轉(zhuǎn)錄因子TCP調(diào)控植物生長發(fā)育的研究進展

楊麗萍,李一荻,丁曉月,閔 菲

(吉林師范大學 生命科學學院,吉林 四平 136000)

0 引言

植物在生長發(fā)育過程中,精密的基因表達調(diào)控著細胞及組織的代謝、器官的形成與發(fā)育,并應(yīng)對著復(fù)雜且多變的環(huán)境條件.在植物的基因表達過程中,主要影響因素包括轉(zhuǎn)錄因子與順式作用元件間的相互作用效率以及microRNAs(miRNAs)對轉(zhuǎn)錄因子的靶向調(diào)控水平.TCP家族(Teosinte branched 1/Cycloidea/Proliferating cell factor)是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子[1].根據(jù)組成的氨基酸序列不同,分為Ⅰ類PCF亞家族和Ⅱ類CINCINNATA(CIN)-like TCP(簡稱CIN)及CYC/TB1-like TCP兩種亞家族[2].

MiRNA通過堿基互補配對原則來結(jié)合相應(yīng)mRNA序列并介導(dǎo)其發(fā)生降解,這在生物和非生物應(yīng)激反應(yīng)、代謝循環(huán)、激素信號調(diào)控和生長發(fā)育等方面起著重要的作用[3].擬南芥中存在三個miR319的同源基因:miR319a,miR319b和miR319c[4],其最典型的作用靶點就是TCP轉(zhuǎn)錄因子,包括TCP2、TCP3、TCP4、TCP10和TCP24[5].上述TCP隸屬于Ⅱ類CIN亞家族,在植物葉形態(tài)、根的生長、花瓣生長、植物育性以及脅迫應(yīng)答等方面具有重要調(diào)控作用[6-7].

近年來,miRNAs靶向的TCP分子調(diào)控下游基因表達的分子機制研究已取得較大進展.轉(zhuǎn)錄因子TCP如何調(diào)控植物的生長發(fā)育和脅迫應(yīng)答等有關(guān)研究也備受關(guān)注.本研究綜述了受miR319靶向的5種TCP轉(zhuǎn)錄因子的生物學功能,并對其調(diào)控下游基因表達的分子機制進行總結(jié),以期為植物的生長調(diào)節(jié)和逆境下優(yōu)良品種的選育提供參考.

1 轉(zhuǎn)錄因子TCP參與調(diào)控植物生長發(fā)育

1.1 下胚軸伸長與配子體發(fā)育

植物幼苗在破土過程中的轉(zhuǎn)變是為了光形態(tài)建成,包括子葉顏色的變化等轉(zhuǎn)變.其中,下胚軸向下伸長與轉(zhuǎn)錄因子TCP的調(diào)控息息相關(guān).擬南芥中轉(zhuǎn)錄因子TCP4激活體內(nèi)有關(guān)生長素合成的基因,使植物幼苗的下胚軸能夠正常伸長.并且,轉(zhuǎn)錄因子TCP4的調(diào)控作用還依賴于YUCCA5基因的表達,作為連接因子調(diào)控著下胚軸伸長的進度[8].其次,當擬南芥植株中其他Ⅱ類TCP因子過表達時,會促進下胚軸及子葉表皮細胞的分化.

迄今為止,只有少數(shù)研究闡述了轉(zhuǎn)錄因子TCP在配子體發(fā)育過程中所發(fā)揮的功能及作用.當擬南芥TCP4基因低水平表達時會影響早期胚胎的發(fā)育.雖然TCP4基因的過表達植株不能產(chǎn)生可育的種子,但是花粉成熟等過程未受影響[9].當其與野生型擬南芥雜交后,盡管花粉的成熟程度、花粉管的發(fā)育及與柱頭的相互作用均正常,卻不能產(chǎn)生有繁殖活力的種子.此外,TCP16基因的異常表達也會導(dǎo)致花粉粒形狀及數(shù)量的改變,從而影響植物的配子體發(fā)育.以上研究結(jié)果證明了轉(zhuǎn)錄因子TCP參與植物的配子體發(fā)育,但所靶向的下游基因及調(diào)控的具體機制仍需要進一步的研究.

1.2 葉片的形成

植物的光合作用受其主要器官葉片發(fā)育的影響,從而調(diào)控了植株的生長發(fā)育.而葉片大小和形狀的形成受葉片細胞的分裂和擴張協(xié)調(diào)作用的影響.TCP2、TCP3、TCP4、TCP10、TCP24參與調(diào)控擬南芥葉邊緣細胞的增殖與分化.其發(fā)揮作用的途徑之一是轉(zhuǎn)錄因子TCP能直接激活miR369b,從而調(diào)節(jié)葉片細胞的增殖[10].研究者通過tcp2、tcp3、tcp4、tcp10的四突變體和野生型擬南芥兩者葉片的比較,證明了在葉片發(fā)育過程中miR319通過作用于TCP轉(zhuǎn)錄因子導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子的部分功能缺失,從而產(chǎn)生波狀或鋸齒狀的葉片[11].在擬南芥幼葉的遠端檢測基因TCP4的表達情況,當其含量高時會限制葉分生組織的活動,導(dǎo)致子葉、葉片和花器官持續(xù)邊緣生長[12].而在當檢測miR319a過量表達時,5個靶基因AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4、AtTCP10和AtTCP24表達下調(diào),葉片同樣出現(xiàn)皺縮卷曲的表型,此時葉表皮細胞數(shù)量增多,面積減小.當在上述植株中誘導(dǎo)TCP4的基因表達,細胞能夠從過度增殖狀態(tài)進入分化狀態(tài)[13].此外,擬南芥轉(zhuǎn)錄因子TCP也可以通過IAA和CK途徑來調(diào)控葉片細胞的增殖與分化[14].

1.3 花形態(tài)的建成

擬南芥植株具有正?？捎圆粌H要求花粉發(fā)育成熟,花絲生長到適當長度,花藥能夠開裂并且釋放花粉到柱頭上,與此同時也要求上述過程與柱頭對花粉具有親和力的時間達成一致.其中,在花形態(tài)建成的過程中,花器官的對稱性、花瓣形態(tài)的形成等都與轉(zhuǎn)錄因子TCP的調(diào)控有關(guān).當CIN亞類特定的TCP基因表達水平下降時,擬南芥表現(xiàn)出晚開花的表型,此現(xiàn)象同樣發(fā)生在tcp4突變體中.同理,當TCP4基因過表達時,擬南芥會表現(xiàn)出提前開花的植株表型,縮短植物的花期.轉(zhuǎn)錄因子TCP4會與PFT1蛋白結(jié)合從而激活轉(zhuǎn)錄因子CO轉(zhuǎn)錄,促進擬南芥的開花[15].與上述調(diào)控葉片發(fā)育的機理類似,在花形態(tài)建成的過程中,miR319的調(diào)控也起到關(guān)鍵作用.研究表明,與野生型擬南芥相比,miR319a功能缺失的突變體花瓣要更窄,但是AtTCP4基因發(fā)生過表達時可回補此表型[16].除此之外,擬南芥的花瓣顏色及分布也受轉(zhuǎn)錄因子TCP4調(diào)控的影響.有關(guān)葉綠素合成的關(guān)鍵基因啟動子區(qū)域存在轉(zhuǎn)錄因子TCP4的結(jié)合位點,當轉(zhuǎn)錄因子TCP4與其結(jié)合會抑制其基因表達,從而抑制綠色花瓣的形成[17].

2 轉(zhuǎn)錄因子TCP影響植物育性

2.1 TCP影響植物激素的合成

植物的內(nèi)源激素包括生長素、GAs、細胞分裂素、油菜素內(nèi)脂、乙烯、JAs、SA 等,在胚珠的發(fā)育過程中起重要作用.CIN亞類的轉(zhuǎn)錄因子TCP主要通過參與植物體多種內(nèi)源激素的合成來調(diào)控自身的生長發(fā)育.轉(zhuǎn)錄因子TCP3對于植物生長素的生物合成具有重要作用.轉(zhuǎn)錄因子TCP3能夠誘導(dǎo)生長素合成的負調(diào)控因子CYP83B1/SUR2的表達[18].在對生長素信號的早期響應(yīng)中,轉(zhuǎn)錄因子TCP3參與調(diào)控生長素途徑中SAUR基因的表達,從而影響擬南芥體內(nèi)生長素的合成.由于TCP4基因的表達模式受時間及空間的限制,故其觸發(fā)或拮抗激素合成的可能性有極大程度的提高,且對于茉莉酸的合成途徑具有重要的調(diào)控作用.LOX2是茉莉酸前體的關(guān)鍵酶合成基因,TCP4轉(zhuǎn)錄因子直接結(jié)合到功能基因LOX2的順式作用元件上,影響植物激素茉莉酸的生物合成,從而調(diào)控植物的生長發(fā)育過程.另一方面,LOX2基因參與由亞麻酸合成茉莉酸途徑的葉綠體酶的合成過程,所產(chǎn)生的LOX2蛋白被定位于葉綠體.也就是說,TCP4基因的過度表達能夠促進LOX2基因的表達,使茉莉酸積累,從而加速葉片的衰老.在GA信號通路中,葉片中GAI表達水平的升高受轉(zhuǎn)錄因子TCP3的調(diào)節(jié)[19].

2.2 植物激素調(diào)控植物的育性

JAs作為一種信號分子,在雄蕊和胚珠的發(fā)育過程中起重要作用.當植物受到外傷刺激時,脂氧合酶LIPOXYGENASE(LOX)被激活,誘導(dǎo)JAs 及其衍生物的合成和積累.當茉莉酸含量過高或過低都不利于植物的生長發(fā)育,植物表現(xiàn)為不能產(chǎn)生正?；ǚ鄣默F(xiàn)象,如:花器官的缺失、畸形,雄性器官雌性化或花藥未開裂,小孢子發(fā)生異常等.非生物脅迫或生物脅迫會造成擬南芥植物體的內(nèi)源茉莉酸含量升高,且茉莉酸參與擬南芥花粉的發(fā)育過程,所以脅迫會通過茉莉酸的積累含量影響到植物的育性.

擬南芥中有4個編碼 13-LOXs 家族的基因,包括LOX2、LOX3、LOX4和LOX6[20].LOX2蛋白作為合成茉莉酸的前體結(jié)合的次生代謝產(chǎn)物[21],LOX3與 LOX4蛋白能夠參與花藥特異性茉莉酸的合成及花序的構(gòu)成[22].有研究表明,lox3或lox4單突變體的擬南芥具有正常育性,而雙突變體的擬南芥出現(xiàn)花絲變短、花藥不開裂等不育現(xiàn)象,在施加外源的茉莉酸之后即可恢復(fù)育性[23],由此可知出現(xiàn)雙突變體不育現(xiàn)象的原因是茉莉酸的合成受阻.綜上所述,擬南芥的茉莉酸合成異常或是茉莉酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑發(fā)生異常都會出現(xiàn)植物體的不育現(xiàn)象.

另外,miR319也能通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子TCP4和TCP24的表達來調(diào)控植物的育性.例如,擬南芥花藥中過表達miR319a基因就會表現(xiàn)出與miR159a基因過表達的同種性狀,并且在花藥中能檢測到miR319a的GUS信號.miR319a通過調(diào)節(jié)TCP24來負調(diào)控花藥內(nèi)層次生細胞壁使其增厚,而當TCP24的miR319a結(jié)合位點突變后,花藥內(nèi)層次生細胞壁不能正常加厚,導(dǎo)致花粉粒難以釋放,從而發(fā)生不育現(xiàn)象.

3 轉(zhuǎn)錄因子TCP調(diào)控植物脅迫應(yīng)答

植物在生長發(fā)育過程中每時每刻都有可能經(jīng)歷各種脅迫,例如病原菌侵染的生物脅迫,干旱、高鹽等非生物脅迫.為應(yīng)對脅迫維持正常生命活動的進行,轉(zhuǎn)錄因子TCP會通過直接調(diào)控下游抗逆靶基因的表達或影響內(nèi)源激素合成來發(fā)揮作用.這個過程中植物體的各項激素含量將發(fā)生變化,這些激素相互交織成網(wǎng)絡(luò),共同調(diào)節(jié)一系列的生理生化反應(yīng),從而產(chǎn)生脅迫應(yīng)答,保證植物體生命活動的順利進行.

最初的研究表明,在病原菌侵染擬南芥后所攻擊的效應(yīng)目標有Class Ⅰ類的TCP14、TCP15、TCP19、TCP21和Class Ⅱ類CIN亞家族的TCP13,病原體效應(yīng)物所靶向的上述TCP蛋白會調(diào)節(jié)細胞信號網(wǎng)絡(luò),從而將免疫應(yīng)答與植物發(fā)育相結(jié)合,故這些TCP參與擬南芥的防御進程[24].隨著研究的深入,越來越多能夠參與植物防御進程的TCP因子被發(fā)現(xiàn).當擬南芥異源過表達SAP11蛋白時,植株的性狀與tcp多重突變體或miR319基因過量表達的性狀相似,如葉片邊緣過度生長、育性下降,抑制轉(zhuǎn)錄因子TCP4靶基因LOX2的基因表達,導(dǎo)致植物無法迅速合成足夠的茉莉酸來抵御病原體入侵[25].除此之外,TCP4還可以與基因WRKY的啟動子直接結(jié)合,激活其基因表達來提高植株莖腐病的抗性[26].

另有研究表明,轉(zhuǎn)錄因子TCP4與植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的多種蛋白相互作用,表明TCP4也許會在植物抵抗非生物脅迫方面發(fā)揮作用[27].另外,miR319s所靶向的TCP4參與高鹽、干旱等非生物脅迫應(yīng)答等過程被證實[28].2015年有研究鑒定出TCP4是通過介導(dǎo)茉莉酸合成在逆境防御中發(fā)揮作用的,這為深入了解其參與脅迫應(yīng)答的分子機制提供了新的思路[29].擬南芥異源表達毛竹(Phyllostachys edulis)中的PeTCP10基因,能夠增加相對水含量,減少電解質(zhì)滲出和Na+積累,維持滲透壓的穩(wěn)定,抵抗干旱環(huán)境.與此同時,異源表達PeTCP10基因還能提高轉(zhuǎn)基因擬南芥植物的抗氧化能力,轉(zhuǎn)基因植物對過氧化氫等有害物質(zhì)的耐受性相較于野生型擬南芥大大增強[30].

4 結(jié)論與展望

TCP是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子,參與調(diào)控植物生長發(fā)育、合成內(nèi)源激素和逆境中的防御等過程.TCP介導(dǎo)的調(diào)控作用在基因表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮關(guān)鍵作用.近年來,關(guān)于TCP的功能及作用途徑的研究主要集中于單一因素所產(chǎn)生的影響,例如:某一單獨的轉(zhuǎn)錄因子的缺失或過表達促進或抑制某些下游基因的表達.但實際上,影響基因表達的各種因素相互交織錯綜復(fù)雜,不僅與轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控有關(guān),還可能與植物為應(yīng)對外界不良環(huán)境所產(chǎn)生的脅迫應(yīng)答有關(guān).雖然部分TCP的功能及作用途徑已經(jīng)被揭示,但對于其所調(diào)控植物生長發(fā)育的分子機制、具體下游基因的分析鑒定及其對環(huán)境適應(yīng)的影響,目前研究仍處于初級階段.

未來研究重點還應(yīng)放在TCP轉(zhuǎn)錄因子之間的特異性區(qū)別,這將有利于闡明植物的生長發(fā)育、激素的合成和逆境脅迫應(yīng)答下的分子機制,并為此提供新的切入點.因此研究TCP轉(zhuǎn)錄因子的上游調(diào)控基因及其下游靶標基因調(diào)控的分子機制至關(guān)重要,也將進一步為植物的性狀改良和優(yōu)良品種的選育提供參考依據(jù).