番茄MYB 轉(zhuǎn)錄因子研究進展

石雪燕，李 濤，王虹云，張瑞清，曹守軍，張麗莉，姚建剛，劉佳鳳

（1.煙臺大學生命科學學院 山東煙臺 264005；2.山東煙臺市農(nóng)業(yè)科學研究院 山東煙臺 264421）

轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor，TF）是能夠特異性地結(jié)合基因5’端上游特定核苷酸序列的蛋白，能夠調(diào)控基因表達功能，加強或抑制基因的轉(zhuǎn)錄，也可稱作反式作用因子[1]。轉(zhuǎn)錄因子作用過程是在植物根據(jù)不同的發(fā)育階段以及面對外部環(huán)境的變化時，與相應的順式元件特異性地結(jié)合，激活特定基因轉(zhuǎn)錄表達，做出一系列應答反應[2]。不僅如此，當DNA 轉(zhuǎn)錄成RNA 時，在轉(zhuǎn)錄起始過程中轉(zhuǎn)錄因子起著輔助RNA 聚合酶的作用，是此過程必不可少的一部分[3]?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)百種基因編碼植物轉(zhuǎn)錄因子，按照DNA 結(jié)構(gòu)域可以分為MYB、SBP、HB、DREB、NAC、bZIP、WRKY 和AP2/EREBP 等家族[4]。

轉(zhuǎn)錄因子參與植物許多生理過程，在植物面對外界刺激變化時誘導相關(guān)基因表達，開啟植物的防御機制，在植物抗逆性方面起著重要作用[5]。MYB轉(zhuǎn)錄因子家族在植物中數(shù)量較多、功能多樣，大多數(shù)與植物生長發(fā)育及逆境脅迫有關(guān)，備受學者關(guān)注。MYB 轉(zhuǎn)錄因子的首次發(fā)現(xiàn)是1941 年從禽類急性成髓細胞白血病病毒中鑒定的，1982 年從該致癌病毒中分離鑒定出v-myb原癌基因[6]。1987 年從玉米中克隆出與黃酮類色素合成有關(guān)的ZmMYBC1基因[7]，學者們開始對MYB 轉(zhuǎn)錄因子展開研究，大量MYB 轉(zhuǎn)錄因子從植物中被分離鑒定出來，1996年首次從番茄中分離鑒定出14 個編碼MYB 轉(zhuǎn)錄因子的基因片段[8]。筆者主要總結(jié)闡述了MYB 轉(zhuǎn)錄因子的特征及前人對番茄中MYB 轉(zhuǎn)錄因子的研究成果。

1 MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征和分類

1.1 MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征

植物轉(zhuǎn)錄因子有4 個功能域，分別是DNA 結(jié)合域、轉(zhuǎn)錄調(diào)控域、寡聚化位點和核定位信號[9]。MYB 轉(zhuǎn)錄因子含有一段高度保守的myb 結(jié)構(gòu)域，此為DNA 結(jié)合域，在N 端由1～4 個不完全重復的R 結(jié)構(gòu)組成。R 結(jié)構(gòu)分為3 種，分別是R1、R2 和R3，是一種折疊蛋白，大約由52 個氨基酸以螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）的形式構(gòu)成[10]。R 結(jié)構(gòu)每隔18個或者19 個氨基酸會存在1 個色氨酸殘基，這3個色氨酸殘基起著疏水的作用，有助于維持該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[11]。MYB 蛋白的C 端與N 端不同，是非高度保守的，含有一個轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，該區(qū)域折疊成雙親性的螺旋結(jié)構(gòu)，通常在此區(qū)域存在酸性氨基酸，負責調(diào)控蛋白質(zhì)活性[12-13]。

1.2 MYB轉(zhuǎn)錄因子的分類

根據(jù)MYB 基因含有R 結(jié)構(gòu)的數(shù)量將MYB 轉(zhuǎn)錄因子分為4 個亞類（圖1）。1R-MYB 含有1 個R結(jié)構(gòu)，可以特異性地結(jié)合染色體端粒，維持染色體結(jié)構(gòu)，主要參與調(diào)控植物生長發(fā)育和逆境脅迫反應[14]。R2R3-MYB 含有2 個R 結(jié)構(gòu)，是植物MYB家族中數(shù)量最多的亞類，也是研究最為廣泛的一類，在C 端都具有轉(zhuǎn)錄激活的功能，參與調(diào)控植物細胞周期及表皮細胞形態(tài)分化、生長發(fā)育，調(diào)節(jié)植物初級與次級代謝的過程，參與激素應答反應，調(diào)控植物面對生物與非生物脅迫的生存能力[15]。R1R2R3-MYB 含有3 個R 結(jié)構(gòu)，該亞類在植物中存在較少，僅發(fā)現(xiàn)5 個，存在于擬南芥、煙草和水稻的基因組中，主要參與調(diào)節(jié)植物細胞周期、細胞分化過程以及提高植物在逆境中的生存能力[16]。4R-MYB 含有4 個R 結(jié)構(gòu)，由4 個類似R1 或R2結(jié)構(gòu)重復形成，是MYB 轉(zhuǎn)錄因子家族中最少的一類，僅在極少數(shù)植物中被發(fā)現(xiàn)，有關(guān)該亞類的功能研究較少[3]。

圖1 MYB 轉(zhuǎn)錄因子的分類[17]

2 MYB 轉(zhuǎn)錄因子在番茄生長發(fā)育中的調(diào)控作用

目前在番茄基因組中共鑒定了127 個MYB 轉(zhuǎn)錄 因 子，其 中 122 個 R2R3- MYB、4 個R1R2R3-MYB 和1 個4R-MYB 轉(zhuǎn) 錄 因 子[18]，對R1R2R3-MYB、4R-MYB 轉(zhuǎn)錄因子功能研究較少，大多數(shù)研究主要集中在R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子上。

MYB 轉(zhuǎn)錄因子在番茄的營養(yǎng)及生殖生長中起著重要的作用，其中SlMYB102、SlMYB64均為番茄生長發(fā)育的負調(diào)控因子，與野生型相比過表達35S：SlMYB102的番茄植株，種子發(fā)芽速度加快，但番茄的葉面積減小，植株變矮，植株及根部鮮質(zhì)量變小，顯微觀察過表達植株葉片表皮細胞面積大小與野生型一致，推測在番茄中過表達SlMYB102會減少細胞分裂導致番茄植株生長受到抑制[19]。前人研究發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，SlMYB64過表達番茄植株在幼苗期、開花期的生長發(fā)育明顯受到了抑制，主要表現(xiàn)為地上部分番茄葉面積減小、植株變矮，地下部分主根縮短。SlMYB64過表達植株花粉小孢子的發(fā)育出現(xiàn)異常，絨氈層的發(fā)育受到抑制[20]；花粉萌發(fā)孔發(fā)育不良，導致花粉的活力降低，影響了花粉的萌發(fā)率[21]，說明SlMYB64直接影響番茄生殖器官的生長發(fā)育。另外，SlMYB21是擬南芥茉莉酸（JA）調(diào)節(jié)的雄蕊發(fā)育的同源基因，CRISPR/Cas9 敲除SlMYB21的番茄植株顯示出雌性不育，表明SlMYB21參與調(diào)控番茄胚珠發(fā)育[22]。李鈴[23]研究發(fā)現(xiàn)與野生型番茄植株相比，SlMYB86-RNAi植株的花序分枝多，開花數(shù)量增多，果實增多，單株產(chǎn)量增加。qRT-PCR 結(jié)果顯示在SlMYB86-RNAi株系的頂芽組織中，AP2a、SOC1、SP、FA及LFY基因的表達量顯著增加，而TMF、LS、S及WUS基因的表達量顯著降低，表明SlMYB86可以與花序發(fā)育相關(guān)基因相互作用來調(diào)控番茄的生長發(fā)育。

乙烯是果實成熟過程中必不可少的植物激素之一。在番茄中過表達SlMYB70延遲了果實成熟，SlMYB70-RNAi植株果實成熟時間提前，與野生型番茄相比，SlMYB70-RNAi和SlMYB70過表達植株的乙烯產(chǎn)量分別增加和減少，SlMYB70可以與果實成熟過程中2 個乙烯生物合成基因SlACS2和SlACO3的啟動子直接結(jié)合，抑制其轉(zhuǎn)錄表達，表明SlMYB70負調(diào)控番茄果實成熟[24]。SlAN2是R2R3-MYB 蛋白，SlAN2過表達植株通過改變類胡蘿卜素合成途徑，導致番茄果實中類胡蘿卜素含量降低，果實呈現(xiàn)橙色，同時過表達SlAN2可以促進乙烯生物合成基因的表達，乙烯含量增加導致番茄果實提前軟化，說明SlAN2是果實成熟的重要調(diào)節(jié)因子[25]。

MYB 轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控細胞形態(tài)建成，在植物表皮組織發(fā)育中起著重要作用。表皮毛是由植物表皮細胞發(fā)育而來的一種表皮組織，它是保護植物的第一重屏障，一定程度上可以保護植物免受紫外線照射引起的傷害，具有防止植物過度蒸騰等作用[26]。番茄中抑制表達SlMYB52基因可以特異性地增加Ⅴ型表皮毛密度、表皮細胞密度、Ⅴ型表皮毛和表皮細胞的比值以及番茄植株對生長素的響應能力，說明SlMYB52是番茄表皮組織發(fā)育的負調(diào)控因子[27]。R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子SlMYB75在II、V 和VI 型毛狀體中高度表達，過表達SlMYB75抑制了毛狀體的形成，導致番茄表皮毛減少，增強了番茄對紅蜘蛛的敏感性，說明SlMYB75是番茄表皮組織發(fā)育的負調(diào)控因子[28]。另外，MYB 轉(zhuǎn)錄因子也參與根毛組織的發(fā)育，CAPRICE（CPC）是一種R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子，在擬南芥中可促進擬南芥根毛分化，番茄SlTRY是AtCPC的同源基因，在擬南芥中過表達SlTRY會使擬南芥根毛增多，說明SITRY可以促進表皮細胞分化[29]。

3 MYB 轉(zhuǎn)錄因子在番茄次生代謝中的調(diào)控作用

次生代謝是指生物合成生命非必需物質(zhì)并儲存次生代謝產(chǎn)物的過程，大量MYB 轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控這一過程。苯丙烷類物質(zhì)是植物中通過苯丙氨酸酶催化反應生成的羥基芳香環(huán)的次生代謝物質(zhì)[30]，參與植物生成花和果實的顏色與氣味，保護植物抵抗各種生物及非生物脅迫[31]?；ㄇ嗨貙儆诒奖轭愇镔|(zhì)，是常見的植物色素，它是植物重要的抗氧化分子，有助于保護植物免受氧化損傷，并且營養(yǎng)價值很高。

花青素合成由兩類基因控制：一類是EBGs基因，包括CHI、CHS、FLS和F3H；另一類是LBGs基因，包括ANS、DFR和UGTs[32-33]。MYB 轉(zhuǎn)錄因子能直接促進相關(guān)基因表達，從而促進花青素的合成。LeAN2編碼番茄R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子，在煙草中CaMV35S 啟動子控制下的LeAN2過表達誘導了NtANS1、NtANS2和NtCHS花青素生物合成基因的表達，過表達煙草植株中的花青素含量顯著升高[34]，在番茄中過表達LeAN2發(fā)現(xiàn)花青素生物合成途徑中LeCHS1、LeCHS2、LeF3H和LeDFR結(jié)構(gòu)基因的上調(diào)，花青素含量明顯增加[35]。與野生型相比，過表達SlMYB113的番茄葉片背面呈現(xiàn)明顯的紫色，葉片中花青素的積累顯著增加[36]。以上研究結(jié)果表明LeAN2、SlMYB113均參與了番茄花青素合成過程的調(diào)控。過表達SlMYB75可有效改善番茄多種果實品質(zhì)性狀，使紅熟期果實花青素大量積累形成紫色的番茄果實[37-38]。

另外，過表達SlMYB75還能提高果實中的可溶性固形物、黃酮類物質(zhì)和酚類物質(zhì)的含量，一些香氣揮發(fā)物，如醛、苯丙烷衍生物和萜揮發(fā)物含量顯著增加[38]；倍半萜的積累減少[28]；增強果實的抗氧化性，延長貯藏時間，提高番茄對灰霉菌的抗性[37]。番茄植株中干擾SlMYB72的表達，綠色果皮上有一層墨綠色的斑點，而在紅色的果實上則有一種黃色的斑點，這表明果實中的葉綠素積累增多，而番茄紅素含量下降，促進β-胡蘿卜素和色素體的形成，并能提高果實中類黃酮的含量[39]。

木質(zhì)素是植物細胞壁的重要組成成分，其與纖維素一起可維持生物體形態(tài)。木質(zhì)素生物合成受R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，SlMYB4負調(diào)控番茄木質(zhì)素的合成，過表達SlMYB4番茄植株莖稈中木質(zhì)素含量顯著降低，qRT-PCR 檢測顯示木質(zhì)素合成相關(guān)基因4CL、PAL、CCR和C4H的表達量明顯下降。同時采用酵母單雜交方法，證明了SlMYB4能夠識別及特異性結(jié)合木質(zhì)素合成相關(guān)基因PAL2、4CL4的啟動子，直接誘導基因表達，說明SlMYB4在木質(zhì)素的合成過程中起著重要作用[40]。纖維素是植物生物質(zhì)的主要成分，由纖維素合酶復合物合成。前人研究發(fā)現(xiàn)SlMYB1、SlMYB2可以與纖維素合酶SlCESA4、SlCESA5、SlCESA6的啟動子結(jié)合激發(fā)轉(zhuǎn)錄，表明SlMYB1、SlMYB2是纖維素合成的正調(diào)控因子[41]。

4 MYB 轉(zhuǎn)錄因子在番茄生物與非生物脅迫中的調(diào)控作用

植物生長發(fā)育過程中不僅會受到病蟲害的危害，還會受到非生物脅迫的危害，它們不同程度地影響著植物生長發(fā)育及產(chǎn)量、品質(zhì)。大量研究結(jié)果表明，MYB 轉(zhuǎn)錄因子在植物生物與非生物脅迫中扮演著重要的角色，這些研究為植物抗病以及抗逆育種的研究提供了一定的科學依據(jù)。

在煙草中過表達番茄SpMYB基因能明顯降低尖孢鐮刀菌和灰霉病菌的致病率[42]。過表達SlMYB75番茄植株增加了茉莉酸（JA）的含量，激發(fā)了過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性，促進了JA 介導的信號通路清除灰霉病菌感染，表明SlMYB75 可增強番茄對灰霉病菌的抗性[43]。Li 等[44]通過病毒誘導SlMYB28沉默的番茄植株中番茄黃化曲葉病毒（TYLCV）的DNA 含量低于野生型植株，說明SlMYB28負調(diào)控TYLCV 基因的表達[44]。SlMYB49、SlMYBS2可以增強番茄對疫霉病的抗性，將R2R3-MYB 型轉(zhuǎn)錄因子SlMYB49在番茄中過表達，發(fā)現(xiàn)與野生型感病植株相比，轉(zhuǎn)基因植株壞死細胞數(shù)量減少、病變程度降低[45]。Liu 等[46]通過CRISPR/Cas9 技術(shù)敲除番茄SlMYBS2基因，轉(zhuǎn)基因植株壞死細胞數(shù)量增加、病變程度提高和疾病指數(shù)上升，對致病疫霉的抗性降低[46]。

冷害影響植物的生長發(fā)育甚至導致死亡，張露月[47]研究表明，SlMYB15是番茄耐寒性的正向調(diào)節(jié)因子，在4 ℃低溫處理后，過表達SlMYB15番茄植株抗冷性高于野生型，而用CRISPR/Cas9 技術(shù)培育的myb15基因突變株的耐寒能力明顯下降。CBF基因可以調(diào)控大量抗冷基因的表達，是植物受到低溫脅迫存活的關(guān)鍵。寒冷刺激冷反應中關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子CBF的表達可以激活眾多下游COR（冷反應）基因的表達[48]。SlMYB15可以與HY5、CBFs形成HY5-MYB15-CBFs 轉(zhuǎn)錄復合體共同應對冷害反應，促進抗冷基因轉(zhuǎn)錄表達，從而提高番茄的抗寒性[47]。與野生型相比，過表達SlMYB102番茄植株冷反應基因SlCBF1、SlCBF3、SlDREB1、SlDEB2和SlICE1的表達增強，說明SlMYB102是冷脅迫抗性的正調(diào)控因子[49]。低溫脅迫下，與野生型相比過表達SlMYB41番茄植株耐寒性降低，而RNAi 沉默植株抗性增強，這表明SlMYB41是番茄低溫抗性的負調(diào)控因子，qRT-PCR 分析過表達植株、沉默植株與野生型植株SlCBF1、SlCBF2和SlCBF3的表達量，顯示沒有明顯差異，推測SlMYB41可能通過不依賴CBF信號通路調(diào)控番茄的低溫抗性[50]。低溫脅迫下，過表達SlMYB113番茄植株和野生型番茄植株的丙二醛（MDA）積累量和相對電導率（REC）都上升，但是過表達植株的增加量明顯低于野生型，這說明在低溫脅迫下過表達植株的細胞膜受損程度低，對低溫耐受力更高，表明SlMYB113 是低溫抗性的正調(diào)控因子[36]。

土壤鹽堿化是限制植物生長發(fā)育的重要非生物脅迫之一，鹽脅迫可導致離子脅迫、植物細胞滲透失衡、pH 值過高，尤其是細胞內(nèi)部氧化對植物的危害非常大[51]，MYB 轉(zhuǎn)錄因子通過基因間的相互作用來調(diào)節(jié)植物耐鹽性。在鹽脅迫下，野生型幼苗比SlMYB86-RNAi幼苗的莖長、根長和苗的質(zhì)量明顯增加；對SlMYB86-RNAi的T2 代幼苗進行高濃度鹽處理后，SlMYB86-RNAi幼苗萎蔫得更慢。在SlMYB86-RNAi幼苗的根中，與抗鹽性有關(guān)基因PR1、PR5、GME2、P5CS、Cat1、Cat2、TAS14 及ER5的表達量顯著增加，沉默SlMYB86基因可以增強番茄對鹽脅迫的耐受性，這表明SlMYB86是抗鹽性的負調(diào)控因子[23]。在鹽脅迫下，SlMYB102的過表達能提高ROS 清除酶的活性，過表達植株抗氧化劑的含量增加，脯氨酸（Pro）的含量也比野生型高，參與鹽脅迫相關(guān)基因SlHAK5、SlNHX3、SlNHX4、SlSOS1、SlSOS2、SlCPK1和SlCPK3的表達量增加，表明SlMYB102參與了調(diào)控番茄鹽脅迫反應[52]。

干旱嚴重影響植物的生長發(fā)育及產(chǎn)量，利用VIGS 技術(shù)驗證SlMYB14基因的功能，發(fā)現(xiàn)與野生型相比，沉默SlMYB14基因番茄植株的抗旱能力減弱，表明SlMYB14是番茄面對干旱脅迫的正調(diào)控因子[53]。SlMYB86負調(diào)控番茄的抗旱性，與野生型幼苗相比，SlMYB86-RNAi幼苗對干旱脅迫的耐受性更強，葉片失水速率和丙二醛（MDA）含量比野生型更低，而其相對水分、葉綠素含量則明顯高于野生型，這表明沉默SlMYB86基因增強了番茄植株的抗旱能力[23]。SlMX1編碼番茄MYB 轉(zhuǎn)錄因子，過表達SlMX1番茄植株的耐旱性顯著增強，與野生型相比果實品質(zhì)也得到了改善，而敲除SlMX1基因的番茄植株表型與之相反，表明SlMX1可以提高番茄的抗旱能力[54]。

5 展 望

MYB 基因家族是植物中最龐大的轉(zhuǎn)錄因子之一，目前對R1R2R3-MYB、4R-MYB 轉(zhuǎn)錄因子的研究較少，僅在個別植物中被研究，例如擬南芥R1R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子Rep-MYBs通過抑制細胞分裂來響應DNA 損傷[55]，獼猴桃R1R2R3-MYB 轉(zhuǎn)錄因子AcMYB3R增強轉(zhuǎn)基因擬南芥的耐旱性和耐鹽性[56]。今后在進行番茄MYB 轉(zhuǎn)錄因子研究時，可以重點發(fā)掘R1R2R3-MYB、4R-MYB 轉(zhuǎn)錄因子的功能。此外，不同基因之間可能存在著相關(guān)性，目前大多數(shù)的重點都是研究單一MYB 轉(zhuǎn)錄因子在單一條件下的功能，對于多個基因、多個外部條件作用下MYB 轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用研究較少，不能完全準確地反映植物基因表達的內(nèi)在規(guī)律。隨著RNA-seq 技術(shù)的興起，在單個MYB 轉(zhuǎn)錄因子的研究中，可以對基因表達量進行差異分析，更全面地分析基因表達的內(nèi)在規(guī)律及植物的代謝通路。隨著分子生物學的快速發(fā)展，基因組學在農(nóng)業(yè)中的應用成效顯著，植物MYB 轉(zhuǎn)錄因子未來的研究領(lǐng)域更為廣泛。

抗逆性與果實發(fā)育一直是番茄的主要研究方向，在擬南芥中，AtMYB94和AtMYB96參與干旱響應，干旱誘導表皮蠟質(zhì)生物合成需要AtMYB94和AtMYB96的參與，通過直接促進相關(guān)蠟質(zhì)生物合成基因的表達，激活表皮蠟質(zhì)生物合成以應對干旱[57-58]。然而在番茄抗逆性研究中，MYB 與表皮蠟質(zhì)形成的相關(guān)性仍不明確。MYB 與番茄果實發(fā)育的相關(guān)性主要集中于花青素的合成，李鈴[23]研究發(fā)現(xiàn)與野生型番茄植株相比，SlMYB86-RNAi植株的花序分枝多，花數(shù)量多，但坐果率無顯著差別，從而提高了單株產(chǎn)量，因此進一步探討與番茄果實發(fā)育和品質(zhì)形成相關(guān)的MYB，對提高番茄品質(zhì)及產(chǎn)量有重要意義。

通過分子育種的方法來控制基因的表達以改良植物性狀，為培育優(yōu)良品種提供理論依據(jù)和種質(zhì)資源，是植物育種發(fā)展的重要方向。傳統(tǒng)育種方式改良植物性狀耗時久、工作量大且育種結(jié)果存在著不確定性，不能滿足當今植物育種的需求。而分子育種可以快速定向修飾植物基因，極大地提高了育種效率。MYB 轉(zhuǎn)錄因子不僅參與調(diào)控植物生長發(fā)育，而且對植物抵抗外界不良環(huán)境發(fā)揮著重要的作用，MYB 轉(zhuǎn)錄因子的研究為培育高產(chǎn)品種、抗逆品種提供了重要的理論依據(jù)。