玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子的研究進(jìn)展

周洋洋，劉書伯，于豐碩，劉桐羽，劉夢(mèng)彤，關(guān)淑艷，馬義勇

（1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130118；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 長春 130118）

玉米（Zea mays L.）不僅是被廣泛種植的糧食作物，也是重要的飼料作物和工業(yè)原料作物。干旱會(huì)導(dǎo)致葉片萎縮卷曲并造成細(xì)胞損傷等，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響，是限制我國玉米生產(chǎn)發(fā)展的主要因素［1］。轉(zhuǎn)錄因子（TF）是植物響應(yīng)脅迫的調(diào)控因子，目的基因啟動(dòng)子通過與轉(zhuǎn)錄因子相互作用對(duì)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控；轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控一系列的胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，如促進(jìn)或抑制目的基因功能，使植物對(duì)非生物脅迫產(chǎn)生響應(yīng)［2］。近幾年在作物中已鑒定出多種干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族，其中較為常見的是MYB、WRKY、bZIP、bHLH、ERF等［3］，然而對(duì)于玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的系統(tǒng)分析還未見報(bào)道。本文主要闡述玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的種類、結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及作用機(jī)制，并從轉(zhuǎn)錄因子順式作用元件、轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)以及轉(zhuǎn)錄因子蛋白間的相互作用方面論述轉(zhuǎn)錄因子在干旱調(diào)控中的作用機(jī)制，以期為進(jìn)一步培育高產(chǎn)、耐旱玉米新品種提供理論基礎(chǔ)及科學(xué)啟示。

1 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的種類與結(jié)構(gòu)

利用plantTFDB（http：／／planttfdb.cbi.pku.edu.cn／）在線檢測(cè)到玉米中共有56個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族，經(jīng)過比對(duì)分析玉米的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)得到轉(zhuǎn)錄因子基因2 270個(gè)［4］。通過對(duì)轉(zhuǎn)錄因子基因進(jìn)行篩選、qRT-PCR檢測(cè)并結(jié)合SNP及農(nóng)藝性狀鑒定，最終發(fā)現(xiàn)與氣孔關(guān)閉、根系發(fā)育及活性氧清除等干旱響應(yīng)過程有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子基因主要分布在15個(gè)轉(zhuǎn)錄因子家族［5-7］。通過生物信息學(xué)分析并對(duì)玉米轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步明確了這15個(gè)玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族分別為AP2、C2H2、MYB、NAC、WRKY、ERF、GRAS、HSF、ARF、HD-ZIP、NF-YB、bZIP、GATA、NF-YA和bHLH［8］。

在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)域?qū)ζ鋱?zhí)行特定功能起著決定性的作用，并且不同的結(jié)構(gòu)域具有不同的結(jié)合方式。例如，Basic-leucine zipper（bZIP）是一類植物中廣泛存在的轉(zhuǎn)錄因子，其N末端通常與DNA結(jié)合，C末端通常與富含亮氨酸的基序結(jié)合形成二聚體；bZIP家族通過與啟動(dòng)子區(qū)域的ABRE（ABA響應(yīng)元件）結(jié)合，通過ABA途徑發(fā)揮作用［9，10］。WRKY家族有一個(gè)保守的WRKY結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域與W-box（60個(gè)氨基酸的保守片段）結(jié)合以調(diào)控基因的表達(dá)［11］。表1為玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的種類及其結(jié)構(gòu)。

表1 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子種類與結(jié)構(gòu)

2 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的生物學(xué)功能

Shikha等［22］研究發(fā)現(xiàn)玉米15個(gè)干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族中63.30%的基因與生物學(xué)功能（BP）相關(guān)，40.53%的基因與細(xì)胞定位（CC）相關(guān)，88.51%的基因與分子功能（MF）相關(guān)；值得注意的是，其中33%的基因與干旱響應(yīng)過程密切相關(guān)，這些基因參與了ABA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、活性氧（ROS）清除、光合作用、氣孔發(fā)育以及蔗糖代謝過程。轉(zhuǎn)ZmbZIP72基因玉米植株在干旱脅迫下該基因表達(dá)呈上調(diào)趨勢(shì)，使得植株中ABA含量有所增加，進(jìn)而提高植株抗氧化能力、水分利用效率，增強(qiáng)植株對(duì)干旱脅迫的耐受性［23］。玉米植株中ZmNF-YA13基因通過與ZmSOD基因相互作用，進(jìn)一步激活了氧自由基代謝過程，使植株的抗旱性有所提高［12］。干旱脅迫下玉米組織中AhNAC2基因和AhNAC3基因均上調(diào)表達(dá)，但是兩者表達(dá)方式存在一定差異［24］。干旱脅迫下bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族參與調(diào)節(jié)氣孔發(fā)育過程及組織分化過程，OsbHLH148基因參與茉莉酸信號(hào)途徑，進(jìn)而提高了植株的抗旱能力［13］。干旱脅迫下PmNAC基因?qū)χ仓甑纳L發(fā)育進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)［25］；WRKY轉(zhuǎn)錄因子能夠促進(jìn)種子萌發(fā)和生長素的合成，在植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵的主導(dǎo)作用［26］。同一轉(zhuǎn)錄因子基因因調(diào)節(jié)機(jī)制不同而具有不同功能，如參與調(diào)節(jié)植物發(fā)育過程、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程等［14］。表2為近幾年玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的生物學(xué)功能研究情況。

表2 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族生物學(xué)功能

3 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的作用機(jī)制

3.1 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子的順式作用元件

轉(zhuǎn)錄因子通過與位于啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件（CREs）結(jié)合，調(diào)控基因的表達(dá)。Mishra等［31］利用PlantPAN（http：／／plantpan.itps.ncku.edu.tw／）數(shù)據(jù)庫，對(duì)玉米干旱響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子、順式作用元件以及上游啟動(dòng)子進(jìn)行篩選，共鑒定出42種CREs，其中28種是所有轉(zhuǎn)錄因子共有，這些CREs通過調(diào)控特定的起始時(shí)間及表達(dá)程度發(fā)揮作用，進(jìn)而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。與干旱響應(yīng)有關(guān)的CREs，如DRE1、DRE／CRT和DRECRTCOREAT等，通過與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合來提高植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)能力［32］。因此了解玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子與不同順式作用元件間的作用機(jī)制（圖1），對(duì)研究玉米抗旱調(diào)節(jié)機(jī)制具有重要意義。

玉米通過轉(zhuǎn)錄因子與順式元件如DREB、ABRE／ABF、MYB、WRKY／ERF、DRE／CRT、ABRE等的結(jié)合，可進(jìn)一步調(diào)控玉米的抗旱機(jī)制［33］。例如轉(zhuǎn)錄因子NF-YA通過調(diào)控有絲分裂相關(guān)基因，參與不同的抗旱調(diào)節(jié)過程，如氣孔大小調(diào)節(jié)過程、活性氧（ROS）消除過程［34，35］；通過與ARF作用，對(duì)植物的發(fā)育過程進(jìn)行調(diào)節(jié)并抑制側(cè)枝生長［27］；NAC轉(zhuǎn)錄因子通過與干旱應(yīng)答順式作用元件MBS結(jié)合對(duì)植物細(xì)胞滲透壓進(jìn)行調(diào)節(jié)［36］；NF-YB轉(zhuǎn)錄因子與CBF順式元件結(jié)合，可有效提高光合速率［28］。ABA非依賴途徑或ABA依賴途徑中存在的轉(zhuǎn)錄因子與順式元件相互作用，可以對(duì)轉(zhuǎn)錄過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而激活干旱脅迫響應(yīng)基因，使氣孔關(guān)閉，進(jìn)而阻止蒸騰作用導(dǎo)致的過度失水［37］。玉米HD-ZIP轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫下通過與順式作用元件GARE作用應(yīng)對(duì)干旱脅迫［38］。干旱脅迫下植物中的NAC轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件CBF結(jié)合，對(duì)根系生長進(jìn)行調(diào)節(jié)以提高植物水分的利用率［39］。綜上，通過了解玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件間的作用機(jī)制，可為高效、精準(zhǔn)培育耐旱玉米新品種提供理論依據(jù)。

圖1 轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件的作用機(jī)制

3.2 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子基因表達(dá)

Akhtar等［40］證實(shí)了干旱脅迫下植物轉(zhuǎn)錄因子基因的作用，如過量表達(dá)DREB1／CBF提高了玉米、花生和小麥的耐旱性。轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)具有組織特異性，大多數(shù)干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子基因在根部表達(dá)，分泌植物激素并激活A(yù)BA途徑，從而使根部產(chǎn)生ABA，然后通過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程將信號(hào)從根部傳遞到地上部分［41］。當(dāng)玉米植株處于干旱條件下，位于根部的轉(zhuǎn)錄因子使目的基因表達(dá)呈上調(diào)趨勢(shì)［42］，通過調(diào)節(jié)MYB、bZIP、WRKY和NAC相關(guān)基因的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，并發(fā)生一系列的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生一系列調(diào)節(jié)干旱脅迫的生理活動(dòng)，如氣孔關(guān)閉、根部伸長等，以提高其抵御干旱脅迫的能力［43］。Xing等［15］的研究表明，干旱脅迫下，玉米中的ARF轉(zhuǎn)錄因子基因家族在根部的表達(dá)差異最為顯著，其次是葉、芽、穗，在纓中的表達(dá)差異最小。干旱脅迫下，玉米HD-Zip轉(zhuǎn)錄因子基因ATHB7的下調(diào)過程受ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程影響［16］；SNAC1基因?qū)ο掠位騉sPP18的調(diào)節(jié)基于ABA依賴途徑完成［17］；AtMYB60和AtMYB96基因通過ABA依賴途徑進(jìn)行氣孔的調(diào)節(jié)過程［18］。干旱脅迫下，玉米植株通過調(diào)節(jié)WRKY 46轉(zhuǎn)錄因子編碼基因的表達(dá)，促進(jìn)ABA合成及側(cè)根生長，進(jìn)而提高植株耐旱性［44］。

3.3 玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子蛋白間的相互作用

在基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控的過程中，轉(zhuǎn)錄因子蛋白間的互作起著重要作用，這是因?yàn)榛虮磉_(dá)模式的多樣性大多來源于不同轉(zhuǎn)錄因子蛋白間的相互作用［19］。因此為達(dá)到了解轉(zhuǎn)錄因子具體作用機(jī)制和調(diào)控途徑的目的，首先需要了解干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子蛋白間的相互作用，從而進(jìn)行更深層次的研究。ABA非依賴途徑和ABA依賴途徑間蛋白的互作，可以參與植物在干旱脅迫下的反應(yīng)，如調(diào)控氣孔關(guān)閉、防止植物因蒸騰過度而引發(fā)的失水過多等［45］。干旱脅迫下，玉米中的ARF5蛋白和ARF9蛋白通過葉片氣孔調(diào)節(jié)作用提高了植株的抗旱能力［29］；水稻中的SNAC1蛋白和DST蛋白通過參與氣孔調(diào)節(jié)過程提高了植株抗旱能力［46］。ATAF1通過與NCED3基因的啟動(dòng)子區(qū)進(jìn)行結(jié)合，使得NCED3基因直接控制ABA途徑的激素水平，表明了ATAF1轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)ABA依賴途徑中的作用［47］。干旱脅迫下，一些NAC類轉(zhuǎn)錄因子蛋白通過相互作用調(diào)控根系的伸長，進(jìn)而提高植物對(duì)水分的利用率［48］?；钚匝酰≧OS）的轉(zhuǎn)化過程對(duì)玉米抵御干旱脅迫有著重要意義，為了使活性氧的生成與轉(zhuǎn)化維持動(dòng)態(tài)平衡，需要通過抗氧化劑（如抗壞血酸、谷胱甘肽）、活性氧清除酶（如抗壞血酸過氧化物酶、谷胱甘肽過氧化物酶等）進(jìn)行調(diào)節(jié)［49］。當(dāng)玉米植株受到干旱脅迫時(shí)，組織中與NAC、MYB和b-ZIP等轉(zhuǎn)錄因子相關(guān)的蛋白在活性氧（ROS）的轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要作用；C2H2在滲透保護(hù)劑的合成過程以及活性氧（ROS）轉(zhuǎn)化過程中起著重要作用；WRKY轉(zhuǎn)錄因子蛋白參與了活性氧（ROS）的轉(zhuǎn)化與清除過程［20，21，50］。在分子水平上，反應(yīng)機(jī)制的復(fù)雜性取決于AREB蛋白與DREB蛋白間的相互作用［51］。在玉米中，ZmWRKY17蛋白與其他蛋白相互作用，對(duì)氣孔進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而提高植株的抗旱能力［52］。據(jù)報(bào)道，玉米中的NF-YB轉(zhuǎn)錄因子和NF-YC轉(zhuǎn)錄因子會(huì)形成二聚體結(jié)構(gòu)，然后與核內(nèi)的NF-YA轉(zhuǎn)錄因子作用，從而對(duì)根系的發(fā)育過程進(jìn)行調(diào)控［30］。

4 展望

轉(zhuǎn)錄因子在植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)過程中起著重要作用。本文對(duì)玉米干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族的種類、結(jié)構(gòu)、生物學(xué)功能及作用機(jī)制進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，可為篩選干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子及其候選基因提供理論基礎(chǔ)，并進(jìn)一步明確干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子家族在玉米育種過程中的應(yīng)用前景。Foolad等［53］通過對(duì)轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)MYB和bZIP類轉(zhuǎn)錄因子家族在植物干旱響應(yīng)過程中發(fā)揮的作用較為顯著，并且目前已應(yīng)用于作物分子育種。植物的抗旱調(diào)節(jié)過程由許多基因控制，因此通過轉(zhuǎn)移一個(gè)主基因只能實(shí)現(xiàn)較低水平的表型變異，伴隨著分子育種技術(shù)的不斷發(fā)展，干旱響應(yīng)的數(shù)量性狀育種策略已從少數(shù)基因分析（通過標(biāo)記選擇）轉(zhuǎn)向全基因組分析（通過基因組選擇），進(jìn)而獲得更為準(zhǔn)確的表型變異數(shù)據(jù)。植物轉(zhuǎn)錄因子家族數(shù)量較為龐大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且隨著研究的深入其數(shù)目也在增多，對(duì)于新轉(zhuǎn)錄因子的研究仍需要進(jìn)行更深層次的挖掘。而隨著分子生物學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，通過先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)干旱響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行更深入的分析研究，不僅有利于高效準(zhǔn)確地提高玉米的品質(zhì)與產(chǎn)量，而且可為玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新提供良好的理論依據(jù)。