Dof轉(zhuǎn)錄因子在植物碳氮代謝中的調(diào)控作用綜述

張潔雯，劉建國，蔡墩旭，陳日遠(yuǎn)，朱云娜，宋世威

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，廣東廣州 510642；2.韶關(guān)學(xué)院英東生物與農(nóng)業(yè)學(xué)院，廣東韶關(guān) 512005)

氮是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，生產(chǎn)中存在施用量大、利用率不高、產(chǎn)品器官易積累硝酸鹽、環(huán)境污染等問題，提高氮素利用率是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高產(chǎn)量亟待解決的重要問題。一般來說，提高植物氮素利用效率一方面可以通過改善栽培條件而達(dá)成，另一方面可以通過調(diào)節(jié)植物體內(nèi)碳氮代謝基因表達(dá)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控因子來實(shí)現(xiàn)。然而，一些研究表明，僅從氮吸收、代謝途徑的某個基因著手提高氮素利用效率，對作物增產(chǎn)效果并不顯著。蔡紅梅超表達(dá)水稻硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因、銨離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因、谷氨酰胺合成酶基因等氮吸收、代謝相關(guān)的基因，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)基因植株氮代謝途徑相關(guān)基因水平明顯提高，但產(chǎn)量無顯著變化。包愛麗進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超表達(dá)水稻、基因?qū)е潞送?1，5-二磷酸羧化酶加氧酶基因，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因、等碳氮代謝關(guān)鍵基因表達(dá)模式發(fā)生明顯變化，植株碳、氮代謝不平衡，從而影響了植物生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成。這進(jìn)一步說明植物氮素利用效率的提高，不能僅依靠提高植物對氮素的吸收能力，還需要考慮碳、氮代謝之間的平衡關(guān)系。

碳、氮代謝是植物體內(nèi)最重要的兩大代謝，二者相輔相成，直接影響植物生長發(fā)育、作物產(chǎn)量和品質(zhì)。近年來，研究指出，協(xié)調(diào)碳氮代謝平衡可優(yōu)化植株對氮素的吸收、同化和代謝，提高氮素利用效率。許多研究結(jié)果表明，從根本上提高作物氮素利用效率的有效方法之一是找到影響植物碳氮代謝途徑的關(guān)鍵調(diào)控因子，在整體上協(xié)調(diào)碳氮代謝途徑，提高氮素利用效率，從而增加作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)。

轉(zhuǎn)錄因子作為協(xié)調(diào)靶基因整個應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)表達(dá)的主要調(diào)節(jié)因子，可以同時調(diào)控1個或者多個基因調(diào)控靶基因，從而影響整個應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)中所涉及的代謝物變化。前人研究報道HY5、Dof1、NLP6、GRF4等轉(zhuǎn)錄因子對氮素代謝具有重要調(diào)控作用；其中，HY5、Dof1還參與碳同化和運(yùn)輸。Li等報道，GRF4和DELLA共同協(xié)調(diào)水稻植株碳、氮代謝，在減氮條件下仍可獲得高產(chǎn)，這為農(nóng)業(yè)育種提供了新策略。目前已有文獻(xiàn)報道，鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子Dof在植物的光調(diào)控開花、非生物脅迫、種子萌發(fā)與發(fā)育調(diào)控、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和碳氮代謝等方面起著調(diào)控作用。Dof可顯著影響、、等多個碳、氮代謝基因表達(dá)，從而調(diào)節(jié)碳氮代謝。近年來，越來越多的學(xué)者關(guān)注Dof轉(zhuǎn)錄因子在植物碳氮代謝和提高氮素利用效率方面的作用，但還沒有清晰的Dof轉(zhuǎn)錄因子參與植物碳氮代謝的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。本文主要綜述參與植物碳氮代謝中的Dof轉(zhuǎn)錄因子及功能，以期給后續(xù)研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 Dof轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

DNA結(jié)合單鋅指蛋白轉(zhuǎn)錄因子屬于單鋅指蛋白超家族，是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，自1993年Yanagisawa等從玉米中分離出第1個Dof基因()以來，越來越多的Dof家族成員在不同物種中得到鑒定，其結(jié)構(gòu)和功能分析已有大量文獻(xiàn)報道。典型的植物轉(zhuǎn)錄因子包含4個結(jié)構(gòu)域，分別是DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域、寡聚位點(diǎn)和核定位信號。Dof轉(zhuǎn)錄因子一般由200～400個氨基酸組成，具有2個功能結(jié)構(gòu)域：N-末端的DNA結(jié)合區(qū)和位于C-末端的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)，其中，DNA結(jié)合區(qū)為52個保守的氨基酸殘基構(gòu)成的C2-C2型單鋅指結(jié)構(gòu)域，由4個保守的半胱氨酸(Cys)殘基和1個Zn共價結(jié)合，形成CXCXCXC基序，被命名為Dof結(jié)構(gòu)域(圖1)。

除文獻(xiàn)報道的南瓜Dof蛋白AOBP特異識別序列為AGTA序列外，Dof家族成員主要通過含有AAAG(或CTTT)序列的識別位點(diǎn)與下游基因啟動子序列結(jié)合調(diào)控靶基因表達(dá)，因此Dof結(jié)合結(jié)構(gòu)域具有高度保守性。另外，Dof轉(zhuǎn)錄因子核心序列之外的側(cè)翼序列、AAAG序列的數(shù)量、蛋白互作以及轉(zhuǎn)錄后的修飾會影響Dof蛋白與DNA識別序列結(jié)合的親和力與選擇性。由于Dof的C-末端轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域的氨基酸序列較為多變，不具有保守性，因此其功能也呈現(xiàn)出多樣性。

2 Dof轉(zhuǎn)錄因子在植物碳代謝中的調(diào)控作用

植物生長發(fā)育離不開碳代謝。碳代謝作為植物生命活動中最基礎(chǔ)的代謝之一，一方面，碳代謝通過光合作用把體外的二氧化碳轉(zhuǎn)化為植物能吸收的碳水化合物；另一方面，碳代謝通過呼吸作用把碳水化合物異化為二氧化碳等生理生化過程，包括光合產(chǎn)物木質(zhì)素、淀粉、蔗糖等的生物合成、降解和轉(zhuǎn)化，以及呼吸過程中的三羧酸循環(huán)(TCA)、糖酵解途徑(EMP)以及磷酸戊糖途徑(PPP)等。碳代謝還能為氮代謝等物質(zhì)代謝提供能量和碳骨架2-酮戊二酸(2-OG)等。

2.1 Dof轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控光合作用

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是將磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)轉(zhuǎn)化成草酰乙酸(OAA)的關(guān)鍵酶。超表達(dá)玉米基因可提高玉米原生質(zhì)中啟動子的活性，提高和非光合啟動子的活性；在水稻中超表達(dá)該基因，除可激活基因表達(dá)外，還可上調(diào)依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)的蘋果酸脫氫酶編碼基因(-)和異檸檬酸脫氫酶編碼基因()表達(dá)，從而促進(jìn)碳代謝。類似地，水稻是玉米的同源基因，超表達(dá)該基因也表現(xiàn)出類似的作用。進(jìn)一步研究表明，通過結(jié)合等基因啟動子區(qū)域的AAAG基序進(jìn)而發(fā)揮作用。然而，不同Dof成員具有不同活性，對靶基因發(fā)揮不同的調(diào)控作用。與類似，玉米也可參與碳代謝，但具有不同的功能，抑制靶基因和啟動子活性，而激活啟動子活性。

2.2 Dof轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控木質(zhì)素生物合成

木質(zhì)素的合成需要大量的碳骨架，因此，木質(zhì)素作為一種重要的碳代謝產(chǎn)物，引起了學(xué)者們的關(guān)注。Rueda-López等在擬南芥中超表達(dá)松樹顯著下調(diào)了基因表達(dá)，導(dǎo)致調(diào)控的反應(yīng)底物PEP大量積累。PEP作為木質(zhì)素合成前體之一，可為木質(zhì)素生物合成提供大量碳骨架；同時，還發(fā)現(xiàn)超表達(dá)擬南芥植株的胞質(zhì)果糖-1，6-二磷酸酶(cFBPase)活性顯著上調(diào)，可溶性糖含量顯著增加，而增加的蔗糖除提供碳骨架，還可作為一種信號調(diào)控木質(zhì)素的生物合成。Ramachandran等的研究表明，擬南芥維管束相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子VDof1和VDof2參與調(diào)控維管細(xì)胞分化和木質(zhì)素生物合成。由此可見，Dof轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控碳骨架、糖信號等方式參與木質(zhì)素生物合成途徑。

2.3 Dof轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控淀粉的生物合成和分解

此外，Dof轉(zhuǎn)錄因子還通過調(diào)控淀粉生物合成途徑參與碳代謝。玉米可與淀粉生物合成基因和啟動子結(jié)合，促進(jìn)淀粉生物合成；也可以通過結(jié)合參與糊粉層細(xì)胞分化的啟動子，正調(diào)控玉米胚乳的發(fā)育，敲除則降低表達(dá)也證明了這一觀點(diǎn)。類似地，Wu等報道玉米可與6種淀粉生物合成基因的啟動子結(jié)合，超表達(dá)該基因的玉米籽粒淀粉含量增加，可溶性糖和還原糖含量降低，表明正調(diào)控玉米胚乳淀粉的合成。然而，在獼猴桃中，通過靶向調(diào)控-淀粉酶編碼基因而參與果實(shí)成熟過程中淀粉的降解，超表達(dá)的植株表現(xiàn)出果實(shí)中表達(dá)水平上升，而果實(shí)中淀粉含量下降。相反，在甘薯中，超表達(dá)Dof轉(zhuǎn)錄因子SRF1植株表現(xiàn)出液泡型轉(zhuǎn)化酶基因表達(dá)水平降低，甘薯貯藏根中淀粉比例增加，顯著降低了葡萄糖和果糖所占比例，從而調(diào)節(jié)甘薯貯藏根中的碳水化合物代謝，表明SRF1轉(zhuǎn)錄因子在淀粉生物合成過程中有重要的作用。此外，研究表明大麥Dof轉(zhuǎn)錄因子SAD與HvGAMYB協(xié)同作用激活-淀粉酶編碼基因表達(dá)，而另一Dof轉(zhuǎn)錄因子BPBF通過與HvWRKY38結(jié)合可抑制SAD和HvGAMYB之間的協(xié)同作用，從而阻止在糊粉層表達(dá)。

根據(jù)文獻(xiàn)報道，本文總結(jié)了Dof轉(zhuǎn)錄因子在不同植物調(diào)控碳氮代謝的潛在靶標(biāo)基因及其功能，詳見表1。

表1 不同植物中Dof轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控碳氮代謝的潛在靶標(biāo)基因及其功能

3 Dof轉(zhuǎn)錄因子在植物氮代謝中的調(diào)控作用

植物氮代謝包括氮的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化，把土壤中的無機(jī)氮(硝酸鹽或者銨鹽)同化為植物可以吸收的氨基酸等成分。無機(jī)氮的還原可以在根部或者地上部進(jìn)行，在胞質(zhì)時氮的還原需要硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)，生成銨鹽，通過谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途徑，被同化為氨基酸。此外，天冬酰胺合成酶(AS)、氨甲酰合成酶(CPSsae)和谷氨酸脫氫酶(GDH)也參與銨鹽的同化過程，將銨鹽同化為不同氨基酸，氨基酸再進(jìn)一步合成具有不同功能的蛋白質(zhì)，為植物生長發(fā)育提供營養(yǎng)。

3.1 Dof通過調(diào)節(jié)氮的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、同化影響氮代謝

Dof轉(zhuǎn)錄因子可通過調(diào)控氮吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因參與氮代謝。在擬南芥中超表達(dá)水稻可上調(diào)銨離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因；和；表達(dá)，抑制硝酸根轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因；的表達(dá)，增加總氨基酸含量，提高氮素利用率。Wu等報道水稻基因缺失突變體降低了；、；、；和；的表達(dá)水平，表明通過誘導(dǎo)根系中基因表達(dá)，從而影響植株對銨的吸收、運(yùn)輸及氮的分布。

Dof轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)氮同化關(guān)鍵基因參與氮代謝。擬南芥表達(dá)受氮供應(yīng)水平調(diào)控，在煙草中超表達(dá)該基因能夠上調(diào)谷氨酰胺合成酶編碼基因表達(dá)，從而促進(jìn)氮同化。類似地，超表達(dá)小麥可以提高轉(zhuǎn)基因植株GS、GOGAT、GDH等氮同化相關(guān)酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)氮代謝。Wang等報道茶樹可以直接與的啟動子區(qū)域AAAG基序結(jié)合，超表達(dá)或者均可增加轉(zhuǎn)基因植株中的轉(zhuǎn)錄水平，增加植株體內(nèi)谷氨酰胺含量，這表明茶樹Dof轉(zhuǎn)錄因子可正調(diào)控谷氨酰胺代謝。

3.2 Dof轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)節(jié)碳氮代謝平衡影響氮代謝

有趣的是，作為番茄逆境響應(yīng)的的同源基因，主要調(diào)節(jié)植物開花時間和抗性，最近研究表明也參與植物碳氮代謝。在擬南芥中超表達(dá)通過參與硝態(tài)氮響應(yīng)來提高擬南芥氮素利用率，增加轉(zhuǎn)基因植株中蔗糖和氨基酸的含量；超表達(dá)提高番茄果實(shí)大小和產(chǎn)量，轉(zhuǎn)基因番茄通過調(diào)控蔗糖酶活性來控制果實(shí)的庫源關(guān)系，提高成熟果實(shí)中碳、氮化合物的含量，從而影響果實(shí)品質(zhì)。

綜上，Dof轉(zhuǎn)錄因子在碳、氮代謝過程中發(fā)揮著重要作用，兩大代謝相輔相成，直接影響植物生長發(fā)育、作物產(chǎn)量和品質(zhì)。根據(jù)文獻(xiàn)[2，45]，將Dof轉(zhuǎn)錄因子參與植物碳氮代謝過程的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)圖總結(jié)如圖2所示。

4 Dof轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

前人研究表明，Dof轉(zhuǎn)錄因子能夠識別靶基因AAAG序列或其反向互補(bǔ)序列CTTT。Dof轉(zhuǎn)錄因子對靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控具有雙重功能，可作為轉(zhuǎn)錄的激活子或抑制子，同時正向和負(fù)向調(diào)控靶基因啟動子的活性。玉米和共同的靶基因和，但前者為轉(zhuǎn)錄激活子，而后者為轉(zhuǎn)錄抑制子，二者行使完全相反的功能。擬南芥Dof轉(zhuǎn)錄因子、與不同DELLA蛋白編碼基因互作，以完全相反的作用調(diào)控種子萌發(fā)。然而，相同的Dof轉(zhuǎn)錄因子成員對靶基因的不同基因家族成員作用。前人研究表明，松樹是啟動子的激活子，卻是啟動子的抑制子。此外，Dof轉(zhuǎn)錄因子具有雙重功能區(qū)，它不僅可以與DNA相互作用，也可以與蛋白質(zhì)相互作用。擬南芥；參與調(diào)控花器官脫落。擬南芥Dof蛋白OBP1與OBF互作增強(qiáng)了OBF與DNA的結(jié)合能力。玉米胚乳特異性Dof蛋白PBF(BPBF的同源物)與玉米BZIP蛋白O2互作激活了胚乳中玉米醇溶蛋白基因。目前為止，雖只報道少數(shù)Dof存在蛋白與蛋白之間的互作，但由于Dof結(jié)構(gòu)域高度保守，Dof可能存在蛋白-蛋白的相互作用。

5 展望

Dof轉(zhuǎn)錄因子在碳、氮代謝過程和植物生長發(fā)育中發(fā)揮著重要調(diào)控作用，但其效應(yīng)卻因作物及不同Dof家族成員而異。到目前為止，有關(guān)Dof轉(zhuǎn)錄因子在碳氮代謝方面的研究主要集中在模式植物和主要農(nóng)作物中，如擬南芥、水稻、玉米、小麥等，但在園藝植物中的研究較少，對于偏好氮肥且易積累硝酸鹽的葉用蔬菜則少之甚少。雖然，許多研究結(jié)果表明，Dof轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)控作物碳氮代謝水平，增強(qiáng)其農(nóng)藝性狀，但其在植物碳氮代謝應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)控作用機(jī)制還不清楚，與其他蛋白或轉(zhuǎn)錄因子的相互作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。隨著基因組測序的陸續(xù)完成，其他作物的Dof轉(zhuǎn)錄因子也逐漸被鑒定。在今后的研究中，可加強(qiáng)園藝植物Dof轉(zhuǎn)錄因子的挖掘并預(yù)測其生物學(xué)功能，研究Dof轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物碳氮代謝及對生長發(fā)育的影響，利用基因工程選育高氮素利用效率的優(yōu)良品種，且有助于闡明改善植株碳氮代謝水平而影響氮素利用效率的分子機(jī)制。