AT-hook基因及其在植物開花調(diào)控中的研究進(jìn)展

李津璇，郭 敏，王加峰，楊瑰麗

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家植物航天育種工程技術(shù)研究中心，廣州510642）

0 引言

植物的營養(yǎng)生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變是極為重要的過程，植物營養(yǎng)生長達(dá)到一定階段后，受到環(huán)境因素與自身遺傳因素的相互作用，例如光周期途徑、春化途徑、自主途徑、赤霉素途徑等的調(diào)控，葉片產(chǎn)生的成花物質(zhì)或成花信號被運(yùn)輸?shù)角o尖，刺激并啟動頂端分生組織細(xì)胞內(nèi)決定開花的誘導(dǎo)基因表達(dá)，從而促進(jìn)形成花原基，最終完成開花[1-2]。擬南芥(Arabidopsis thaliana)作為雙子葉模式植物，其開花調(diào)控機(jī)制的研究已非常深入，目前已有119個涉及開花誘導(dǎo)的基因被克隆[3-4]。隨著越來越多的開花調(diào)控基因被克隆，植物的開花調(diào)控途徑也越來越清晰，但仍有很多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步研究。研究表明，AT-hook基因編碼產(chǎn)物能夠通過改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)和招募蛋白復(fù)合體在表觀水平上調(diào)控植物開花基因的轉(zhuǎn)錄，從而影響植物開花。AT-hook參與水稻的光周期調(diào)控的開花過程，并影響成花素基因的表達(dá)，但其如何參與水稻開花調(diào)控的分子機(jī)理尚不清楚，調(diào)控途徑上很多基因之間的作用方式、作用位點(diǎn)等還不完全清楚，尤其是在水稻等重要農(nóng)作物中。本文對近年來AT-hook基因的功能及其在擬南芥、水稻(Oryza sativa)等高等植物的生長發(fā)育調(diào)控，尤其是開花調(diào)控中的作用進(jìn)行簡要的綜述。

1 AT-hook基因的特點(diǎn)及其功能研究

AT-hook是一種小的DNA結(jié)合蛋白基序，具有以甘氨酸-精氨酸-脯氨酸(GRP)三個殘基為中心的結(jié)構(gòu)特征，最先在哺乳動物高遷移性非組蛋白類的染色質(zhì)蛋白HMG-I(Y)中發(fā)現(xiàn)。該類DNA結(jié)合蛋白基序能形成“C”型結(jié)構(gòu)，與雙鏈DNA小溝中富含AT堿基的序列區(qū)特異性結(jié)合，以單拷貝或多拷貝形式廣泛存在于明顯的核定位特征中或DNA結(jié)合蛋白中，常與染色質(zhì)蛋白和DNA結(jié)合蛋白中的已知功能域相關(guān)聯(lián)（如組蛋白折疊、同源異型結(jié)構(gòu)域和鋅指結(jié)構(gòu)等）[5]。Bishop等[6]研究表明，在18個(62%)擬南芥AHLs的PPC域中所發(fā)現(xiàn)的Gly-Arg-Phe-Glu-Ile-Leu殘基也在12個(48%)水稻、19個(51%)玉米、12個(46%)高粱的AHLs中存在；在不同植物物種中發(fā)現(xiàn)近一半的AHL蛋白中存在這些功能殘基，支持了AHLs在進(jìn)化和分化過程中的保守功能。PPC域在其余AHLs中的分化可以使蛋白質(zhì)復(fù)合物的形成具有靈活性，從而擴(kuò)大AHLs的生物學(xué)作用。

根據(jù)AT-hook基序兩側(cè)序列的特點(diǎn)、序列的相似性、PPC結(jié)構(gòu)域和AT-hook基序的組合，以及其與DNA結(jié)合的親和力大小，可將AT-hook基序分為3種類型。I型基序在核心序列GRP的C端，存在一些極性氨基酸，尤其是在C端的第二位置極大概率是一個甘氨酸(G)，含該類基序的AT-hook蛋白與DNA的親和力最高；Ⅱ型基序則是核心基序C端第二個氨基酸常出現(xiàn)賴氨酸(K)，含該類基序的AT-hook蛋白與DNA的親和力較低；III型AT-hook同時兼具前面兩種類型的特點(diǎn)，在C端下游的第4位高度保守的位置為賴氨酸(K)，與DNA的親和力介于上面兩種類型之間，即比Ⅰ型AT-hook基序?qū)NA的親和力小而比Ⅱ型的大[5]。Zhao等[7]分析發(fā)現(xiàn)，AHL基因在胚芽中出現(xiàn)，并進(jìn)一步演變成兩個不同的分支，Ⅰ型AHLs形成一個分支(Clade-A)，Ⅱ型和Ⅲ型一起分化成另一分支(Clade-B)；AHL基因中屬于Ⅰ型的基因數(shù)量最多，屬于Ⅱ型和Ⅲ型的基因數(shù)量較少。通過對玉米AHL基因結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，AHL中存在數(shù)量不等的內(nèi)含子和外顯子，在前人研究的基礎(chǔ)上得出了Ⅰ型AHL是由Ⅱ型和Ⅲ型AHL進(jìn)化而來的祖先AHL的結(jié)論[6]。AT-hook蛋白可與靶基因或啟動子中富含AT堿基的區(qū)域結(jié)合，或影響轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列的結(jié)合，間接參與目標(biāo)基因轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控[8-9]；有的甚至直接作為共轉(zhuǎn)錄因子，影響染色體構(gòu)象[10]。

2 AT-hook基因?qū)χ参锷L發(fā)育的調(diào)控與影響

AT-hook基因在很多植物中被發(fā)現(xiàn)，比如擬南芥，水稻，大豆(Glycine max)，小麥(Triticum aestivum)，番茄(Solanum Lycopersicum)等，在植物的生長發(fā)育、器官構(gòu)建及逆境脅迫與激素信號應(yīng)答等各方面起著重要的作用。

作為模式植物，擬南芥中AT-hook基因研究較為清楚，目前已發(fā)現(xiàn)29個AHL家族蛋白，均定位在細(xì)胞核，且每種AHL蛋白具有不同的功能，它們對擬南芥的生長發(fā)育調(diào)節(jié)起著重要作用[11]。Favero等[12]的研究成果證明，AHL通過與PIFs(Phytochrome-Interacting Factors,PIF)對應(yīng)靶點(diǎn)結(jié)合來減少PIFs與這些區(qū)域的結(jié)合從而抑制促生長基因的轉(zhuǎn)錄激活，AHL轉(zhuǎn)錄因子通過拮抗植物生長的關(guān)鍵調(diào)控因子PIF從而抑制葉柄的伸長。SOB3/AHL29和ESC/AHL27過量表達(dá)影響擬南芥的下胚軸發(fā)育，抑制下胚軸伸長，導(dǎo)致下胚軸變短[13]。擬南芥AHL4與AHL3通過緊密結(jié)合，可自主從形成層轉(zhuǎn)移至木質(zhì)部，調(diào)控根部的木質(zhì)部和形成層間區(qū)域的組織模式[14]。Froese等[15]發(fā)現(xiàn)過量表達(dá)的AHL11和AHL12，會導(dǎo)致植株生長弱小，表明AT-hook基因可能參與調(diào)控植物株型以及活力。AHL18參與調(diào)節(jié)根尖分生組織中增殖結(jié)構(gòu)域的長度和分裂細(xì)胞的數(shù)量，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞的產(chǎn)生，初生根長和側(cè)根發(fā)育均與AHL18轉(zhuǎn)錄水平相關(guān)。敲除AHL18基因的植株由于主根較短、側(cè)根數(shù)量減少，根系數(shù)量減少；AHL18過量表達(dá)產(chǎn)生大量的根系、更長的主根，以及側(cè)根密度增加。AHL18通過調(diào)節(jié)根尖分生組織的活性、側(cè)根的萌發(fā)和生長來參與根系構(gòu)型的調(diào)控[16]。

AT-hook基因還可以參與激素調(diào)控。ORE7/ESC基因編碼的AT-hook蛋白，通過與染色體的結(jié)合改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)，間接延緩了脫落酸(Abscisic Acid,ABA)或茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate,MJ)等激素參與的葉片衰老進(jìn)程，從而延長了葉片的壽命[17]。AGF1通過與赤霉素(Gibberellins,GA)合成關(guān)鍵基因AtGA3ox1順式作用元件的結(jié)合來負(fù)反饋調(diào)節(jié)GA，從而調(diào)控GA的動態(tài)平衡[18]。TEK/AHL16基因編碼的AT-hook蛋白，特異性調(diào)控阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)的表達(dá)，從而影響擬南芥花粉外壁內(nèi)層的發(fā)育，是控制花粉外壁內(nèi)層發(fā)育的關(guān)鍵基因[19]。有研究發(fā)現(xiàn)OsAHL1具有較強(qiáng)的抗旱性和避旱性，其在干旱條件下調(diào)節(jié)根系發(fā)育以增強(qiáng)抗旱性，參與氧化脅迫應(yīng)答，還調(diào)節(jié)水稻葉片中葉綠素的含量，顯著提高水稻的抗旱性能[20]。

AT-hook基因在其他多種植物中也起著各種調(diào)控作用。長春花(Catharanthus roseus)中ORCA3與AT-hook結(jié)合蛋白專一性結(jié)合，參與茉莉酸(Jasmonic Acid,JA)介導(dǎo)的抗病過程[21]。番茄AT-hook基因主要在根和花中表達(dá)較高，在受ABA、水楊酸(Salicylic Acid,SA)、鹽、高溫和低溫誘導(dǎo)表達(dá)后，基因表達(dá)顯著上調(diào)或下調(diào)，廣泛參與番茄逆境脅迫下的防御應(yīng)答反應(yīng)[22]。棉花(Gossypium hirsutum)的AT-hook轉(zhuǎn)錄因子GhAT1含有2個AT-hook基序，通過結(jié)合在FSltp4基因的啟動子區(qū)域，抑制該基因的表達(dá)，從而影響棉纖維的正常生長[23]。在楊樹(Populus przewalskii)和擬南芥中發(fā)現(xiàn)，ET304編碼的AT-hook蛋白參與側(cè)根的生長[24]。大豆中發(fā)現(xiàn)的5個AT-hook基因均為非組成型表達(dá)，受到外源氮素和根瘤菌處理后誘導(dǎo)或抑制，表明這類基因參與外界環(huán)境響應(yīng)[25]。水稻中通過序列分析共鑒定出45個AT-hook蛋白，在水稻各發(fā)育時期的組織器官中都有表達(dá)，在幼穗中表達(dá)水平最高，很可能廣泛參與水稻的生長發(fā)育過程[26]。OsARID3能直接與KNOXI基因家族OSH71、生長素合成基因OsYUC1和OsYUC6和細(xì)胞分裂素合成基因OsIPT2和OsIPT7的蛋白結(jié)合，從而參與頂端分生組織的形成與維持[27]。

3 AT-hook基因在擬南芥、水稻等高等植物開花中的調(diào)控作用

AT-hook蛋白影響植物生長發(fā)育、逆境響應(yīng)等各個方面，幾乎在植物的各個組織器官中均有表達(dá)，但是在花器官組織的表達(dá)量最高，暗示其對花器官的形成以及在植物開花中起著重要的調(diào)控作用[26,28]。DP1為水稻中報道的第1個AT-hook基因，DP1參與調(diào)節(jié)水稻的穎片和小穗的發(fā)育[29]，該基因缺失后導(dǎo)致內(nèi)稃發(fā)育異常，是水稻成花過程中一個必不可少的發(fā)育調(diào)控基因[28,30-31]。擬南芥AT-hook基因AtAHL27過量表達(dá)，抑制擬南芥FT基因的表達(dá)而促進(jìn)FLC基因表達(dá)，致使不論在長日照還是短日照條件下均會延遲擬南芥的開花時間[11,32]。

AT-hook基因通過組蛋白修飾、改變?nèi)旧w構(gòu)象，在表觀水平參與植物的開花調(diào)控。GIK編碼的AT-hook蛋白，通過直接與控制花器官發(fā)育的MADS家族轉(zhuǎn)錄因子AG結(jié)合，GIK蛋白具有AT-hook DNA結(jié)合基團(tuán)的基質(zhì)結(jié)合蛋白的作用，可以通過改變H3K9的甲基化修飾狀態(tài)調(diào)控生殖相關(guān)基因ETT、CRC、JAG和KNU等的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，從而調(diào)控擬南芥花器官的發(fā)育[33]。擬南芥ATPase SPLAYED蛋白含有2個AT-hook基序，主要參與花器官同源異型基因的激活、分生組織功能的維持和開花調(diào)控等過程[34]。擬南芥AtAHL22是一種染色質(zhì)調(diào)節(jié)蛋白，能夠與組蛋白去乙?；?HDACs)和組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶(Histone Methyltransferases)相互作用來影響FT、AP1(APETALA1,AP1)和LFY(LEAFY,LFY)等基因的MAR區(qū)域的組蛋白H3甲基化和乙?；?，改變FT染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控上述開花相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[35]。在水稻中，光周期途徑是調(diào)控水稻開花的關(guān)鍵途徑，成花素基因Hd3a和RFT1在該途徑中處于核心地位；在短日照條件下，水稻開花主要存在兩條促進(jìn)途徑：由Hd1介導(dǎo)、OsGI-Hd1-Hd3a(GIGANTEA,OsGI)組成的起主要作用的保守途徑和水稻特有的Ehd1介導(dǎo)的Ehd1-Hd3a/RFT1途徑；而在長日照條件下，水稻開花主要存在兩條抑制途徑和一條促進(jìn)途徑，即OsGI-Hd1-Hd3a抑制途徑、Ghd7-Ehd1-RFT1抑制途徑和Ehd1-RFT1促進(jìn)途徑[4,36-43]。在以上途徑中，表觀遺傳調(diào)控對水稻開花也起著重要的作用[44-49]，如組蛋白的表觀修飾就可以直接影響水稻光周期調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)[44,50-51]。AT-hook蛋白可能也參與水稻開花的表觀調(diào)控之中。筆者鑒定出一個水稻AT-hook基因家族成員OsATH1，該基因敲除突變體無論是在短日照還是長日照條件下，突變體均表現(xiàn)出花期延遲，并且其表達(dá)具有一定的晝夜節(jié)律性，白天的表達(dá)量要高于夜間。同時，OsATH1敲除突變體中成花素基因Hd3a和RFT1的表達(dá)水平均受到影響。亞細(xì)胞定位和轉(zhuǎn)錄激活檢測結(jié)果表明，OsATH1定位于細(xì)胞核且不具備轉(zhuǎn)錄激活功能。OsATH1能夠影響成花素基因及其相關(guān)調(diào)控基因的表達(dá)，可能與轉(zhuǎn)錄激活因子或表觀修飾蛋白相結(jié)合來調(diào)控水稻開花相關(guān)基因的表達(dá)，參與水稻的開花調(diào)控。Yin等[29]的發(fā)現(xiàn)可能揭示了禾本科植物花和花序發(fā)育的新的分子機(jī)制，在水稻中DP1可與TCP轉(zhuǎn)錄因子REP1(RETARDED PALEA1,REP1)發(fā)生物理相互作用,并且這種相互作用在禾本科植物很保守，它們可能在富含AT的染色質(zhì)區(qū)域形成核大分子復(fù)合物，從而發(fā)揮其生物學(xué)作用。

4 展望

AT-hook基因的編碼蛋白具有DNA特異序列的結(jié)合功能，不僅參與植物的生長發(fā)育及逆境脅迫與激素信號應(yīng)答，同時在花器官的形成以及植物開花中也起著重要的調(diào)控作用。已有研究表明，AT-hook蛋白能夠和其他重要轉(zhuǎn)錄因子相結(jié)合來發(fā)揮其調(diào)控作用。這也暗示該類基因很可能是通過改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)或招募蛋白復(fù)合體，在表觀水平來調(diào)節(jié)植物開花相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，從而影響植物開花。雖然越來越多的研究表明AT-hook基因通過結(jié)合其他轉(zhuǎn)錄因子在表觀水平參與植物的開花調(diào)控，但仍有很多細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步研究，例如AT-hook蛋白在植物開花的表觀調(diào)控中究竟如何起作用？其表觀調(diào)控的下游目的基因是什么？最終通過影響開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的哪個節(jié)點(diǎn)參與開花調(diào)控？以上問題，有待進(jìn)一步深入研究，最終揭示AT-hook在植物開花調(diào)控中的分子機(jī)制，從而更加豐富植物開花的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，提高我們對水稻開花調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知，為利用遺傳途徑調(diào)控農(nóng)作物花期提供理論依據(jù)。