WRKY 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物養(yǎng)分吸收利用及重金屬解毒的研究進(jìn)展

鄧雅茹，柳 燕，吳麗霞，李方劍,2，李鐵梅，王金祥,2*

（1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 / 根系生物學(xué)研究中心，廣東廣州 510642；2 廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點實驗室，廣東廣州 510642；3 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，廣東廣州 510642）

植物主要從土壤中獲取營養(yǎng)物質(zhì)來保證其生長發(fā)育。在整個生命進(jìn)程中，植物會遇到各類不利于自身生長發(fā)育的環(huán)境條件，比如因土壤養(yǎng)分虧缺或有毒元素過量無法維持其正常生理活動。為了適應(yīng)這類非生物脅迫的影響，植物進(jìn)化出了精細(xì)復(fù)雜的生理和分子機(jī)制來調(diào)節(jié)自身對外界環(huán)境變化的響應(yīng)[1]。轉(zhuǎn)錄因子(transcription factor，TF)是植物信號通路的重要組分，它是一類能與DNA 序列特異性結(jié)合的蛋白，可以在細(xì)胞核激活或抑制下游基因的轉(zhuǎn)錄，在植物各個生長發(fā)育階段協(xié)調(diào)應(yīng)對不同環(huán)境和內(nèi)部信號[2]。根據(jù)TF 與DNA 結(jié)合區(qū)域的不同，可以將它們劃分為不同的基因家族，植物中比較典型的有WRKY、MYB、bZIP、bHLH、NAC 等TF 家族[3]，它們都在植物的生長發(fā)育階段和響應(yīng)脅迫、抗病抗蟲等方面發(fā)揮著重要的生物學(xué)功能。

植物基因組編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因較多，目前發(fā)現(xiàn)擬南芥和水稻基因組分別編碼約2100 和2300 個轉(zhuǎn)錄因子[4]。WRKY 轉(zhuǎn)錄因子是植物所特有的，是調(diào)控植物適應(yīng)生物和非生物逆境的最大基因家族之一。1994 年，科學(xué)家們首次在甘薯(Impoeabatatas)的塊根發(fā)現(xiàn)植物中第一個編碼WRKY 蛋白的基因SPF1(SWEETPOTATOFACTOR1)的cDNA，并將其分離出來[5]。自那以后，越來越多的WRKY 家族成員陸續(xù)從其他植物中被鑒定出來。到目前為止，擬南芥(Arabidopsisthaliana)、大豆(Glycinemax)和水稻(Oryzasativa)基因組中分別有74、182 和109個WRKY 家族成員被鑒定出來[6-8]。大量的研究證明，WRKY 家族的轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、應(yīng)對各種環(huán)境脅迫方面具有舉足輕重的作用。WRKY參與調(diào)控植物在不同發(fā)育階段遇到的各種生物脅迫與非生物脅迫響應(yīng)，如干旱[9]、鹽害[10]、寒冷[9]、高溫[11]、養(yǎng)分匱乏、病原體感染[12]等。例如AtWRKY33 和GmWRKY144 等轉(zhuǎn)錄因子被證明參與調(diào)控擬南芥和大豆應(yīng)對鹽脅迫[13-14]，擬南芥WRKY45和WRKY75 調(diào)控應(yīng)答低磷養(yǎng)分脅迫[15-16]，擬南芥WRKY53、WRKY54 和WRKY70 通過參與同一個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)葉片的衰老過程[17]，水稻的WRKY45參與調(diào)節(jié)水稻對稻瘟病的抗性免疫反應(yīng)[18-19]。

顯然，深入解碼WRKY 是如何調(diào)控植物應(yīng)答養(yǎng)分脅迫以及重金屬毒害的生理和分子機(jī)制具有重要的理論意義，對于環(huán)境友好型和資源節(jié)約型低碳農(nóng)業(yè)的發(fā)展，以及保障糧食和食品安全方面具有重要的實踐意義。鑒于有關(guān)WRKY 在擬南芥、大豆、水稻等植物氮、磷、鉀、硫、硼等養(yǎng)分吸收利用以及響應(yīng)鎘毒鋁毒等方面的研究較多，因此本文將主要聚焦綜述近年來WRKY 轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控植物吸收利用氮、磷、鉀、硫、硼等養(yǎng)分以及應(yīng)對鎘毒鋁毒等方面的研究進(jìn)展。

1 WRKY 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征

1.1 WRKY 的結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)錄因子能夠通過與基因5'端上游啟動子內(nèi)某些特定結(jié)構(gòu)(如上游的調(diào)控元件)特異性結(jié)合，抑制或誘導(dǎo)目的基因的表達(dá)，最終促使植物對外界信號做出反應(yīng)。WRKY 轉(zhuǎn)錄因子一般含1 個由約60 個氨基酸組成的WRKY 結(jié)構(gòu)域[19]。其N 端是一個由絕對保守的七肽WRKYGQK 組成的氨基酸基序，其中前4 個氨基酸“WRKY”為保守結(jié)構(gòu)域中的最高保守區(qū)域(圖1)，故將這類蛋白質(zhì)家族簡稱為WRKY 家族[20]。肽鏈中氨基酸殘基的特征基團(tuán)通過與Zn2+結(jié)合，形成指狀的多肽空間構(gòu)型，稱為“鋅指結(jié)構(gòu)”，具有此類結(jié)構(gòu)的蛋白一般與調(diào)控基因表達(dá)相關(guān)。WRKY轉(zhuǎn)錄因子的C 端有一個為C2H2型(C-X4-5-C-X22-23-HX1-H)或者C2-HC 型(C-X7-C-X23-H-X1-C)的鋅指蛋白結(jié)構(gòu)(圖2)[21]。

圖1 WRKY 的保守結(jié)構(gòu)域Fig.1 Conservative domains of WRKY

圖2 植物中常見的鋅指結(jié)構(gòu)Fig.2 Zinc finger structure of commonly found in plants

1.2 WRKY 下游基因啟動子區(qū)的W-box 順式元件

研究揭示，WRKY 蛋白通過靶基因啟動子中的順式作用元件W-box (5'-[T]TGAC[C/T]-3')與DNA進(jìn)行特異性結(jié)合，誘導(dǎo)或抑制下游基因的表達(dá)，發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能，其中“TGAC”被稱為不變的核心序列[21]。研究揭示，WRKY 轉(zhuǎn)錄因子主要通過與Wbox 的特異性結(jié)合，調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)而影響植物的生長發(fā)育，因此W-box 可以用于預(yù)測WRKY 的靶基因。有研究表明，若WRKY 結(jié)構(gòu)域中的保守序列WRKYGQK 突變或W-box 中的任一核苷酸發(fā)生改變，WRKY 與DNA 的結(jié)合活性就會很大程度地降低甚至消失，而C 端的鋅指結(jié)構(gòu)中保守的半胱氨酸(cysteine, Cys)和組氨酸(histidine, His)殘基被取代則會消除它們的DNA 結(jié)合活性[22]。不同的WRKY轉(zhuǎn)錄因子，結(jié)合的W-box 附近的序列也存在差異，這會在一定程度上影響WRKY 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的選擇性和強(qiáng)度[23]。

1.3 WRKY 的分類

盡管WRKY 轉(zhuǎn)錄因子中的各種結(jié)構(gòu)都是高度保守的，但是根據(jù)其所結(jié)合的結(jié)構(gòu)域數(shù)量以及鋅指結(jié)構(gòu)類型的不同，其與DNA 的結(jié)合都會發(fā)生變化?？梢詫RKY 轉(zhuǎn)錄因子分為3 大類，其中最大的類群是第II 類[14]。第I 類的WRKY 轉(zhuǎn)錄因子含有兩個WRKY 結(jié)構(gòu)域和C2H2型的鋅指結(jié)構(gòu)，此類WRKY轉(zhuǎn)錄因子主要是通過C 端的WRKY 結(jié)構(gòu)域與W-box進(jìn)行特異性結(jié)合[24]，比如SPF1、AtWRKY45 等轉(zhuǎn)錄因子。第II 類的WRKY 轉(zhuǎn)錄因子含有一個WRKY結(jié)構(gòu)域和C2H2型的鋅指結(jié)構(gòu)，比如AtWRKY42、GmWRKY75 等轉(zhuǎn)錄因子。此外，根據(jù)不同的氨基酸序列，可以將第II 類WRKY 轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)一步劃分為IIa、IIb、IIc、IId、IIe 等5 個亞組[25]。第III 類的WRKY 轉(zhuǎn)錄因子含有1 個WRKY 結(jié)構(gòu)域和C2-HC型的鋅指結(jié)構(gòu)[26]，比如AtWRKY46、GmWRKY58、OsWRKY74 等轉(zhuǎn)錄因子。在擬南芥WRKY 蛋白中，32 個WRKY 屬于第I 類，26 個屬于第II 類，14個屬于第III 類[27]。32 個大豆WRKY 屬于第I 類，130 個屬于第II 類，26 個屬于第III 類[28]。WRKY 家族中3 個亞類的WRKY 均能通過與靶基因啟動子區(qū)域中的順式元件W-box 特異性結(jié)合來調(diào)控下游基因的表達(dá)。

2 WRKY 在調(diào)控植物養(yǎng)分吸收利用過程中的作用

近年研究發(fā)現(xiàn)，GmWRKY31 與GmHDL56 的互作會增強(qiáng)大豆對疫霉根腐病的抗性[29]。GmWRKY54轉(zhuǎn)入擬南芥后，可以通過對DREB2A和STZ/Zat10等基因進(jìn)行調(diào)控，提高擬南芥對鹽脅迫和干旱的抗性[30]。StWRKY45 參與調(diào)控柱花草(Stybsanthesguianensis)響應(yīng)低磷脅迫[31]。鑒于有關(guān)WRKY 在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和生物逆境方面的研究較多，本文主要介紹擬南芥、大豆和水稻的WRKY 轉(zhuǎn)錄因子在植物吸收利用氮、磷、鉀、硫等養(yǎng)分以及響應(yīng)鎘毒、鋁毒等脅迫的重要調(diào)控作用。

2.1 WRKY 調(diào)控氮營養(yǎng)

氮(N)是植物生長發(fā)育過程中最重要的大量營養(yǎng)元素之一，是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、葉綠素、核酸和各種生物酶等許多重要有機(jī)化合物的組成成分，在各個方面影響著植物的代謝和生長發(fā)育過程。植物主要通過根系來獲取土壤中以硝態(tài)氮(NO3-)和銨態(tài)氮(NH4+)形式存在的無機(jī)氮養(yǎng)分。而土壤中能被植物直接利用的無機(jī)氮僅占總量的1%～2%，且無機(jī)氮容易淋失和揮發(fā)，還會被土壤中的粘土礦物和有機(jī)質(zhì)固定，所以土壤中的有效氮對植物來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，了解WRKY 在植物吸收氮素過程中的調(diào)控作用具有實際意義。

調(diào)控植物應(yīng)對養(yǎng)分脅迫和鎘毒鋁毒的WRKY 家族成員見表1。擬南芥WRKY1的表達(dá)受到有機(jī)氮處理的抑制而被氮饑餓激活[32-33]，低氮處理1、3 h 會使AtWRKY31的表達(dá)量顯著下降[34]，AtWRKY72在低氮處理3 h 后表達(dá)量顯著下調(diào)且Atwrky72突變體在低氮處理下主根延伸長度顯著變短，且AtWRKY72蛋白不僅能與自身互作，還可以與AtWRKY36、AtWRKY61 等多個轉(zhuǎn)錄因子相互作用，共同參與調(diào)控在低氮脅迫下擬南芥的響應(yīng)過程[35]。在低氮處理24 h 后，GmWRKY6和GmWRKY75的表達(dá)量會達(dá)到最高[36]；低氮處理下，GmWRKY7、GmWRKY8、GmWRKY15在葉部均受上調(diào)表達(dá)，GmWRKY7和GmWRKY15在根部均受上調(diào)表達(dá)，而GmWRKY8則受下調(diào)表達(dá)[37]；GmWRKY58 通過誘導(dǎo)自身啟動子區(qū)域中的TC-rich repeats (-ATTTTCTCCA-)順式元件，激活下游與低氮脅迫有關(guān)的基因表達(dá)，其中低氮處理24 h 的大豆植物根部中，GmWRKY58的表達(dá)量最高[38]。

表1 調(diào)控植物應(yīng)對養(yǎng)分脅迫和鎘毒鋁毒的WRKY 家族成員Table 1 WRKY family members that regulating plan responses to nutrient stresses, and cadmium and aluminum toxicities

2.2 WRKY 調(diào)控磷營養(yǎng)

磷(P)是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素。它不僅是植物體內(nèi)核酸和腺苷三磷酸 (adenosine triphosphate, ATP)、氨基轉(zhuǎn)移酶等重要磷化合物的組分，同時還參與植物體內(nèi)光合作用、呼吸代謝、能量轉(zhuǎn)化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等各種生理過程，是植物完成整個生命周期所不可缺少的元素。土壤是植物獲取磷營養(yǎng)的主要來源，但是施入土壤的很大一部分磷會被緊密地固定在土壤顆粒表面或以有機(jī)磷的形式被固定，因此土壤中無機(jī)磷的有效性和移動性很差，植物難以吸收利用[75]。

在擬南芥中，AtWRKY6 和AtWRKY42 協(xié)同互作，通過與擬南芥中磷酸根轉(zhuǎn)運子基因PHOSPHATE1(AtPHO1)啟動子中的W-box 元件結(jié)合來抑制AtPHO1表達(dá)，從而調(diào)節(jié)擬南芥響應(yīng)低磷脅迫[39-40]。缺磷會促進(jìn)26S 蛋白酶體對AtWRKY6 和AtWRKY42 的降解作用，因此AtWRKY6 與AtWRKY42 在負(fù)調(diào)控AtPHO1的表達(dá)時存在功能冗余，但二者對AtPHT1;1的調(diào)控機(jī)制又存在差異[41]。E3 泛素連接酶PRU1(phosphate response ubiquitin E3 ligase1)促進(jìn)AtWRKY6降解，介導(dǎo)低磷條件下磷從植物地下部到地上部的轉(zhuǎn)移[42]。AtWRKY28 在低磷脅迫下通過正向調(diào)控AtPHO1和AtPHT1;4的表達(dá)參與磷的轉(zhuǎn)運和吸收，在正常供磷條件下通過正向調(diào)控AtPHT1;1參與磷的吸收[43]。AtWRKY33 在缺磷條件下通過控制ALMT1的轉(zhuǎn)錄來負(fù)調(diào)控根結(jié)構(gòu)的重塑，以調(diào)節(jié)磷缺乏反應(yīng)[44]。過表達(dá)AtWRKY45會增加磷的含量，且AtWRKY45 通過直接上調(diào)AtPHT1;1的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)擬南芥對磷饑餓的響應(yīng)[15]。AtWRKY75 能影響擬南芥根系構(gòu)型的改變，AtWRKY75受低磷上調(diào)表達(dá)，其表達(dá)被干擾后植株對磷的吸收速率明顯下降[16]，但AtWRKY45 會負(fù)調(diào)控AtWRKY75的表達(dá)。

最近，一些大豆WRKY 調(diào)控磷營養(yǎng)的作用被初步揭示。大豆GmWRKY6、GmWRKY21、GmWRKY53、GmWRKY63、GmWRKY75等參與大豆響應(yīng)低磷脅迫[45]。在擬南芥異源超表達(dá)GmWRKY6和GmWRKY75提高其對磷的吸收，增強(qiáng)對低磷脅迫的耐受性[36]。GmERF1編碼一個乙烯響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子，主要在大豆根中表達(dá)，且受低磷誘導(dǎo)，GmWRKY6 也受低磷誘導(dǎo)。GmPT5、GmPT7、GmPT8的啟動子區(qū)域存在W-box 元件，GmWRKY6 通過結(jié)合GmPT5、GmPT7、GmPT8的啟動子抑制其轉(zhuǎn)錄，而GmERF1 與GmWRKY6 發(fā)生互作而促進(jìn)GmWRKY6 抑制GmPT5、GmPT7、GmPT8等磷響應(yīng)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄，抑制大豆對磷的吸收利用，因此GmWRKY6 是一個負(fù)調(diào)控因子[46]。GmWRKY75 會與GmPAP22-1 互作，超表達(dá)GmWRKY75會降低GmPAP22-1的表達(dá)水平[47]。低磷脅迫下，GmWRKY7、GmWRKY8、GmWRKY15在葉部和根部的表達(dá)量均被上調(diào)，其中GmWRKY7通過與GmALMT1的啟動子結(jié)合可以減少磷缺乏條件下轉(zhuǎn)基因擬南芥對花青素的積累[37]。低磷處理下，GmWRKY45的表達(dá)隨脅迫時間的延長而顯著增加，且在根中的表達(dá)水平高于葉，在擬南芥中過量表達(dá)GmWRKY45會增強(qiáng)其對低磷脅迫的耐受性，生長狀況明顯優(yōu)于野生型。這可能是通過促進(jìn)植物側(cè)根發(fā)育和改變磷響應(yīng)基因的表達(dá)來實現(xiàn)的[48]。GmWRKY46主要在大豆根中表達(dá)，并受到低磷的強(qiáng)烈誘導(dǎo)，RNA干涉GmWRKY46提高毛狀根的增殖、伸長和磷吸收效率，提高大豆耐低磷能力[49]。

當(dāng)水稻處于磷養(yǎng)分充足的條件下，OsWRKY10會通過負(fù)向調(diào)節(jié)OsPHT1;2的表達(dá)來減少自身對磷的吸收，而在外界供給磷匱乏時，OsWRKY10 蛋白會被26S 蛋白酶體降解[50]。OsWRKY28通過調(diào)節(jié)茉莉酸介導(dǎo)的根系結(jié)構(gòu)來增加對磷的積累[51]。OsWRKY21和OsWRKY108 在核內(nèi)互作，與OsPHT1;1 中的Wbox 元件結(jié)合，通過磷依賴方式維持OsPHT1;1的組成型表達(dá)，調(diào)控水稻的磷穩(wěn)態(tài)[52]。OsWRKY74受磷饑餓的正向調(diào)控，低磷條件下超表達(dá)OsWRKY74會使植物形成更大的根系結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)對缺磷的耐受，還會通過調(diào)節(jié)一些磷饑餓誘導(dǎo)基因，例如PHT1來調(diào)節(jié)水稻的磷穩(wěn)態(tài)[53]。

在低磷脅迫下，毛白楊(Populustomentosa)PtoWRKY40的表達(dá)水平顯著下調(diào)，PtoWRKY40 蛋白被降解。PtoWRKY40 通過與PtoPHL3 相互作用抑制楊樹磷轉(zhuǎn)運蛋白PtoPHR1s 的表達(dá)，進(jìn)而負(fù)調(diào)控楊樹對磷缺乏的耐受能力[54]。楊樹(Populustremula)WRKY65和WRKY6通過與PHR1;9 中的W-box 特異性結(jié)合來調(diào)控基因表達(dá)，而PHR1;9 能增加磷從根到頂芽的運輸，過量表達(dá)楊樹WRKY65和WRKY6能增強(qiáng)楊樹對低磷脅迫的耐受性[55]。在擬南芥中過表達(dá)棉花(AnemonevitifoliaBuch)的GbWRKY1，其依賴LPR1(low phosphate response 1)響應(yīng)低磷信號，通過增加擬南芥對生長素的敏感性來提高對磷饑餓的耐受性[56]。

PHT1 家族的磷酸轉(zhuǎn)運蛋白被認(rèn)為可能是植物唯一吸收磷的流入轉(zhuǎn)運蛋白，其成員的表達(dá)在植物獲取磷營養(yǎng)的過程中至關(guān)重要[76]。目前，在擬南芥和水稻中分別發(fā)現(xiàn)9 和13 個PHT1基因[52]。在擬南芥中，AtPHT1;1和AtPHT1;4是負(fù)責(zé)在高低磷條件下吸收磷的兩個主要成員[77]；在水稻中，OsPHT1;1、OsPHT1;2、OsPHT1;4、OsPHT1;8等4 個PHT1基因被證明在磷充足的條件下會參與植物對磷的吸收與積累[78]。目前已有不少WRKY 轉(zhuǎn)錄因子被證實會參與調(diào)控PHT1基因的表達(dá)，說明PHT家族成員作為WRKY 轉(zhuǎn)錄因子影響植物磷養(yǎng)分的吸收與利用，是作用的下游靶基因。但還有很多細(xì)節(jié)和機(jī)理仍不清楚。

2.3 WRKY 調(diào)控鉀營養(yǎng)

鉀(K)以陽離子的狀態(tài)累積在植物細(xì)胞中，不是任何有機(jī)化合物的組成成分。但是鉀能夠通過促進(jìn)光合作用、葉綠素和蛋白質(zhì)的合成等多種方式參與植物的生長過程。鉀還是多種重要酶的活化劑，與酶促反應(yīng)關(guān)系密切，參與對植物細(xì)胞滲透壓的調(diào)節(jié)并能夠提高植物對外界惡劣環(huán)境的抵御能力。

低鉀處理1 h 會使AtWRKY31的表達(dá)量顯著下降[34]。在低鉀處理12 h 后，AtWRKY61基因的表達(dá)量顯著上升，AtWRKY61 既可以與AtWRKY9、AtWRKY72 互作，又可自我聚合形成同源二聚體[57]。在低鉀處理36 h 后，GmWRKY6和GmWRKY75的表達(dá)量會達(dá)到頂峰[36]。GmWRKY7和GmWRKY8在葉和根部均受低鉀脅迫上調(diào)表達(dá)。低鉀條件下，GmWRKY15在新葉和根部的表達(dá)量增加，在老葉表達(dá)量減少[37]，而GmWRKY50的表達(dá)量會增加，推測它通過調(diào)節(jié)下游靶基因的方式參與調(diào)控大豆對鉀的吸收與轉(zhuǎn)運[58]。

2.4 WRKY 在植物其他養(yǎng)分吸收利用過程中的調(diào)控作用

硫(S)對植物生長發(fā)育非常重要，影響含硫蛋白質(zhì)的合成和谷物品質(zhì)，能夠促進(jìn)植物對其他營養(yǎng)元素的吸收并提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。在低硫脅迫下，GmWRKY7、GmWRKY8在葉中的表達(dá)上調(diào)，而在根被抑制，GmWRKY15在葉部的表達(dá)量增加[37]，推測這3 個WRKY 轉(zhuǎn)錄因子可能參與響應(yīng)大豆生長過程中的硫養(yǎng)分匱乏。

硼是植物細(xì)胞壁的一種組成成分，可以增強(qiáng)植物光合作用并促進(jìn)葉綠素的合成。在缺硼條件下，AtWRKY6 可能同時通過調(diào)節(jié)擬南芥根尖附近的基因表達(dá)，并誘導(dǎo)NIP5;1(nodulin26-likeintrinsicprotein 5;1)的轉(zhuǎn)錄來提高擬南芥對低硼脅迫的耐受性[59]。

鐵是植物有氧呼吸酶的重要組成物質(zhì)并有利于葉綠素的合成。AtWRKY4 通過參與擬南芥根冠的鐵運轉(zhuǎn)和調(diào)控NAS2(NicotianamineSynthase2)、VITL1(VacuolarIronTransporter1-like1)等鐵轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄來響應(yīng)低鐵脅迫[60]。OsWRKY80在高鐵脅迫時表達(dá)下調(diào)，說明其在水稻響應(yīng)高鐵脅迫時發(fā)揮調(diào)控作用[61]。

2.5 WRKY 對植物應(yīng)對鎘毒脅迫的調(diào)控作用

鎘(Cd)不是植物生長所必需的金屬元素，其在植物體內(nèi)過量積累時會對植物產(chǎn)生毒害，如抑制光合作用、呼吸和蒸騰作用，降低植物體內(nèi)的酶活性，阻礙根系的發(fā)育，抑制植物對其他必需養(yǎng)分的吸收，導(dǎo)致植物體內(nèi)代謝紊亂等[79]。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)多個WRKY 轉(zhuǎn)錄因子參與植物響應(yīng)重金屬鎘脅迫的過程。

在擬南芥中，AtWRKY12 負(fù)調(diào)控植物對鎘脅迫的耐受性，其表達(dá)會受到鎘脅迫的抑制，WRKY12蛋白會抑制PCs 合成相關(guān)基因的表達(dá)，它通過依賴GSH 的PC 合成途徑降低擬南芥對鎘的耐受性[62]。AtWRKY13 通過在鎘反應(yīng)信號通路中的AtPDR8上游起作用正向調(diào)節(jié)擬南芥對鎘的耐受性[63]。AtWRKY33通過直接激活A(yù)TL31的轉(zhuǎn)錄來響應(yīng)鎘毒，正向調(diào)控擬南芥對鎘毒脅迫的耐受性[64]。AtWRKY18、AtWRKY40和AtWRKY60 通過抑制編碼硫化氫(H2S)合成酶基因的轉(zhuǎn)錄來增強(qiáng)擬南芥對鎘的耐受性[65]。AtWRKY47通過調(diào)控GSH 合成相關(guān)酶基因轉(zhuǎn)錄而促進(jìn)GSH 合成，減少對外界鎘的吸收和區(qū)隔化，提高擬南芥對鎘毒的耐受能力[66]。

在大豆中，GmWRKY142受鎘誘導(dǎo)快速差異表達(dá)，正調(diào)控擬南芥對鎘的耐受性，它是通過與啟動子區(qū)域中的W-box 元件結(jié)合來激活鎘耐受相關(guān)基因ATCDT1、GmCDT1-1和GmCDT1-2的轉(zhuǎn)錄起作用[67]。

水稻W(wǎng)RKY15受鎘快速誘導(dǎo)表達(dá)，通過一氧化氮(NO)和脫落酸(ABA)介導(dǎo)的信號途徑抑制鎘從植物根部向上運輸，調(diào)節(jié)水稻對鎘脅迫的響應(yīng)[68]。在楊樹中，過表達(dá)PyWRKY75通過增加楊樹的葉綠素含量，保護(hù)超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)等抗氧化酶的活性，促進(jìn)還原型谷胱甘肽(GSH)和植物螯合物(PCs)的合成以鈍化鎘，增強(qiáng)楊樹對鎘的耐受性[69]。

2.6 WRKY 對植物應(yīng)對鋁毒脅迫的調(diào)控作用

鋁(Al)是自然界含量最多的金屬元素，土壤中的鋁大多以鋁硅酸鹽的形式存在，在酸性土壤(pH<5.0)中，鋁會被解離成Al3+釋放到土壤中，對植物的生長發(fā)育造成直接傷害。鋁毒快速抑制植物根尖細(xì)胞伸長和分裂。已有研究證明，WRKY 轉(zhuǎn)錄因子參與幫助植物耐受鋁毒，這一發(fā)現(xiàn)對南方酸性土壤上生長的作物有重大意義。

在鋁毒脅迫下，AtWRKY46 通過與ALMT1(aluminum-activatedmalatetransporter1)基因啟動子中的W-box 結(jié)合，抑制其轉(zhuǎn)錄，促使擬南芥分泌更多的蘋果酸，增強(qiáng)其對鋁的抗性[70]。AtWRKY47 可能通過介導(dǎo)ELP(Extensin-LikeProtein)、XTH17(xyloglucanendotransglucosylasehydrolases17)等細(xì)胞壁修飾基因的表達(dá)在擬南芥耐鋁方面起積極作用[71](表1)。GmWRKY21 上調(diào)AtALMT1、AtALS3、AtMATE、AtSTOP1等脅迫響應(yīng)基因的表達(dá)，提高轉(zhuǎn)基因擬南芥對鋁毒的耐受性。GmWRKY21 促進(jìn)GmCOR47、GmDREB2A、GmMYB84、GmKIN1、GmGST1、GmLEA等基因的表達(dá)，增強(qiáng)大豆對鋁脅迫的耐受性[72]。15 個大豆基因啟動子含有W-box 元件，可能是GmWRKY81 的靶基因，如低鐵誘導(dǎo)的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子(Glyma.03G130600)、鐵還原酶(Glyma.07G067700)、NRAMP 轉(zhuǎn)運子(Glyma.06G115800)、NAS (Glyma.08G175400)、POD (Glyma.18G211000)、有機(jī)酸轉(zhuǎn)運子(Glyma.19G173800)等基因，GmWRKY81可能通過激活抗氧化基因的表達(dá)，清除ROS (reactive oxygen species)，增加有機(jī)酸的分泌，提高大豆的耐鋁性[73]。OsFRDL4編碼水稻檸檬酸轉(zhuǎn)運子，而轉(zhuǎn)錄因子ART1 (resistance transcription factor 1) 直接調(diào)控OsFRDL4的轉(zhuǎn)錄，有趣的是，OsWRKY22 是一個轉(zhuǎn)錄激活因子，它通過結(jié)合在OsFRDL4啟動子的Wbox 元件促進(jìn)OsFRDL4的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)水稻根系檸檬酸的分泌而增強(qiáng)耐鋁毒能力。與此一致的是，TDNA 插入突變體oswrky22對鋁脅迫更敏感，art1 oswrky22雙突變體中OsFRDL4的表達(dá)水平以及檸檬酸分泌明顯比單突變體少，因此OsWRKY22 與ART1 (resistance transcription factor 1)協(xié)同激活受鋁誘導(dǎo)的檸檬酸鹽轉(zhuǎn)運基因OsFRDL4的表達(dá)，維持水稻耐鋁毒能力[74]。

3 總結(jié)與展望

作為植物特有的一大類重要轉(zhuǎn)錄因子，WRKY基因在植物的整個生命周期中起關(guān)鍵作用。在過去的幾十年中，隨著基因工程、生物信息學(xué)、基因編輯等技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有許多科學(xué)家通過對不同類植物中的WRKY 家族成員進(jìn)行功能驗證，發(fā)現(xiàn)并證明了WRKY 基因在植物生長發(fā)育、養(yǎng)分逆境響應(yīng)等過程中起關(guān)鍵作用。WRKY 家族成員雖然具有相似的結(jié)構(gòu)，但是它們在作用的下游靶基因、調(diào)控的信號通路等方面仍存在差異，導(dǎo)致其表現(xiàn)出的功能以及作用機(jī)制不相同。基于WRKY 基因在不同植物基因組的數(shù)量很多，存在如此眾多WRKY 基因的生物學(xué)意義何在？揭示不同WRKY 基因在調(diào)控植物營養(yǎng)方面的功能就顯得尤為迫切。重要的是，在養(yǎng)分逆境條件下調(diào)控WRKY基因轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子有哪些？在氮磷鉀硫等養(yǎng)分虧缺以及鋁毒和鎘毒條件下WRKY 在翻譯和翻譯后層面是如何被調(diào)控的？在氮磷鉀硫等養(yǎng)分虧缺以及鋁毒和鎘毒條件下WRKY基因的轉(zhuǎn)錄在表觀遺傳層面受到哪些調(diào)控？回答這些科學(xué)問題將是今后研究的重點和方向。