植物轉(zhuǎn)錄因子HD-Zip基因家族參與逆境脅迫的研究進(jìn)展

羅 少，唐翠明，戴凡煒，王振江，冀憲領(lǐng)，吳福安，羅國慶*

（1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品加工研究所，廣東廣州 510610；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東泰安 271018；3.江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所，江蘇鎮(zhèn)江 212018）

植物為適應(yīng)生長過程中不同類型的生物脅迫和非生物脅迫產(chǎn)生系列的分子響應(yīng)機(jī)制，轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控在脅迫響應(yīng)中起重要作用。HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子是植物所特有的，在植物抵御環(huán)境脅迫中扮演重要角色。匯總HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子參與植物抗旱、抗鹽、抗低溫等植物逆境脅迫的研究進(jìn)展。

1 轉(zhuǎn)錄因子HD-Zip的結(jié)構(gòu)

HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子包含高度保守的同源異型結(jié)構(gòu)域（Homeodomain，HD）和亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域（Leucine zipper，LZ）［1］，如圖1 所示。HD 結(jié)構(gòu)域包含3 個α 螺旋結(jié)構(gòu)，決定了DNA 識別特異性的差異［2］。LZ 結(jié)構(gòu)域是由多個亮氨酸殘基特異多肽鏈形成的穩(wěn)定的拉鏈狀疏水結(jié)構(gòu)域。HD-Zip 蛋白質(zhì)以二聚體形式與DNA 結(jié)合，LZ 結(jié)構(gòu)域起二聚化作用，對有效識別DNA 至關(guān)重要，LZ 缺失，會導(dǎo)致蛋白質(zhì)喪失結(jié)合能力。HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子存在于植物的各個組織中，參與植物各階段的生長發(fā)育和環(huán)境脅迫的響應(yīng)。

圖1 轉(zhuǎn)錄因子HD-Zip 結(jié)構(gòu)特征示意圖

2 轉(zhuǎn)錄因子HD-Zip的分類

根據(jù)DNA 結(jié)合特異性、基序類型和生理功能等一系列特征，HD-Zip 蛋白可被分為HD-Zip Ⅰ、HDZip Ⅱ、HD-Zip Ⅲ和HD-Zip Ⅳ4 個亞類。HD-Zip亞家族基因廣泛存在于多種植物中，在擬南芥、苜蓿、番茄及煙草等植物中研究較多［3］。

HD-Zip Ⅰ亞家族主要參與植物對環(huán)境脅迫的響應(yīng)及衰老發(fā)育過程的調(diào)控，擬南芥中含有17 個HDZip Ⅰ成員［4］。HD-Zip Ⅰ亞家族基因具有與其系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系一致的內(nèi)含子/外顯子分布，編碼的蛋白質(zhì)約為35 kDa，表現(xiàn)出高度保守的HD 和保守性較低的LZ。HD-Zip Ⅰ的表達(dá)受外部因素如干旱、高溫、滲透脅迫和光照條件的調(diào)節(jié)，并在植物的不同組織和器官中有特異性［5］。

HD-Zip Ⅱ亞家族蛋白主要參與植物光信號途徑，尤其與避蔭反應(yīng)的應(yīng)答相關(guān)，擬南芥中含有9 個HD-Zip Ⅱ成員。HD-Zip Ⅱ亞家族基因與HD-Zip Ⅰ在HD 和LZ 域中，顯示出高度保守性，同時還具有2 個特征保守結(jié)構(gòu)域：CPSCE 和N-term。CPSCE 結(jié)構(gòu)域由5 個氨基酸（Cys、Pro、Ser、Cys 及Glu）構(gòu)成，并位于LZ 結(jié)構(gòu)域下游。N-term 是位于N 末端的L×L×L 的保守結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域與植物激素應(yīng)答調(diào)節(jié)功能相關(guān)［6］。

HD-Zip Ⅲ亞家族主要參與分生組織形成、維管束發(fā)育及葉片極性發(fā)育等植物發(fā)育過程，在擬南芥中有5 個成員［7］。HD-Zip Ⅲ除具有HD 和LD 結(jié)構(gòu)域外，還包含3 個特征保守的結(jié)構(gòu)域：START 結(jié)構(gòu)域、SAD結(jié)構(gòu)域和MEKHLA 結(jié)構(gòu)域。START 結(jié)構(gòu)域與植物響應(yīng)ABA 功能相關(guān)，MEKHLA 結(jié)構(gòu)域與許多非生物脅迫應(yīng)答相關(guān)。

HD-Zip Ⅳ亞家族主要參與植物表皮細(xì)胞的分化過程，在擬南芥中有16 個成員，是一個大型基因亞家族。HD-Zip Ⅳ與HD-Zip Ⅲ亞家族的基因結(jié)構(gòu)類似，都包含START 結(jié)構(gòu)域和SAD 結(jié)構(gòu)域，不同的是HDZip Ⅳ亞家族缺乏MEKHLA 結(jié)構(gòu)域。HD-Zip Ⅳ亞家族的基因被證明在多個物種的表皮細(xì)胞中特異表達(dá)，對表皮細(xì)胞的發(fā)育、毛狀體的形成等起重要作用。該亞家族基因還對農(nóng)作物的重要農(nóng)藝性狀有改良作用，如棉花纖維分化和玉米籽粒發(fā)育等。

3 轉(zhuǎn)錄因子HD-Zip參與植物抗性研究

HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子參與多種環(huán)境脅迫的響應(yīng)，主要包括參與植物抗旱、抗鹽、抗低溫及其他非生物脅迫。

3.1 HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子與植物抗旱

干旱是植物生長發(fā)育中重要環(huán)境脅迫之一，植物通過長期進(jìn)化形成了生理、細(xì)胞和分子多層面的抗旱機(jī)制［8］。研究表明，HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子在植物抗旱響應(yīng)中發(fā)揮了重要作用。擬南芥HD-Zip Ⅰ亞家族成員AtHB7 和AtHB12 通過影響氣孔關(guān)閉，在干旱和響應(yīng)中起關(guān)鍵作用。AtHB7 和AtHB12 高度同源，它們在植物干旱反應(yīng)中發(fā)揮著介導(dǎo)ABA 信號負(fù)反饋效應(yīng)的重要功能。AtHB6 在幼苗中被干旱脅迫顯著誘導(dǎo)，也表現(xiàn)為ABA 的負(fù)反饋調(diào)節(jié)子。過表達(dá)AtHB6 的擬南芥通過抑制氣孔閉合，提高植株抗旱性。AtHB5 也顯示出與AtHB6 類似的抗旱性。HaHB4 是HD-Zip 蛋白亞家族I 的成員，HaHB4 在干旱條件下延遲擬南芥衰老，過表達(dá)HaHB4 的擬南芥表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗旱性。OsHOX6、OsHOX22 和OsHOX24，是AtHB7 和AtHB12 在水稻中的同源基因，也表現(xiàn)出抗旱性。在長期干旱條件下，OsHOX22 和OsHOX24 在抗旱和干旱敏感品種中的基因表達(dá)逐漸上調(diào)，OsHOX6 僅在干旱敏感品種中略微上調(diào)。

ABA 是一種對植物生長發(fā)育起著至關(guān)重要作用的激素，能整合多種脅迫信號并控制下游脅迫響應(yīng)。研究表明，HD-Zip 基因能夠與ABA 相互感應(yīng)，使植物具備抗旱和抗鹽能力，如擬南芥中的AtHB7 與AtHB12 均由干旱與ABA 相互誘導(dǎo)，并在植物缺水反應(yīng)中對ABA 信號產(chǎn)生負(fù)向反饋。

3.2 HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子與植物抗鹽

土壤鹽堿化是影響作物生長的一個突出問題。HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子在植物抗鹽響應(yīng)中也發(fā)揮一定作用。玉米HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子Zmhdz10 受鹽脅迫和ABA 誘導(dǎo)表達(dá)，Zmhdz10 轉(zhuǎn)基因擬南芥植株表現(xiàn)出對鹽脅迫的耐受性增強(qiáng)，同時ABA 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)也有變化，表明Zmhdz10 通過ABA 依賴的信號途徑調(diào)節(jié)植物的耐鹽性。同時水稻HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子Oshox22的表達(dá)受鹽脅迫和ABA 強(qiáng)烈誘導(dǎo)［9］。番茄HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子SlHB2 基因的RNAi 沉默株系表現(xiàn)出對鹽脅迫的耐受性增強(qiáng)，多個脅迫相關(guān)基因明顯上調(diào)，表明SlHB2 轉(zhuǎn)錄因子在鹽脅迫信號通路中起著負(fù)調(diào)節(jié)作用。棉花HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子GhHB1 基因的表達(dá)在鹽和ABA 處理下被顯著誘導(dǎo)。與植物的抗旱性相似，許多植物的抗鹽性也是由HD-Zip 基因與ABA 相互感應(yīng)并通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來實現(xiàn)的。

3.3 HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子與植物抗低溫

低溫脅迫也是常見的環(huán)境脅迫之一。許多植物的HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子也參與對低溫的應(yīng)答。擬南芥HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子AtHB13 被低溫誘導(dǎo)表達(dá)，過表達(dá)AtHB13 的擬南芥植株表現(xiàn)出更高的低溫耐受性。向日葵HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子HaHB1 也表現(xiàn)出與AtHB13 類似的功能，HaHB1 轉(zhuǎn)基因植株誘導(dǎo)了葡聚糖酶和幾丁質(zhì)酶的表達(dá)，同時積累了部分抗凍蛋白來抵御低溫脅迫。小麥的HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子TaHDZIPI-2 和TaHDZIPI-5也參與了抗低溫脅迫，過表達(dá)TaHDZIPI-2 的大麥植株調(diào)節(jié)了大量與冷適應(yīng)和春花開花時間相關(guān)的基因，過表達(dá)TaHDZIPI-5 顯著提高了小麥植株的抗凍性。

3.4 HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子與其他非生物脅迫

除響應(yīng)干旱、高鹽和低溫脅迫之外，HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子還參與諸如光照、重金屬、機(jī)械損傷等其他非生物脅迫。擬南芥中的AtHB1 和AtHB23 參與了植物光響應(yīng)。AtHB1 在短日照下生長的幼苗中表達(dá)上調(diào)，AtHB1 突變體和過表達(dá)植株的下胚軸分別表現(xiàn)為較短和較長。AtHB23 轉(zhuǎn)錄因子是介導(dǎo)的光信號通路的組分之一，AtHB23 突變體在R 光下表現(xiàn)出下胚軸生長變化和子葉擴(kuò)展缺陷。重金屬錳（Mn）是一種土壤毒性元素，限制作物產(chǎn)量。利用cDNA-AFLP 鑒定雪柚與甜橙根中的Mn 響應(yīng)基因，發(fā)現(xiàn)HD-Zip 家族基因（TDF＃170-1 和170-1k）被Mn 脅迫上調(diào)表達(dá)。向日葵HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子HAHB4 的基因表達(dá)在受到食草動物攻擊和機(jī)械損傷時被強(qiáng)烈誘導(dǎo)，HAHB4 轉(zhuǎn)基因植株中相關(guān)防御基因表現(xiàn)出較高的表達(dá)水平。

4 HD-Zip的未來展望

在過去的20 年間，研究人員在HD-Zip 基因家族的抗性研究方面已經(jīng)獲得了顯著成果。不僅在水稻、向日葵、模式植物擬南芥和豆科模式植物中取得了較大進(jìn)展，還在番茄、土豆等常見農(nóng)作物中也有不少研究。除抗旱、抗鹽、抗低溫等應(yīng)對多種非生物脅迫的機(jī)制之外，HD-Zip 還有著諸如抗細(xì)胞衰老、參與并調(diào)節(jié)植物發(fā)育過程、光信號的應(yīng)答等多種生物功能?；诖耍栝_展相關(guān)的科學(xué)實驗，從多方面、多角度探索HDZip 家族基因參與植物生長的機(jī)制，從而在改善植物生長環(huán)境、創(chuàng)造植物優(yōu)良生長發(fā)育條件、推動社會發(fā)展等方面發(fā)揮重大作用。