制MdCBF1和MdCBF4的表達(dá)，且過表達(dá)MdNAC029降低了蘋果愈傷組織和擬南芥的耐寒性，因此，MdNAC029 作為負(fù)調(diào)節(jié)因子通過依賴CBF 方式調(diào)節(jié)植物耐寒性［43］。

雖然有關(guān)NAC 轉(zhuǎn)錄因子對(duì)耐寒性的調(diào)節(jié)相關(guān)的研究已有報(bào)道，但是研究對(duì)象很有限，NAC 轉(zhuǎn)錄因子是冷應(yīng)激轉(zhuǎn)錄網(wǎng)絡(luò)中潛在的重要調(diào)控基因，更多植物的耐寒性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有待于進(jìn)一步研究。

2.3.2 NAC 轉(zhuǎn)錄因子在高溫脅迫中的作用 在植物中，高溫引起的熱脅迫通常被定義為溫度足夠高、在足夠長的時(shí)間內(nèi)不可逆地?fù)p害植物的功能或發(fā)育［44］。高溫脅迫對(duì)植物生長、發(fā)育、繁殖和產(chǎn)量產(chǎn)生不利影響，植物各個(gè)組織都容易受到高溫?fù)p傷。高溫引起的直接損傷包括蛋白質(zhì)變性、聚集，膜脂流動(dòng)性增加，間接損傷包括葉綠體和線粒體酶的失活、蛋白質(zhì)合成的抑制、蛋白質(zhì)降解、膜完整性的喪失和細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的破壞等［45］。在熱脅迫下，植物通過維持膜穩(wěn)定性，清除活性氧物質(zhì)，誘導(dǎo)分子伴侶信號(hào)傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活熱激蛋白（Heat shock proteins，HSPs）的表達(dá)來提高植物自身的耐熱性［46］。

擬南芥NAC019過表達(dá)植株比野生型耐熱性更強(qiáng)，熱因子因子（Heat shock factors，HSFs）是HSPs 積累的主要機(jī)制。熱應(yīng)激還可調(diào)控RCF2的表達(dá)，RCF2 與NAC019 相互作用并使其去磷酸化，RCF2 不僅對(duì)NAC019 的翻譯后修飾具有重要作用，同時(shí)還參與轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平的表達(dá)，除HSFA7a 轉(zhuǎn)錄量減少外，熱應(yīng)激反應(yīng)基因在NAC019過表達(dá)植株中表達(dá)水平升高，由此可見，NAC019在擬南芥響應(yīng)熱脅迫中有重要的調(diào)控作用［47］。將小麥TaNAC2轉(zhuǎn)入擬南芥，轉(zhuǎn)基因和野生型幼苗同時(shí)置于38℃ 90 min，野生型和轉(zhuǎn)基因植株下胚軸較短，在45℃處理2 h 后植株均死亡，當(dāng)兩組幼苗第一次在38℃預(yù)處理90 min 后再暴露于45℃環(huán)境中，轉(zhuǎn)基因TaNAC2L擬南芥下胚軸比野生型植株長，表明TaNAC2L轉(zhuǎn)錄因子能夠提高擬南芥的耐熱性。進(jìn)一步研究表明，高溫脅迫下，轉(zhuǎn)基因擬南芥中有6 個(gè)熱應(yīng)激誘導(dǎo)基因表達(dá)水平高于野生型，說明TaNAC2L的過表達(dá)可通過上調(diào)下游的應(yīng)激反應(yīng)基因來增強(qiáng)植物耐熱性［48］。

程序性細(xì)胞死亡（Programmed cell death，PCD）是生物體中嚴(yán)格調(diào)控的適應(yīng)過程，在植物中，細(xì)胞的有序破壞是由多種內(nèi)源性和環(huán)境信號(hào)誘導(dǎo)的，植物通過PCD 途徑將受損細(xì)胞和組織清除，從而實(shí)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)和資源的有效循環(huán)和促進(jìn)［49］。在極端高溫脅迫條件下，植物可能無法維持整個(gè)植物器官。因此，犧牲受損的植物組織將有利于維持植物的主要部分（如分生組織和再生器官）。NAC 轉(zhuǎn)錄因子基因NTL4過表達(dá)擬南芥在高溫脅迫下通過依賴ABA 途徑和ABA 獨(dú)立途徑進(jìn)行信號(hào)傳遞，引起細(xì)胞內(nèi)H2O2的積累，H2O2通過正反饋調(diào)節(jié)誘導(dǎo)NTL4的表達(dá)，ROS反過來誘導(dǎo)NTL4轉(zhuǎn)錄和NTL4加工，NTL4 和ROS構(gòu)成一個(gè)正反饋回路，在高溫下引起ROS 急劇增加，將受損組織中的營養(yǎng)物和代謝物再循環(huán)到分生組織或新形成的葉子中，引起局部PCD，從而增強(qiáng)植物的存活率［50］。

由上述研究可見，NAC 轉(zhuǎn)錄因子在改善植物對(duì)溫度脅迫耐受方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，關(guān)于其在高溫脅迫響應(yīng)中作用的研究仍然很有限，相關(guān)的信號(hào)傳遞和轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)一步研究來闡明。

3 總結(jié)與展望

NAC 轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫響應(yīng)過程中有重要的調(diào)節(jié)作用。研究發(fā)現(xiàn)，NAC 轉(zhuǎn)錄因子往往不是單一的增強(qiáng)植物對(duì)某一種非生物脅迫的耐受性，而是協(xié)同調(diào)控多個(gè)非生物脅迫網(wǎng)絡(luò)。如遼東堿蓬的轉(zhuǎn)錄因子SlNAC1 不僅可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐旱性，而且對(duì)寒冷和高鹽脅迫的耐受性也顯著增強(qiáng)［12］；水稻轉(zhuǎn)錄因子ONAC095 起著抗旱負(fù)調(diào)控抗寒正調(diào)控的作用［41］；香蕉轉(zhuǎn)錄因子MusaNAC042 對(duì)高鹽度和干旱脅迫的耐受性都有正向調(diào)控作用［20］；西瓜中幾種NAC 轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)多種非生物脅迫及生長發(fā)育，如亞家族IV NAC 可能在維持干旱或鹽條件下的水狀態(tài)、水和代謝物傳導(dǎo)以及向果實(shí)的易位方面發(fā)揮作用。與之相反，大多數(shù)ClNAC對(duì)低溫逆境的快速和消極反應(yīng)可能與對(duì)冷應(yīng)激的敏感性有關(guān)，ClNAC的表達(dá)與非生物脅迫和激素（脫落酸和茉莉酸）的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之間存在互作關(guān)系［51］。由此可見，NAC 轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)非生物脅迫的網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，不僅與不同家族轉(zhuǎn)錄因子之間存在級(jí)聯(lián)互作，還與信號(hào)傳遞、保護(hù)酶、各種脅迫誘導(dǎo)基因以及植物激素互作共同調(diào)控植物對(duì)非生物脅迫的綜合耐受性。

雖然植物NAC 轉(zhuǎn)錄因子能夠提高植物對(duì)于各種非生物脅迫的耐受性，但是也存在一些不容忽視的問題。首先，利用基因手段使NAC 轉(zhuǎn)錄因子過表達(dá)突變體引起的消極影響，如轉(zhuǎn)基因植株矮化，產(chǎn)量減少，開花延遲等［52］；第二，過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因植株同時(shí)提高了一種或幾種非生物脅迫的耐受性，但對(duì)生物脅迫產(chǎn)生不利影響；第三，目前，關(guān)于NAC 轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫中的作用的研究對(duì)象主要是模式植物、主要農(nóng)作物或經(jīng)濟(jì)林樹種，對(duì)于其他具有很高生態(tài)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的林木中NAC 轉(zhuǎn)錄因子的研究很有限，且國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于NAC 轉(zhuǎn)錄因子的極端溫度脅迫的研究報(bào)道較少。中國西北、東北、以及陜北地區(qū)冬季溫度低，早晚溫差大，倒春寒都會(huì)引起低溫脅迫，提高植物的耐寒性不僅能夠提高植物的成活率節(jié)約造林成本還能增加景觀樹種豐富度?；谝陨蠁栴}，應(yīng)該綜合深入研究NAC 轉(zhuǎn)錄因子應(yīng)對(duì)非生物脅迫的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確其抗逆調(diào)控機(jī)制，將過表達(dá)該基因的消極影響降到最小，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)利益、生態(tài)利益最大化的農(nóng)林生產(chǎn)，對(duì)于更好地解決全球糧食短缺和人口不斷增長的問題以及提高農(nóng)林作物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值具有重要意義。