OsSPL轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控水稻生長(zhǎng)發(fā)育的研究進(jìn)展

曾慧玲, 蒲巧賢, 莫祖意, 范 凱, 林文雄, 李兆偉

(福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

鱗狀細(xì)胞啟動(dòng)子結(jié)合蛋白樣(squamosa promoter-binding protein-like, SPL)是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，最早發(fā)現(xiàn)于金魚(yú)草花序中[1]，其氨基酸序列中存在鱗狀細(xì)胞啟動(dòng)子結(jié)合蛋白(squamosa promoter-binding protein, SBP) 結(jié)構(gòu)域，能識(shí)別MADS-box的squamosa啟動(dòng)子并與之結(jié)合[2]。目前，已陸續(xù)從擬南芥[3]、小麥[4]、大麥[5]、棉花[6]、柑橘[7]、毛竹[8]和草莓[9]等植物中發(fā)現(xiàn)SPL轉(zhuǎn)錄因子。Chen et al[10]研究發(fā)現(xiàn)，SPL轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控植物腋芽分化、葉片發(fā)育、植株分蘗、花粉育性、開(kāi)花期以及逆境響應(yīng)與激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面發(fā)揮著重要作用。Ma et al[11]研究表明，MdSPL13過(guò)表達(dá)增強(qiáng)了蘋(píng)果的抗鹽性；Li et al[12]認(rèn)為，TaSPL13和TaSPL15基因可能參與小麥的穗發(fā)育和種子發(fā)育。

水稻是基因組數(shù)據(jù)量最小的農(nóng)作物，與玉米、小麥、大麥等禾谷類(lèi)作物存在廣泛的共線性，已成為禾谷類(lèi)作物基因組與基因功能研究的重要模式植物[13]。因此，本文綜述了SPL轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育與逆境響應(yīng)過(guò)程中的分子生態(tài)作用機(jī)制，以期為水稻品種培育提供參考。

1 SPL轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

轉(zhuǎn)錄因子又稱(chēng)反式作用元件，是真核生物中的一類(lèi)DNA結(jié)合蛋白，可與靶基因啟動(dòng)子區(qū)域的順式作用元件專(zhuān)一性結(jié)合，激活或抑制靶基因表達(dá)[14]。SPL轉(zhuǎn)錄因子序列中含有SBP結(jié)構(gòu)域，約由76個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，負(fù)責(zé)識(shí)別并結(jié)合靶基因的squamosa啟動(dòng)子序列，調(diào)控下游靶基因表達(dá)。SBP結(jié)構(gòu)域包含重復(fù)序列區(qū)域[14]、鋅指結(jié)構(gòu)域[15]和核定位信號(hào)序列(nuclear localization signal, NLS)[16]。重復(fù)序列區(qū)域可與靶基因的GTAC核心序列結(jié)合[14]；鋅指結(jié)構(gòu)域包含8個(gè)半胱氨酸或組氨酸，分別由4個(gè)氨基酸殘基結(jié)合1個(gè)鋅離子，其中C端組分為Cys-Cys-His-Cys，N端組分為Cys-Cys-Cys-His或Cys-Cys-Cys-Cys[17]，由鋅離子維持構(gòu)象的穩(wěn)定性，為SBP結(jié)構(gòu)域提供結(jié)合能力[15]。

不同物種的SPL轉(zhuǎn)錄因子家族成員數(shù)目存在差異，如擬南芥[18]、寡甘菊[19]、柑橘[7]和草莓[9]分別有17、14、15和14個(gè)SPL轉(zhuǎn)錄因子成員。Cai et al[6]通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析，在樹(shù)棉、雷蒙德氏棉、海島棉、陸地棉等4種棉屬植物中共鑒定到177個(gè)SPL轉(zhuǎn)錄因子。此外，蘋(píng)果[20]、毛竹[8]、小麥[4]、大麥[5]、人參[21]及矮牽牛[22]中也相繼發(fā)現(xiàn)SPL轉(zhuǎn)錄因子。Xie et al[17]在水稻中發(fā)現(xiàn)19個(gè)OsSPL轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因分別位于10條染色體上，其在序列結(jié)構(gòu)和長(zhǎng)度上存在較大差異，但最終編碼的氨基酸序列都含有典型的SBP結(jié)構(gòu)域。

2 水稻SPL轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)調(diào)控

水稻中有11個(gè)OsSPL轉(zhuǎn)錄因子的基因編碼區(qū)具有與非編碼單鏈RNA(OsmicroRNA)片段互補(bǔ)的序列，含OsmiRNA識(shí)別位點(diǎn)[17]。OsSPL基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA能夠被OsmiRNA識(shí)別、剪切并降解，進(jìn)而抑制OsSPL的翻譯表達(dá)，調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育[23-24]。OsSPL3轉(zhuǎn)錄因子基因編碼區(qū)的5′端含OsmiR156識(shí)別位點(diǎn)，Shao et al[25]將OsSPL3基因的OsmiR156識(shí)別序列進(jìn)行點(diǎn)突變后，解除了OsmiR156對(duì)OsSPL3轉(zhuǎn)錄mRNA片段的互補(bǔ)識(shí)別，從而提高OsSPL3的表達(dá)產(chǎn)物。OsSPL14轉(zhuǎn)錄的mRNA也會(huì)被OsmiR156定向切割降解，進(jìn)而影響其翻譯過(guò)程[26]。Yan et al[27]研究發(fā)現(xiàn)，miR529a序列與OsmiR156有極高的相似性，miR529a通過(guò)調(diào)控OsSPL2、OsSPL7、OsSPL14、OsSPL16、OsSPL17以及OsSPL18等6個(gè)靶基因的表達(dá)豐度，進(jìn)而調(diào)節(jié)稻穗結(jié)構(gòu)和粒形。

3 SPL轉(zhuǎn)錄因子在水稻中的生物學(xué)功能

3.1 調(diào)節(jié)根系發(fā)育

根系是固定植株的重要器官，也是植物吸收土壤水分與養(yǎng)分的主要組織，對(duì)植株地上部生長(zhǎng)與組織建成起決定性作用。SPL10轉(zhuǎn)錄因子可與AGL79(agamous-likeMADSboxprotein79)基因啟動(dòng)子結(jié)合，調(diào)節(jié)AGL79基因表達(dá)，從而影響擬南芥?zhèn)雀l(fā)育[28]。OsSPL3轉(zhuǎn)錄因子影響水稻根系的生長(zhǎng)發(fā)育，Shao et al[25]調(diào)查冠根缺失突變體表型發(fā)現(xiàn)，OsSPL3基因的OsmiR156識(shí)別位點(diǎn)序列突變后無(wú)法抑制OsSPL3的翻譯，轉(zhuǎn)錄因子OsSPL3正調(diào)控下游靶基因OsMADS50的表達(dá)，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，影響冠根細(xì)胞的正常分化與分裂增殖，抑制冠根發(fā)育。

3.2 影響株型結(jié)構(gòu)

合理的株型結(jié)構(gòu)是水稻獲取高產(chǎn)的重要保障。OsSPL在調(diào)控水稻植株分蘗、穗分枝、株高等農(nóng)藝性狀中發(fā)揮重要作用[27]，是調(diào)控水稻株型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[29-31]。

3.2.1 分蘗 Luo et al[29]研究OsmiR156切割位點(diǎn)突變的OsSPL14基因功能發(fā)現(xiàn)，突變植株葉原基形成的間隔期延長(zhǎng)，分蘗數(shù)減少，使得孕穗開(kāi)花期提前。水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)節(jié)葉原基分化，影響分蘗發(fā)生；而生殖生長(zhǎng)階段，通過(guò)提高OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平，可促進(jìn)稻穗一次枝梗伸長(zhǎng)[30]。OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子序列點(diǎn)突變后解除了OsmiR156對(duì)其mRNA的剪切調(diào)控，稻株無(wú)效分蘗數(shù)減少，從而改善水稻株型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗倒伏能力，顯著提高單株籽粒[31]。

3.2.2 株高 Dai et al[32]研究發(fā)現(xiàn)，OsSPL7轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)miR156f-OsSPL7-OsGH3.8分子通路調(diào)控株高而影響水稻株型結(jié)構(gòu)。OsSPL7轉(zhuǎn)錄因子是miR156f的作用靶標(biāo)，能上調(diào)OsGH3.8啟動(dòng)子表達(dá)，調(diào)控IAA水平，從而增加稻株分蘗，并降低株高。OsSPL7受OsmiR535調(diào)控，抑制下游穗部相關(guān)基因OsPIN1B、OsDEP1、OsLOG和OsSLR1的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)水稻株高、穗結(jié)構(gòu)和粒形[33]。此外，OsSPL16轉(zhuǎn)錄因子編碼序列錯(cuò)義突變也會(huì)影響植株的株高、花序以及小穗等正常發(fā)育[34]。

3.2.3 葉片 葉原基形成的間隔期是指從莖尖葉原基形成到下一個(gè)葉原基形成的間隔時(shí)期，反映葉原基分化或葉片形成速率[35]。水稻葉片的生長(zhǎng)發(fā)育與葉原基的分化有關(guān)，增強(qiáng)OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)有利于延長(zhǎng)水稻葉原基形成的間隔期，減緩葉片形成速率，從而減少葉片數(shù)量[36]。Lee et al[37]研究報(bào)道，OsSPL8轉(zhuǎn)錄因子在水稻葉片的葉舌、葉耳以及葉鞘基部區(qū)域表達(dá)水平較高，而OsSPL8轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)缺失會(huì)引起葉耳與葉舌異常發(fā)育，導(dǎo)致葉片畸形。過(guò)表達(dá)OsSPL14基因會(huì)導(dǎo)致水稻旗葉的葉長(zhǎng)縮短、葉寬變窄、葉片增厚，且葉綠素a、葉綠素b和類(lèi)胡蘿卜素含量升高，植株的生育期縮短。Xie et al[38]研究發(fā)現(xiàn)，OsmiR156依據(jù)葉齡調(diào)控OsSPL基因表達(dá)，OsmiR156的靶基因OsSPL3、OsSPL12、OsSPL13、OsSPL14和OsSPL17在幼葉中的表達(dá)水平明顯高于老葉，表明隨著葉齡增長(zhǎng)，OsmiR156對(duì)OsSPL轉(zhuǎn)錄因子的抑制作用增強(qiáng)，OsSPL基因的mRNA翻譯受阻，從而限制葉片組織的生長(zhǎng)發(fā)育。

3.2.4 表皮毛 表皮毛是植株表皮組織的一種特化結(jié)構(gòu)，由表皮細(xì)胞分化發(fā)育而來(lái)，廣泛分布在葉片、莖稈、花萼等器官表面[39]。水稻表皮毛不僅可以緩解強(qiáng)光對(duì)表皮細(xì)胞的灼傷，還與葉片氣孔蒸騰作用、呼吸作用以及產(chǎn)量形成密切相關(guān)[40]。Lan et al[41]研究發(fā)現(xiàn)，OsSPL10轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)控水稻表皮毛發(fā)育，敲除OsSPL10基因會(huì)導(dǎo)致葉片與穎片產(chǎn)生無(wú)表皮毛表型，而過(guò)表達(dá)OsSPL10基因的水稻葉片與穎片的表皮毛密度和毛狀體均顯著高于野生型。

3.3 調(diào)控產(chǎn)量性狀

3.3.1 開(kāi)花期 孕穗與揚(yáng)花是水稻從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向生殖生長(zhǎng)的重要階段，合理的開(kāi)花期可提高水稻產(chǎn)量及品質(zhì)[42]。在水稻花器官發(fā)育過(guò)程中，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子與DNA特異性結(jié)合，調(diào)控相關(guān)靶基因表達(dá)，受上游MicroRNA調(diào)控，構(gòu)建系統(tǒng)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[43]。水稻的開(kāi)花期受到OsSPL9-OsmiR528-OsRF12協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)調(diào)控，OsmiR528調(diào)控水稻開(kāi)花代謝的轉(zhuǎn)錄水平受上游OsSPL9轉(zhuǎn)錄因子的正向表達(dá)調(diào)控，OsRF12轉(zhuǎn)錄因子受OsmiR528水平調(diào)控，通過(guò)抑制開(kāi)花位點(diǎn)來(lái)延遲水稻開(kāi)花[44]。

3.3.2 粒長(zhǎng)與粒寬 粒形結(jié)構(gòu)(包括粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚)是稻米的重要產(chǎn)量性狀之一，主要由水稻自身的遺傳因素決定[45]，也受生殖生長(zhǎng)階段的環(huán)境影響[46]。亞洲栽培稻主要分為秈稻和粳稻2個(gè)亞種[47]，二者的粒形存在較大差異，粳稻籽粒短而圓，秈稻則長(zhǎng)而細(xì)[48-49]。在稻米籽粒形成過(guò)程中，α微管蛋白編碼基因OsSRS5(smallandroundseed5)通過(guò)調(diào)控稻殼細(xì)胞的伸長(zhǎng)而縮短稻米的籽粒長(zhǎng)度，而OsSPL13轉(zhuǎn)錄因子負(fù)調(diào)控OsSRS5的表達(dá)水平，因此增強(qiáng)OsSPL13轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平能引起籽粒細(xì)胞的縱向分裂擴(kuò)張，從而增加稻米粒長(zhǎng)[50]。

Pan et al[51]發(fā)現(xiàn)，OsSPL16、 gs5和 gif1通過(guò)調(diào)控osmk3來(lái)影響小穗殼細(xì)胞增殖，進(jìn)而控制水稻籽粒大小。OsSPL16轉(zhuǎn)錄因子與稻米的粒形結(jié)構(gòu)相關(guān)，通過(guò)調(diào)控細(xì)胞分裂增殖來(lái)增加稻米的粒寬，并通過(guò)抑制細(xì)胞的伸長(zhǎng)阻止稻米縱向延長(zhǎng)，最終導(dǎo)致稻米變短、變粗[52]。在稻米籽粒形成過(guò)程中，OsGW7(grainwidth7)基因促進(jìn)細(xì)胞的縱向分裂，從而促使稻米變得細(xì)長(zhǎng)，而OsSPL16轉(zhuǎn)錄因子抑制OsGW7基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，進(jìn)而負(fù)向調(diào)控稻米的粒寬[53]。OsSPL12轉(zhuǎn)錄因子對(duì)秈稻粒寬起抑制作用，可直接結(jié)合OsGW5基因啟動(dòng)子，抑制OsGW5基因的表達(dá)，從而抑制稻米粒寬[54-55]。OsmiR156可以切割OsSPL4轉(zhuǎn)錄的mRNA，而OsmiR156-OsSPL4模塊也可以調(diào)節(jié)水稻的粒徑[56]。

3.3.3 穗粒數(shù)及粒重 Wang et al[57]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子OsSPL14與OsSPL17對(duì)稻穗分枝與復(fù)總狀圓錐花序的形成具有調(diào)節(jié)作用，可促進(jìn)穗分枝向小穗分生組織轉(zhuǎn)化。OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子在花序苞片和花序外層組織中呈較高表達(dá)，尤其在幼穗發(fā)育初期，雄蕊原基、內(nèi)稃、外稃以及退化穎片等組織中均有OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)[58]。OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控幼穗分化發(fā)育過(guò)程受氮水平影響，適當(dāng)補(bǔ)施氮肥可增加分化小穗數(shù)量，防止小穗退化早衰，提高產(chǎn)量[59]。OsSPL4轉(zhuǎn)錄因子對(duì)水稻穗分枝也有顯著影響[60]，還可促進(jìn)細(xì)胞分裂，調(diào)節(jié)小穗的發(fā)育，從而增加穗粒數(shù)，提高產(chǎn)量[56]。Wang et al[61]研究表明，OsSPL6缺陷型植株的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器IRE1被過(guò)度激活，導(dǎo)致水稻的穗分化細(xì)胞死亡。OsSPL9通過(guò)激活水稻末端花同源基因RCN1在幼穗中的表達(dá)，調(diào)節(jié)穗部分枝和每穗粒數(shù)[62]。Yuan et al[63]發(fā)現(xiàn)，OsSPL18轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)影響細(xì)胞橫向增殖來(lái)調(diào)控小穗殼發(fā)育。OsmiR156干擾OsSPL18基因的表達(dá)翻譯，從而調(diào)節(jié)下游的OsDEP1基因表達(dá)，影響稻穗的著粒密度與穗粒發(fā)育，從而調(diào)節(jié)水稻的穗粒數(shù)和粒重[64]。

3.4 OsSPL轉(zhuǎn)錄因子參與水稻逆境脅迫響應(yīng)

SPL轉(zhuǎn)錄因子與植物的抗逆脅迫有關(guān)。miR156/SPL模塊通過(guò)上調(diào)蘋(píng)果樹(shù)的MdWRKY100轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)而調(diào)控其耐鹽性[11]。OsSPL轉(zhuǎn)錄因子在水稻響應(yīng)逆境脅迫過(guò)程中發(fā)揮特定生物功能[65]。Lan et al[41]研究發(fā)現(xiàn)，OsSPL10轉(zhuǎn)錄因子負(fù)調(diào)節(jié)水稻耐鹽性，OsSPL10基因突變水稻表現(xiàn)出較高的耐鹽性，其在鹽脅迫下的存活率遠(yuǎn)高于野生型和OsSPL10基因過(guò)表達(dá)植株。低溫脅迫下，OsmiR156通過(guò)靶向剪切使OsSPL3基因表達(dá)降低，OsSPL3轉(zhuǎn)錄因子正調(diào)節(jié)OsWRKY71的表達(dá)，致使OsWRKY71轉(zhuǎn)錄因子豐度降低，激活了相關(guān)應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)，對(duì)低溫脅迫做出應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而提高水稻的抗低溫能力[66]。OsSPL9轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)控水稻幼苗和成熟籽粒中的微量銅穩(wěn)態(tài)[67]，還可正向調(diào)控OsmiR528的轉(zhuǎn)錄，降低水稻的抗病毒防御能力[68]。OsmiR535作用于OsSPL4的mRNA，以抑制水稻對(duì)稻瘟病菌的免疫，過(guò)表達(dá)OsSPL4的轉(zhuǎn)基因水稻品系抗稻瘟病能力增強(qiáng)[69]。

4 研究展望

水稻作物在我國(guó)糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中占有舉足輕重的地位，優(yōu)良農(nóng)藝性狀基因資源發(fā)掘與功能解析對(duì)水稻分子改良與選育具有重要意義[70]。在分蘗期，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控水稻根系和葉片的分化發(fā)育以及分蘗芽的發(fā)生，有助于組織器官的形態(tài)建成和株型構(gòu)造；在孕穗期及揚(yáng)花期，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)促進(jìn)花器官的分化調(diào)控水稻的開(kāi)花期，并參與穗分化階段的枝梗產(chǎn)生與延伸、籽粒的著粒分布等產(chǎn)量性狀構(gòu)建，從而影響稻穗的穗粒數(shù)；在灌漿期，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)調(diào)控稻殼細(xì)胞的縱向與橫向分裂影響稻米的粒形，從而提高產(chǎn)量和品質(zhì)性狀。此外，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子還在水稻抗逆境脅迫、病毒防御等響應(yīng)代謝中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

綜上所述，水稻SPL轉(zhuǎn)錄因子對(duì)水稻根系發(fā)育、腋芽形成、花器官分化等組織器官構(gòu)建，以及生育期調(diào)整、產(chǎn)量性狀調(diào)控、逆境脅迫響應(yīng)等方面起重要的生理調(diào)控作用。當(dāng)前對(duì)OsSPL轉(zhuǎn)錄因子分子作用機(jī)理的深入解析與生物學(xué)功能的充分了解，為水稻理想株型選育、生育期調(diào)控、稻米產(chǎn)量和抗逆境能力改良等方面提供了較好的分子遺傳改良理論支持，對(duì)今后利用分子生物學(xué)技術(shù)整合水稻優(yōu)良農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計(jì)育種以及加速人工馴化等均具有廣闊的指導(dǎo)前景。