DREB轉(zhuǎn)錄因子在植物低溫脅迫應(yīng)答中的作用研究進(jìn)展

摘 要 低溫脅迫是重要的非生物脅迫之一，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量、地理分布等，因此，提高植株的抗寒性意義重大。DREB（Dehydration responsive element binding protein）轉(zhuǎn)錄因子是植物對(duì)低溫、高溫、干旱等非生物脅迫應(yīng)答反應(yīng)中的重要調(diào)控因子。近年來，關(guān)于DREB轉(zhuǎn)錄因子參與非生物脅迫的研究取得了顯著進(jìn)展。綜述了DREB轉(zhuǎn)錄因子在低溫脅迫中的研究成果，旨在解析其分子調(diào)控機(jī)制，為DREB/CBF轉(zhuǎn)錄因子的深入研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞 DREB；轉(zhuǎn)錄因子；低溫脅迫

中圖分類號(hào)：Q943.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.03.019

低溫脅迫是重要的非生物脅迫之一，包括冷脅迫和凍脅迫[1]，影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育、地理分布及質(zhì)量產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致植物死亡。因此，提高植株的抗寒性，降低低溫對(duì)植株的傷害意義重大。植物在面對(duì)低溫環(huán)境時(shí)，通過一系列復(fù)雜的生理和分子機(jī)制來適應(yīng)和響應(yīng)，形成了一套感知和傳導(dǎo)低溫信號(hào)的通路，進(jìn)而啟動(dòng)或抑制相關(guān)基因表達(dá)來適應(yīng)低溫變化，進(jìn)而增強(qiáng)抗寒性[2]，減少低溫脅迫對(duì)植物的損傷。

轉(zhuǎn)錄因子是與啟動(dòng)子區(qū)域DNA相互作用的蛋白質(zhì)，能抑制或激活其他基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)[3]。轉(zhuǎn)錄因子在脅迫中發(fā)揮著不可替代的重要作用，個(gè)別關(guān)鍵脅迫相關(guān)基因是在分子水平上解釋植物抗逆機(jī)制和耐受脅迫的重要因素[4]。參與植物逆境響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子家族主要有WRKY家族[5]、MYC家族、MYB家族[6]、AP2/ERF家族[7-8]等。其中AP2/ERF家族的脫水反應(yīng)元件結(jié)合蛋白DREB可以特異地結(jié)合DRE/CRT（Dehydration-responsive element/C-repeat）元件，以激活上、下游基因的表達(dá)，調(diào)控植物對(duì)非生物脅迫的響應(yīng)[9]。DREB轉(zhuǎn)錄因子在植物抵抗干旱、寒冷、鹽和熱脅迫反應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著核心作用，且在提高作物抗逆性方面有很好的應(yīng)用前景。從DREB轉(zhuǎn)錄因子出發(fā)，對(duì)其近年來在植物抗寒方面的作用及研究進(jìn)行綜述，為DREB/CBF轉(zhuǎn)錄因子的深入研究和應(yīng)用提供參考。

1" AP2轉(zhuǎn)錄因子家族

AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族是最古老龐大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，最早在1994年于擬南芥（Arabidopsis thaliana）中被分離出來。AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子的一大標(biāo)志性特征是它們的編碼序列中嵌有一個(gè)或多個(gè)高度保守的AP2結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域平均長(zhǎng)度約60個(gè)氨基酸，構(gòu)成了其功能的核心，賦予了AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別結(jié)合特定順式作用元件（如DRE/CRT）的能力，從而精確調(diào)控這些基因的表達(dá)。這一過程是植物響應(yīng)環(huán)境變化和維持正常生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵分子機(jī)制之一。通過這一相互作用機(jī)制，在植物發(fā)育階段，AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子可以起到重要的調(diào)控作用。根據(jù)保守的AP2結(jié)構(gòu)域數(shù)量和基序相似性，將AP2/ERF家族轉(zhuǎn)錄因子分為5個(gè)亞家族，即DREB、ERF（ethylene-responsiveelement binding protein factor）、RAV（related to ABI3/VP）、AP2（APETALA2）及Soloist[10]。

DREB和ERF亞家族成員都只有一個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域，但它們?cè)诠δ苌嫌兴煌Ｍㄟ^識(shí)別DRE/CRT，DREB亞家族在逆境脅迫中發(fā)揮著重要作用。ERF亞家族則通過識(shí)別具有核心序列（AGCCGCC）的乙烯響應(yīng)元件（ERE或GCC-box），參與植物對(duì)生物脅迫的反應(yīng)，如病原體脅迫、創(chuàng)傷脅迫和乙烯信號(hào)[11-12]。同樣只有一個(gè)AP2結(jié)構(gòu)域的亞家族成員是Soloist，但其氨基酸序列差異性較大，可能賦予了Soloist類轉(zhuǎn)錄因子在特定脅迫條件下的調(diào)控能力，但其具體功能和作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，目前的研究還相對(duì)較少，擬南芥中的Soloist基因（At4g13040）已被發(fā)現(xiàn)正調(diào)控水楊酸的生物合成，進(jìn)而參與植物的抗病過程[13]。AP2亞家族成員則包含兩個(gè)相同的AP2結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域可能通過協(xié)同作用增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控能力。AP2亞家族在植物花器官發(fā)育和形態(tài)建成中起著重要作用，同時(shí)也參與植物對(duì)脅迫的響應(yīng)。RAV亞家族成員不僅包含1個(gè) AP2結(jié)構(gòu)域，還有1個(gè)B3結(jié)構(gòu)域，使得RAV亞家族成員在功能上更為多樣化，不僅參與植物花器官發(fā)育和形態(tài)建成，還參與植物對(duì)脅迫的響應(yīng)及激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程[14]。

2" DREB轉(zhuǎn)錄因子的特點(diǎn)與分類

DREB轉(zhuǎn)錄因子屬于植物特異性APETALA2/乙烯反應(yīng)因子（AP2/ERF）家族。DREB亞家族中的每個(gè)成員的特征為存在高度保守的AP2/ERF DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域由N末端附近的約60個(gè)殘基組成，并且在C末端區(qū)域存在多樣化的轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域（TAD）。此外，在N-末端區(qū)域也存在一個(gè)或兩個(gè)核定位信號(hào)（NLS）和與AP2/ERF結(jié)構(gòu)域相鄰的保守的富含Ser/Thr的負(fù)調(diào)控結(jié)構(gòu)域（NRD）[14]。AP2結(jié)構(gòu)域是DREB轉(zhuǎn)錄因子中的一個(gè)重要組成部分，在不同物種間展現(xiàn)出了較高的保守性，即在不同物種中的DREB轉(zhuǎn)錄因子中，AP2結(jié)構(gòu)域的序列和結(jié)構(gòu)都相對(duì)一致。然而，盡管在其結(jié)構(gòu)域中間部分存在較高的序列相似性，但在結(jié)構(gòu)域的兩端，羧基端（C-terminus）和氨基端（N-terminus），卻展現(xiàn)出較大的差異性，這種差異性對(duì)于理解其功能的多樣性和特異性具有重要意義。DREB亞家族在AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族中成員數(shù)量眾多，占總數(shù)的38.6%，顯示出其在植物中的廣泛分布和重要性。基于DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的相似和差異性，DREB轉(zhuǎn)錄因子可進(jìn)一步分為A-1至A-6的6個(gè)亞組或Ⅰ～Ⅳ的4個(gè)組，其中A1—A6組的成員數(shù)量分別為6、8、1、16、16和9個(gè)。DREB GroupI至GroupⅣ 4個(gè)組，數(shù)量分別為10、15、23和9個(gè)，而在此分類中，Nakano將DREB和ERF亞家族合并成一個(gè)家族，命名為ERF家族[13-16]。

3" DREB轉(zhuǎn)錄因子在低溫生物脅迫中的功能

1994年，Yamaguchi在分析擬南芥RD29A基因的啟動(dòng)子中首次發(fā)現(xiàn)了含9 bp[TACCGACAT]序列的DRE核心序列，能對(duì)逆境如干旱、高鹽和低溫脅迫下基因表達(dá)起調(diào)控作用，且表達(dá)不依賴ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[17]。1998年Liu等人從擬南芥中分離到5個(gè)基因，分屬2個(gè)亞家族，分別命名為DREB1A、DREB1B、DREB1C、DREB2A和DREB2B，其中DREB1A和DREB2A在體外酵母試驗(yàn)中能特異性地結(jié)合DRE順式元件并激活下游報(bào)告基因的轉(zhuǎn)錄，表明DREB1A和DREB2A蛋白作為轉(zhuǎn)錄激活子參與了RD29A基因在逆境脅迫下的表達(dá)[18]。這一結(jié)果初步表達(dá)了DREB轉(zhuǎn)錄因子可以響應(yīng)非生物脅迫，從而提高其抗逆性。

基于研究，已知DREB家族成員在結(jié)構(gòu)和功能上有所不同，且它們?cè)陧憫?yīng)不同逆境脅迫時(shí)表現(xiàn)出一定的特異性。自首次從擬南芥中分離出AtDREB1A、AtDREB1B等基因以來，已經(jīng)在多種植物物種中鑒定出許多其他DREB-或CBF直向同源基因，特別是在草本植物中，如水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）和大豆（Glycine max）。大多數(shù)具有特征的DREB屬于A-1和A-2亞組，通常分別稱為DREB1/CBF和DREB2。這兩種類型的DREB對(duì)不同非生物脅迫的反應(yīng)不同。通常，關(guān)于A1亞家族成員（通常被稱為CBFs/DREB1），幾乎所有成員均能夠響應(yīng)冷脅迫的誘導(dǎo)。這些轉(zhuǎn)錄因子在低溫條件下被激活，通過與DRE/CRT順式作用元件結(jié)合，調(diào)控一系列與冷脅迫響應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)。此外，還有一些基因編碼的蛋白質(zhì)參與植物的冷適應(yīng)過程，如提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性、改變代謝途徑以積累更多的保護(hù)性物質(zhì)等。低溫觸發(fā)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，進(jìn)而激活許多下游基因，使植物具有耐寒性和抗凍性。ICE1，是寒冷條件下調(diào)節(jié)DREB1/CBF基因轉(zhuǎn)錄的上游轉(zhuǎn)錄因子，屬于bHLH轉(zhuǎn)錄激活子，且特異性結(jié)合CBF3啟動(dòng)子中的MYC識(shí)別序列從而激活大量下游冷防御基因（如COR15、COR47）的表達(dá)，其在擬南芥中的過表達(dá)增強(qiáng)了CBF調(diào)控在寒冷中的表達(dá)，提高了轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗凍性[19]。HOS1（high expression of somatically responsive genes）和MYB15同樣是DREB1/CBF及其下游基因的直接調(diào)控因子，HOS1負(fù)向調(diào)控ICE1在低溫適應(yīng)中的功能，MYB15與CBF啟動(dòng)子直接結(jié)合并負(fù)調(diào)控CBF[20-21]。

來自不同植物的大多數(shù)DEEB1/CBFs過表達(dá)或組成性表達(dá)顯示，轉(zhuǎn)基因植物對(duì)寒冷、干旱和鹽脅迫的耐受性顯著提高[22-23]。在大豆基因組數(shù)據(jù)庫中鑒定了14個(gè)DREB1型轉(zhuǎn)錄因子，其中GmDREB1基因的表達(dá)受到冷脅迫的強(qiáng)烈誘導(dǎo)。通過過表達(dá)GmDREB1s的轉(zhuǎn)基因擬南芥植物的轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)抗寒基因RD29A、COR15A等表達(dá)量明顯上調(diào)。ZmDREB1A的瞬時(shí)表達(dá)受冷脅迫誘導(dǎo)，并且與擬南芥DREB1A的基因重疊。通過酵母單雜交實(shí)驗(yàn)在玉米中分離出DREB1/CBF同源物ZmDREB1A的cDNA。與DRE特異性結(jié)合的ZmDREB1A蛋白和ERF/AP2DNA結(jié)合域第14個(gè)殘基處高度保守的纈氨酸是確定該蛋白與DRE序列之間特異性相互作用的關(guān)鍵[24]。

相比之下，DREB2基因通常表現(xiàn)出比DREB1/CBFs更復(fù)雜的應(yīng)激反應(yīng)模式。如AtDREB2A、AtDREB2C和OsDREB2A主要參與植物對(duì)干旱、高溫和鹽脅迫的響應(yīng)[25-26]，而玉米中的GmDREB2A和GmDREB2[27]、蘋果（Malus sieversii Roem）中的MsDREB2C[28]不僅受干旱、高溫和高鹽脅迫誘導(dǎo)，還受冷脅迫誘導(dǎo)。在轉(zhuǎn)基因植物中過度表達(dá)或組成表達(dá)DREB2s，如AtDREB2ACA（組成活性形式）[20]、OsDREB2B[26]，不僅具有耐旱性、耐鹽性和耐寒性，還經(jīng)常增強(qiáng)耐熱性。來自蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）的MsDREB2C在冷反應(yīng)中起關(guān)鍵作用且可以調(diào)節(jié)脂肪酸的組成。之前研究大多聚焦于A-1和A-2亞組，但隨著DREB亞家族的其他成員的相繼克隆研究，發(fā)現(xiàn)其他DREB基因同樣在抗寒研究中發(fā)揮著作用，來自番茄的LeDREB3受到Nacl、干旱、低溫和H2O2的顯著誘導(dǎo)[29]。來自大豆的GmDREB3，屬于A-5亞組。Northern印跡分析表明，GmDREB3僅由冷脅迫誘導(dǎo)，其在轉(zhuǎn)基因植物中的過表達(dá)增加了其對(duì)冷脅迫的耐受性。此外，GmDREB3的啟動(dòng)子分析顯示，啟動(dòng)子片段，從1 058到664 bp，足以激活冷應(yīng)激表達(dá)，但區(qū)域1 403到1 058 bp中的元件可能與轉(zhuǎn)錄阻遏物協(xié)同作用以削弱這種活性，表明轉(zhuǎn)錄激活劑和阻遏物都參與了GmDREB3在冷應(yīng)激反應(yīng)中的微調(diào)表達(dá)[30]。

4" 展望

隨著深入研究，DREB轉(zhuǎn)錄因子已被明確證實(shí)為受低溫、干旱等多種非生物脅迫因素誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。有多個(gè)類似基因?qū)儆谝粋€(gè)基因家族，目前已經(jīng)在許多生物中發(fā)現(xiàn)了類似因子，在植物的轉(zhuǎn)基因工作中也逐步被廣泛應(yīng)用，并獲得了不同程度的高抗逆水平轉(zhuǎn)化材料。雖然DREB類轉(zhuǎn)錄因子在抗寒方面已取得一定的研究進(jìn)展，但仍然存在問題亟需解決。1）DREB轉(zhuǎn)錄因子的研究大部分是煙草或擬南芥，異源表達(dá)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響。2）在研究對(duì)象選擇上，主流研究多聚焦于草本植物，對(duì)木本植物的研究相對(duì)較少。草本植物與木本植物體形大小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、生命周期長(zhǎng)短等存在顯著差異。草本植物的研究成果無法直接且全面地應(yīng)用于木本植物。因此，針對(duì)木本植物的DREB轉(zhuǎn)錄因子研究顯得尤為重要。3）當(dāng)前的研究重心主要聚焦于DREB轉(zhuǎn)錄因子家族成員的功能探索上，對(duì)其上下游相關(guān)基因的深入挖掘和理解仍然不足，這是未來研究需進(jìn)一步強(qiáng)化的方向。因此，對(duì)于DREB轉(zhuǎn)錄因子的分析還需不斷完善。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）

作者簡(jiǎn)介：金蒙蒙（1999—），在讀碩士，研究方向?yàn)閳@林植物資源與應(yīng)用。E-mail：a152677b@163.com。