bZIP 轉(zhuǎn)錄因子提高植物抗逆性研究新進展

郝紅燕，?；弁?，呂山花，樊穎倫，李海云

（聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東 聊城 252059）

植物在生長發(fā)育過程中經(jīng)常遭遇干旱、高鹽、高溫、低溫、營養(yǎng)缺乏等非生物脅迫以及病害、蟲害、雜草等生物脅迫[1]，造成作物根系活力降低、細胞膜透性增加、葉綠素含量下降、光合作用變?nèi)酢⒖寡趸富钚韵陆档?，使得作物生長受到抑制，最終導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2?4]。為應(yīng)對這些逆境脅迫，植物在分子、細胞、生理和生化水平上進化出了不同的調(diào)節(jié)機制，其中利用轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控逆境相關(guān)基因的表達，從而抵御脅迫傷害是一種最重要的防御機制[5?6]。研究者已在植物中發(fā)現(xiàn)64 種轉(zhuǎn)錄因子[7]，其中，很多轉(zhuǎn)錄因子家族參與植物逆境脅迫響應(yīng)，調(diào)控植物的抗逆性，例如：MYB（v?myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）[8]、bZIP（Basic leucine zippers）[9]、bHLH（Basic helix?loop?helix protein）[10]、NAC（No apical meristem，ATAF1/2 and cup?shaped cotyledon）[11]、WRKY[12]等。其中，bZIP 轉(zhuǎn)錄因子是高等植物中數(shù)量龐大，并且十分保守的基因家族之一。在不同植物中，bZIP 轉(zhuǎn)錄因子成員數(shù)量有所差異，其中，擬南芥（Arabidopsis thaliana）中發(fā)現(xiàn)了78 個成員[13]，在玉米（Zea maysL.）[14]、小麥（Triticum aestivumL.）[15]、大豆（Glycine maxL.）[16]、陸地棉（Gossypium hirsutumL.）[17]中分別發(fā)現(xiàn)了125、187、160、151 個成員。研究發(fā)現(xiàn)，bZIP 轉(zhuǎn)錄因子參與多種生物學(xué)過程，如調(diào)控植物生長發(fā)育，包括種子的萌發(fā)[18]，植物根、莖等各個器官的生長和發(fā)育[19?22]，植物衰老[21?22]，光信號傳導(dǎo)[23]；參與植物對生物[24?26]和非生物脅迫[27?28]的響應(yīng)等。超表達[29?30]或者沉默其表達[31]可以提高植物對非生物和生物脅迫的抗性。對bZIP轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、分類及其提高植物對非生物脅迫（干旱、高溫、低溫、高鹽、營養(yǎng)缺乏等）和生物脅迫抗性等方面的最新研究進展進行了較全面地綜述，以期為bZIP轉(zhuǎn)錄因子的應(yīng)用及植物抗逆遺傳改良提供參考。

1 bZIP轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)及分類

1.1 bZIP轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)

bZIP 轉(zhuǎn)錄因子的保守結(jié)構(gòu)域由60～80 個氨基酸殘基組成，包含堿性氨基酸區(qū)和亮氨酸拉鏈區(qū)，這2 個區(qū)域在結(jié)構(gòu)和功能上是不同的[32]。堿性氨基酸區(qū)域的序列高度保守，由大約16個氨基酸殘基組成，基序不變，為N-X7-R/K-X9，負責(zé)識別啟動子上的特定序列并與之結(jié)合[33]。亮氨酸拉鏈區(qū)域是由1個或多個含有7 個氨基酸殘基的重復(fù)區(qū)組成，其中，每個重復(fù)區(qū)的第7位是亮氨酸，其余的氨基酸包括異亮氨酸、蛋氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸等，該區(qū)域可介導(dǎo)bZIP蛋白的同源或異源二聚體的形成，具有轉(zhuǎn)錄激活或抑制功能[5，34]。

1.2 bZIP轉(zhuǎn)錄因子的分類

JAKOBY 等[9]根據(jù)bZIP 堿性氨基酸區(qū)的序列相似性，將擬南芥75 個bZIP 基因分為10 個亞家族（A—I 和S）[9]。DR?GE-LASER 等[13]在此基礎(chǔ)上添加了bZIP76—bZIP79，并排除了1 個假基因（bZIP73），根據(jù)bZIP 和其他保守序列的相似性進行分組，增加了3 個亞家族，即M、K 和J。后來，參照擬南芥bZIP 基因家族的分類標(biāo)準(zhǔn)，將大豆的160 個bZIP基因分為12個亞家族（A—K 和S）[16]，陸地棉的151 個bZIP 基因分為12 個亞家族（A—I、K、N 和S）[17]，甘薯（Ipomoea batatasL.）的87 個bZIP 基因分為12 個亞家族（A—K 和S）[35]，高粱（Sorghum bicolorL.）的92 個bZIP 基因分為10 個亞家族（A—I 和S）[36]，核桃（Juglans regiaL.）的88 個bZIP 基因分為13 個亞家族（A—K、M 和S）[37]，油菜（Brassica napusL.）的247 個bZIP 基因分為10 個亞家族（A—I 和S）[38]，馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）的56 個bZIP 基因分為10 個亞家族（A—J）[39]，番茄（Solanum lycopersicumL.）的76 個bZIP 基因分成16 個亞家族（A—O 和S）[40]，楊樹（Populus trichocarpaL.）的86 個bZIP基因分為12個亞家族（A—J、M和S）[41]等。

2 bZIP轉(zhuǎn)錄因子提高植物抗非生物脅迫研究新進展

植物在生長發(fā)育過程中會遇到各種非生物脅迫，包括干旱、高鹽、高溫、低溫、營養(yǎng)缺失等，這些不利的環(huán)境條件會嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育。在長期進化過程中，植物形成了一套響應(yīng)和防御逆境脅迫的機制。研究發(fā)現(xiàn)，超表達[26，42?43]或者沉默[44?45]bZIP 基因可以提高植物對上述非生物脅迫的抗性。

2.1 干旱脅迫

干旱脅迫是降低作物產(chǎn)量的主要因素之一。過表達葡萄（Vitis labruscaL.）VlbZIP36基因使擬南芥在種子萌發(fā)、幼苗和成熟階段表現(xiàn)出脫水耐受性，這主要是因為超表達VlbZIP36基因減少了擬南芥植株的細胞死亡量，降低了電解質(zhì)滲漏率，提高了抗氧化酶活性和調(diào)控了脫落酸（Abscisic acid，ABA）相關(guān)基因的表達量，說明VlbZIP36 通過提高植株抗氧化能力和調(diào)控ABA 相關(guān)基因的表達量來增強擬南芥的抗旱性[46]。干旱脅迫下，過表達OsbZIP42基因使水稻（Oryza sativaL.）中對ABA 敏感的LEA3（Late embryogenesis abundant group 3）和Rab16（Ras?like in rat brain 16）基因表達量提高，進而增強了水稻對干旱脅迫的耐受性[47]。與野生型相比，過表達小麥TabZIP174基因使擬南芥植株在干旱脅迫下的失水率降低，葉片脯氨酸、可溶性糖和葉綠素含量升高，且干旱脅迫響應(yīng)基因的表達量提高[48]。在干旱脅迫下，沉默SlbZIP1基因?qū)е路阎仓曛蠥BA 生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因的表達量降低，表明SlbZIP1正調(diào)控植物的抗旱性[49]。過表達CsbZIP50基因使黃瓜（Cucumis sativusL.）植株耐旱性增強，主要表現(xiàn)在抗氧化酶活性升高，活性氧（Reactive oxygen species，ROS）和 丙 二 醛（Malondialdehyde，MDA）含量下降，對外源ABA 的敏感性增強，應(yīng)激相關(guān)基因的表達量提高，說明CsbZIP50 通過提高植株抗氧化能力和調(diào)控ABA 相關(guān)基因的表達量來增強黃瓜對干旱脅迫的耐受性[50]。蘋果（Malus domestica）C/S1 bZIP 網(wǎng)絡(luò)（包括MdbZIP2、MdbZIP39 和MdbZIP80）直接抑制了MdIPT5b（Isopentenyl transferase 5b）基因的表達，進而使轉(zhuǎn)基因蘋果愈傷組織和番茄幼苗的耐旱性提高[51]。上述研究結(jié)果不僅表明bZIP 轉(zhuǎn)錄因子在植物抗旱響應(yīng)過程中具有重要作用，也為通過基因工程技術(shù)利用bZIP 轉(zhuǎn)錄因子提高作物的抗旱能力提供了參考。

2.2 鹽脅迫

土壤高鹽脅迫被認為是一種主要的環(huán)境脅迫，其限制植物生長，降低作物產(chǎn)量[52?53]。因此，提高植物的耐鹽性迫在眉睫。過表達藍莓（Vacciniumspp.）VabZIP12基因提高了擬南芥植株中抗氧化酶活性和氧化應(yīng)激相關(guān)基因的表達量，進而提高了擬南芥植株的耐鹽性[54]。過表達大豆GmbZIP2基因擬南芥植株在鹽脅迫下的存活率顯著高于野生型，轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片的MDA含量和相對電導(dǎo)率降低，進而增強了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性[55]。在鹽脅迫下，過表達辣椒（Capsicum annuumL.）CabZIP25基因使擬南芥發(fā)芽率、鮮質(zhì)量、葉綠素含量和根長均高于野生型，沉默CabZIP25基因使辣椒在鹽脅迫下葉綠素含量低于野生型，可知CabZIP25 正調(diào)控植物的耐鹽性[56]。過表達甘薯IbbZIP1基因提高了鹽脅迫下擬南芥植株中ABA、脯氨酸合成和ROS 清除系統(tǒng)相關(guān)基因的表達量，進而提高了擬南芥植株的耐鹽性[57]。在鹽脅迫下，過表達苦蕎（Fagopyrum tataricumL.）FtbZIP5基因提高了擬南芥植株中ABA 響應(yīng)基因（RD29A、RD29B、RAB18、RD26、RD20和COR15）的表達水平，進而提高了擬南芥植株的耐鹽性[58]。過表達TabZIP15基因使小麥植株在300 mmol/L NaCl處理20 d 后萎蔫程度明顯低于野生型；通過雙分子熒光互補試驗發(fā)現(xiàn)，TabZIP15與烯醇化酶TaENO-b相互作用，參與糖酵解和糖異生途徑的調(diào)控，從而提高小麥的耐鹽性[59]。同樣，過表達馬鈴薯StbZIP65基因使擬南芥的耐鹽性也有所提高[60]。

2.3 高溫脅迫

高溫抑制作物的生長，并在世界范圍內(nèi)造成巨大的產(chǎn)量損失。過表達小麥TabZIP60s基因提高了擬南芥植株中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)基因的表達量，進而提高了植株的耐熱性[61]。同樣地，過表達bZIP60基因也使玉米[62]和番茄[63]的耐熱性提高。過表達小麥TabZIP28基因提高高溫脅迫下擬南芥植株的成活率和種子發(fā)芽率，提高了擬南芥的耐熱性[64]。小麥中bZIP 成員TaOBF1-5B（Ocs?element binding factor 1?5B）與細胞核中的TaHSP90（Heat shock protein 90）以及核仁和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的TaSTI（Stress?induced protein）相互作用，提高了應(yīng)激反應(yīng)基因的表達量，從而提高了植物的耐熱性[65]。

2.4 低溫脅迫

低溫脅迫會破壞細胞膜，增加體內(nèi)ROS 含量，從而影響植物的生長和生理狀態(tài)。過表達小麥TaABI5（TabZIP96）基因提高了擬南芥中冷響應(yīng)基因的表達量，進而提高了擬南芥的抗凍性[66]。小麥TabZIP6 通過與CBFs（C?repeat binding factors）的啟動子結(jié)合，降低下游COR（Cold?regulated）基因的表達，增強對低溫的敏感性，是冷脅迫反應(yīng)的負調(diào)控因子[67]。玉米ZmbZIP68 也是冷脅迫反應(yīng)的負調(diào)控因子，bZIP68 與MPK8（Mitogen?activated protein kinase 8）相互作用，不僅提高了bZIP68 蛋白在4 ℃下的穩(wěn)定性，而且提高其與DREB1（Dehydration?responsive element?binding protein 1）基因啟動子的結(jié)合能力，抑制了冷誘導(dǎo)的DREB1基因的表達[68]。在低溫條件下，過表達茶樹（Camellia sinensisL.）CsbZIP18基因減弱了擬南芥植株對ABA 的敏感性，提高了相對電解質(zhì)滲漏率，降低光系統(tǒng)Ⅱ的最大量子效率（Fv/Fm），抑制與ABA 穩(wěn)態(tài)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和非生物脅迫相關(guān)基因RD22（Responsive to dehydration protein 22）、RD26（Responsive to dehydration protein 26）和RAB18（Ras?like in rat brain 18）的表達量，說明CsbZIP18 是依賴于ABA 途徑的耐冷性負調(diào)控因子[69]。在蘋果中，MdHY5（Elongated hypocotyl 5）通過與MdCBF1啟動子的G-Box 序列結(jié)合，正向調(diào)控MdCBF1的轉(zhuǎn)錄；同時，MdHY5 還調(diào)控CBF 冷調(diào)控基因的表達量，推斷MdHY5 通過依賴CBF 和不依賴CBF 途徑正向調(diào)節(jié)植物耐冷性[70]。在菊花[Dendranthema gradifolium（Ramat）Kitam] 中 ，DgbZIP3 與DgbZIP2 相互作用，調(diào)控DgPOD（Peroxidase）的表達，提高抗氧化酶活性，調(diào)節(jié)ROS平衡，從而提高菊花對低溫脅迫的耐受性[71]。

2.5 營養(yǎng)脅迫

植物在生長發(fā)育過程中需要各種營養(yǎng)元素，包括大量元素和微量元素。已報道的與營養(yǎng)元素脅迫相關(guān)的bZIP 轉(zhuǎn)錄因子較少，主要集中于磷（Phosphorus，P）、氮（Nitrogen，N）、鐵（Ferrum，F(xiàn)e）和鋅（Zinc，Zn）方面。研究發(fā)現(xiàn)，bZIP44基因參與植物缺鐵脅迫應(yīng)答，可直接調(diào)節(jié)NAS2（Nicotianamine synthase 2）和MYB10基因的表達量，進而提高植物在缺鐵脅迫下的耐受能力[72]。在缺鐵條件下，過表達bZIP44基因使擬南芥植株葉片葉綠素含量顯著高于野生型，可見bZIP44正調(diào)控植物對缺鐵的耐受性[72]。在缺鋅條件下，過表達AtbZIP19提高了擬南芥植株中參與根系吸收鋅的ZIP9等基因的表達量，AtbZIP19缺失突變體對鋅脅迫的敏感性明顯高于野生型，表明AtbZIP19 正向調(diào)控植物對缺鋅的耐受性[73]。同樣在擬南芥中，AtbZIP19 的同源蛋白AtbZIP23 也正向調(diào)控植物對缺鋅的耐受性[74]。與AtbZIP19 和AtbZIP23 相似度最高的水稻OsbZIP48也是缺鋅響應(yīng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[75]。超表達擬南芥AtTGA4基因提高了小麥低磷脅迫條件下莖稈磷含量、莖葉籽?？偭缀?，說明超表達AtTGA4基因可以改善轉(zhuǎn)基因小麥對磷的吸收和運輸，增強轉(zhuǎn)基因小麥對低磷脅迫的耐受性，提高低磷脅迫條件下的小麥產(chǎn)量[76]。

3 bZIP轉(zhuǎn)錄因子提高植物抗生物脅迫研究新進展

bZIP 轉(zhuǎn)錄因子不僅在植物響應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮重要作用，還參與調(diào)控植物的生物脅迫。過表達葡萄VvbZIP60基因提高了擬南芥植株中水楊酸（Salicylic acid，SA）的積累量，上調(diào)SA 信號通路中病程相關(guān)基因PR1（Pathogenesis related 1）的表達量，增強了對白粉病的抗性[77]。通過對盾殼霉（Coniothyrium minitans）中的bZIP 基因家族進行分析，發(fā)現(xiàn)CmbZIP基因在非生物脅迫反應(yīng)、分生孢子形成和應(yīng)對真菌寄生中起重要作用，進而增強對病原菌的抗性[78]。小麥TabZIP1通過乙烯/茉莉酸甲酯依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑增強對條銹病病原體（Puccinia striiformisf.sp.tritici）感染的應(yīng)激耐受性和防御反應(yīng)[79]。大豆GmbZIP15 通過調(diào)節(jié)抗氧化防御系統(tǒng)和植物激素信號傳導(dǎo)增加了對核盤菌（Sclerotinia sclerotiorum）和疫霉菌（Phytophthora sojae）的抗性[80]。過表達西洋參（Panax quinquefoliusL.）PqbZIP1基因提高了番茄和本氏煙草中茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、水楊酸和脫落酸含量，進而抑制了丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）和鐮刀菌（Fusariumspp.）的生長，在接種鐮刀菌后，PqbZIP1基因的表達量持續(xù)增加，表明PqbZIP1 可能介導(dǎo)多種激素信號通路來調(diào)節(jié)西洋參對根腐病的抗性[81]。過表達辣椒CabZIP1基因增強了擬南芥對丁香假單胞菌的抗性[82]?；页嵋苟辏⊿podoptera littoralis）和草地貪夜蛾（Spodoptera frugiperda）的幼蟲侵害擬南芥和玉米，導(dǎo)致植株受傷害，過表達向日葵（Helianthus annuus）HD-Zip 轉(zhuǎn)錄因子基因HAHB4（Homeobox 4）使擬南芥和玉米植株上的幼蟲數(shù)量減少，且幼蟲的體質(zhì)量也有所降低，表明過表達HAHB4基因增強了轉(zhuǎn)基因擬南芥和玉米的抗蟲能力[83]。過表達擬南芥ATHB13基因使擬南芥植株對病原菌如白粉菌（Oidium neolycopersici）、霜霉菌（Hyaloperonospora arabidopsidis）和昆蟲如桃蚜（Myzus persicae）的抗性增強，但其保留了對丁香假單胞菌的易感性，說明ATHB13基因在植物響應(yīng)生物脅迫應(yīng)答中可能具有雙重作用[84]。

4 展望

bZIP 轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，在植物抵御干旱、高鹽、低溫、高溫等非生物脅迫以及病蟲害等生物脅迫中具有十分重要的調(diào)控作用。目前，已成功利用基因工程技術(shù)在多種植物中通過過表達bZIP基因提高了植物抗性，為植物抗逆性改良奠定了堅實的基礎(chǔ)。但是，該領(lǐng)域仍存在一些亟待解決的問題。首先，許多學(xué)者通過生物信息學(xué)手段對多種植物bZIP 家族進行系統(tǒng)分析并對其家族成員中基因結(jié)構(gòu)域、順式作用元件、染色體分布等進行分析，預(yù)測每個成員的生物學(xué)功能，但具體功能驗證較少。因此，之后可以加強對bZIP基因的功能驗證，以便找到提高植物抗逆性的優(yōu)良基因。其次，目前對bZIP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)和功能的研究已經(jīng)取得了一些進展，但具體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)不是十分明確，內(nèi)在聯(lián)系也需要進一步深入探索，特別是在與其他轉(zhuǎn)錄因子（bHLH、WRKY、NAC 和MYB 等）相互作用以共同響應(yīng)植物脅迫時，是一個轉(zhuǎn)錄因子起主要作用還是幾個轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同工作。此外，目前對部分bZIP基因功能研究較明確，但對于信號通路之間的調(diào)控機制并不十分清楚，例如上游調(diào)控信號是什么，如何調(diào)控下游基因的表達，互作蛋白如何形成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)等問題均有待解決。因此，可以通過基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)手段對其進行深入研究，以期對bZIP 的逆境調(diào)控機制進行更細致全面地闡釋。除此之外，對bZIP轉(zhuǎn)錄因子的研究主要集中在模式植物上，對其他植物的研究較少，特別是瀕危植物。因此，需要對bZIP轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)在機制進行深入研究，利用基因工程技術(shù)增強植物抗逆能力，培育更多抗性新品種，并將其應(yīng)用于瀕危植物中，以應(yīng)對當(dāng)前復(fù)雜多變的環(huán)境。綜上所述，研究bZIP轉(zhuǎn)錄因子具有重要的理論和現(xiàn)實意義。