植物非生物脅迫應答相關轉錄因子研究進展

王景晨 ，陳信波

（1.湖南農業大學作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410128；2.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128）

近年來，氣候災害的頻發給農作物的生長和產量帶來嚴重的危害[1]。利用基因工程手段對農作物進行改良，提高農作物對災害性氣候的抵抗能力保證糧食穩產具有重要的意義。

當植物受到外界的干旱、高溫等非生物脅迫時，植物會通過一系列的信號傳遞激發轉錄因子。被激發的轉錄因子會與相應的順式作用元件相結合啟動特定基因的表達，從而對非生物脅迫進行應答。至今，已研究的參與植物應答非生物脅迫的轉錄因子主要有 AP2/EREBP、MYB、WRKY、bZIP 和HSFs，其中AP2/EREBP和MYB兩類轉錄因子近年來的研究成果較多。下面就5種與非生物脅迫相關的轉錄因子的特征、結構、功能以及在抗逆性方面的研究進展分別予以敘述。

1 AP2/EREBP家族

AP2/EREBP家族中的亞族DREB（dehydration responsive element binding protein）轉錄因子與植物非生物脅迫密切相關。相對于其它亞族，DREB轉錄因子序列中只含有一個AP2/EREBP保守結構域，該域一般由59個氨基酸組成，其中在N端和C端分別有YRG和RAYD兩個保守元件。目前在水稻、大豆、小麥、玉米等農作物中都分離出了DREB類轉錄因子。對DREB類轉錄因子功能的研究表明，DREB轉錄因子在植物對非生物脅迫應答過程中起著重要的調控作用。在植物受逆境脅迫后，DREB轉錄因子表達量會在短時間內迅速增加，調控一系列下游逆境相關基因的表達，從而提高植物的抗逆性。近年來，就植物中報道的與抗逆相關DREB轉錄因子以及它們在抗逆中的作用歸納于表1。

2 MYB家族

MYB轉錄因子以其N端特有的MYB保守結構域而得名，由一系列高度保守的氨基酸殘基和間隔序列組成。每個MYB結構域折疊成螺旋-轉角-螺旋的空間結構，其中包含有3個色氨酸殘基，這3個殘基被18～19個氨基酸殘基隔開，具有疏水核心的作用[11]。MYB轉錄因子一般由三個保守的功能域組成：一個DNA結合結構域，一個轉錄激活結構域，以及一個不完全界定的負調節區[12]。MYB轉錄因子在植物中幾乎參與了發育和代謝的各個方面。Lee和Schiefelbein從擬南芥中分離出來一系列與根毛發育相關的基因如TTG、CPC、WER和GL2，并認為其中兩個MYB類轉錄因子CPC蛋白和WER蛋白是決定根表皮細胞發育的關鍵基因[13]。擬南芥過量表達AtMYB24基因會導致植株矮小且花器官發育不良，花藥不開裂，花粉無活性[14]。MYB轉錄因子在植物應答非生物脅迫方面也扮演了非常重要的角色。近年來，在植物中報道的與抗逆相關MYB轉錄因子歸納于表2。

表1 應答植物非生物脅迫的DREB類轉錄因子

表2 應答植物非生物脅迫的MYB類轉錄因子

3 WRKY家族

WRKY類轉錄因子是植物中特有的轉錄因子家族，在植物中分布廣泛。目前在水稻、白薯、野燕麥、馬鈴薯等農作物中都分離出了WRKY類轉錄因子[21]。WRKY轉錄因子共同的結構特征是擁有一個高度保守的WRKYGQK七肽核心序列，稱為WRKY域。WRKY轉錄因子在植物中參與眾多代謝過程的調控，如植物損傷反應、植物衰老反應及植物發育，同時有研究指出，WRKY轉錄因子也參與植物對非生物脅迫的應答反應。Wu等通過基因表達譜分析，結果表明OsWRKY11可以誘導激活棉籽糖合成中的一些基因，而棉籽糖的積累對Os－WRKY11過量表達植株的耐旱起著重要作用[22]。擬南芥中，AtWRKY25的過量表達植株相對野生型植株有更強的高溫脅迫抗性[23]。Talanova等對小麥苗進行4℃冷脅迫處理，發現WRKY轉錄因子在冷處理15 min后出現高表達，說明WRKY轉錄因子參與了小麥對冷脅迫的應答反應[24]。

4 bZIP家族

bZIP類轉錄因子非常保守，并且在植物中廣泛分布。目前，已在擬南芥基因組、豆科植物基因組、水稻基因組中發現了大量的bZIP轉錄因子。所有的植物bZIP轉錄因子都含有非常保守的與特異DNA序列相結合的堿性結構域以及參與寡聚化作用的亮氨酸拉鏈區。一般根據植物bZIP轉錄因子的結構特點和功能將其劃分為10個亞族：A、B、C、D、E、F、G、H、I、S 亞族，這些亞族在植物生長過程中各自行使著重要的功能。Zou等發現水稻bZIP轉錄因子中A亞族基因的OsABI5基因在高鹽脅迫下表達量上調，而在低溫和干旱條件下表達量下調，說明其參與了水稻對非生物脅迫的應答[25]。S亞族是擬南芥中最大的bZIP亞族，Sung等的研究表明，胡椒中的CAbZIP1轉錄因子在逆境脅迫應答中起著調控作用[26]。Liao等將大豆基因GmbZIP44，GmbZIP62和GmbZIP78轉入擬南芥中，發現它們能夠提高植株對鹽和低溫脅迫的抗性[27]。

5 HSFs

在熱脅迫逆境中，植物中的熱激蛋白（Heat shock protein，HSP）會在體內迅速的積累，并以分子伴侶的形式幫助相關蛋白重新折疊、穩定、組裝和降解，從而提高植物在高溫逆境下的生存能力。植物熱激蛋白在高溫脅迫中的表達受一類專門的熱激轉錄因子調控，即熱激轉錄因子（Heat stress transcription factors，HSFs）。一般根據N端結合域與寡聚域結構之間螺旋的連接長度以及HR-A/B之間插入的氨基酸殘基數，將植物HSFs分成A、B、C三類成員。目前已在水稻、番茄、擬南芥等多種植物中克隆出HSFs基因，并發現它們能提高植物在非生物脅迫下的抗逆能力，但現階段主要研究都集中在熱激蛋白方面，而對HSFs在植物熱脅迫下的調控機制和網絡仍不明確。

6 結語

上述研究成果說明，轉錄因子的過量表達能夠提高植物在非生物脅迫下的抗逆能力。轉錄因子基因過量的表達會影響下游一系列基因的表達，相對于單基因的過量表達更能影響植物在非生物脅迫下的生長和產量；有些轉錄因子不但參與植物對非生物脅迫的應答，同時還直接承擔植物生長發育中的信號因子，如水稻OsABI5在成熟的花粉中的高表達直接影響著作物產量[26]。對轉錄因子日益成熟的研究和利用，為農作物在非生物脅迫下的生長和產量提供了非常有利的理論依據。在氣候災害威脅農作物生產的今天，通過轉錄因子對農作物進行改良，從而維持糧食產量的穩定有極其重要的意義。

[1]楊太明，陳金華.江淮之間夏季高溫熱害對水稻生長的影響[J].安徽農業科學，2007，35（27）：8530-8531.

[2]Zhang Y，Chen C，Jin X F，et al.Expression of a rice DREB1 gene，OsDREB1D，enhances cold and high-salt tolerance in transgenic Arabidopsis[J].BMB Reports，2009，31（8）：486-492.

[3]Dubouzet J G，Sakuma Y，Ito Y，et al.OsDREB genes in rice，O－ryza sativa L，encode transcription activators that function in drought-，high-salt and cold-responsive gene expression[J].Plant Journal，2003，33（4）：751-763.

[4]Wang Q，Guan Y，Wu Y，et al.Overexpression of a rice Os－DREB1F gene increases salt，drought，and low temperature tolerance in both Arabidopsis and rice[J].Plant Molecular Biology，2008，67（6）：589-602.

[5]Chen M，Xu Z，Xia L，et al.Cold-induced modulation and functional analyses of the DRE-binding transcription factor gene，Gm－DREB3，in soybean（Glycine max L.）[J].Journal of Experimental Botany，2009，60（1）：121-135.

[6]Oh S J，Kwon C W，Choi D W，et al.Expression of barley HvCBF4 enhances tolerance to abiotic stress in transgenic rice[J].Plant Biotechnology Journal，2007，5（5）：646-656.

[7]Gao S Q，Chen M，Xia L Q，et al.A cotton（Gossypium hirsutum）DRE-binding transcription factor gene,GhDREB，confers enhanced tolerance to drought，high salt，and freezing stresses in transgenic wheat[J].Plant Cell Reports，2005，28（2）：301-311.

[8]Shan D P，Huang J G，Yang Y T，et al.Cotton GhDREB1 increases plant tolerance to low temperature and is negatively regulated by gibberellic acid[J].New Phytologist，2007，176（1）：70-81.

[9]Xu Z S，Ni Z Y，Li Z Y，et al.Isolation and functional characterization of HvDREB1 a gene encoding a dehydration-responsive element binding protein in Hordeum vulgare[J].Journal of Plant Research，2009，122（1）：121-130.

[10]Matsukura S，Mizoi J，Yoshida D，et al.Comprehensive analysis of rice DREB2-type genes that encode transcription factors involved in the expression of abiotic stress-responsive genes[J].Molecular Genetics and Genomics，2010，283（2）：185-196.

[11]Zhong R Q，Richardson E A，Ye Z H.The MYB46 transcription factor is a direct target of SND1 and regulates secondary wall biosynthesis in Arabidopsis[J].Plant Cell，2007，19 （9）：2776-2792.

[12]Frampton J.MYB transcription factors：their role in growth，differentiation and disease[M].Dordrecht：Kluwer academic publishers，2004：6-8.

[13]Lee M M，Schiefelbein J.Cell pattern in the Arabidopsis root epidermis determined by lateral inhibition with feedback[J].Plant Cell，2002，14（3）：611-618.

[14]Yang X Y，Li J G，Pei M，et al.Over-expression of a flower-specific transcription factor gene AtMYB24 causes aberrant anther development[J].Plant Cell，2007，26（2）：219-228.

[15]Su C F，Wang Y C，Hsieh T H，et al.A Novel MYBS3-Dependent Pathway Confers Cold Tolerance in Rice[J].Plant Physiology，2010，153：145-158.

[16]Quan R D，Hu S J，Zhang Z L，et al.Over expression of an ERF transcription factor TSRF1 improves rice drought tolerance[J].Plant Biotechnology Journal，2010，（8）：476-488.

[17]Pil J S，Xiang F N，Qiao M，et al.The MYB96 Transcription Factor Mediates Abscisic Acid Signaling during Drought Stress Response In Arabidopsis[J].Plant Physiology，2009，151：275-289.

[18]Liao Y，Zou H F，Wang H W，et al.Soybean GmMYB76，Gm－MYB92 and GmMYB177 genes confer stress tolerance in transgenic Arabidopsis plants[J].Cell Research，2008，18：1047-1060.

[19]Gao J J，Zhang Z，Peng R H，et al.Forced expression of Mdmyb10，a myb transcription factor gene from apple，enhances tolerance to osmotic stress in transgenic Arabidopsis[J].Mol Biol publishers，2010，38（1）：205-211.

[20]Devaiah B N，Madhuvanthi R，Karthikeyan A S，et al.Phosphate Starvation Responses and Gibberellic Acid Biosynthesis Are Regulated by the MYB62 Transcription Factor in Arabidopsis[J].Molecular Plant，2009，（2）：43-58.

[21]Eulgem T，Somssich I E.Network s of WRKY transcription factors in defense signaling[J].Current Opinion in Plant Biology，2007，（10）：366-371.

[22]Wu X，Shiroto Y，Kishitanis S，et al.Enhanced heat and drought tolerance in transgenicriceseedlingsoverexpressingOs－WRKY11 under the control of HSP101 promoter[J].Plant Cell Rep，2009，28：21-30.

[23]Li S，Fu Q，Huang W，et a1.Functional analysis of an Arabidopsis transcription factor WRKY25 in heat stress[J].Plant Cell Rep，2009，28（4）：683-693.

[24]Talanova V V，Titov A F，Topchieca L V，et al.Expression of WRKY transcription factor and stress protein genes in wheat plants during cold hardening and ABA treatment[J].Russian Journal of Plant Physiology，2009，56（5）：702-708.

[25]Zou M，Guan Y，Ren H，et al.A bZIP transcription factor，Os－ABI5，is involved in rice fertility and st ress tolerance[J].Plant Molecular Biolog，2008，66：675-683.

[26]Sung C L，Hyong W C，In S H，et al.Functional roles of the pepper pathogen-induced bZIP transcription factor，CAbZIP1，in enhanced resistance to pathogen infection and environmental stresses[J].Planta，2006，224：1209-1225.

[27]Liao Y，Zou H F ，Wei W，et al.Soybean GmbZIP44，GmbZIP62 and GmbZIP78 genes functionas negative regulator of ABA signaling and confer salt and freezing tolerance in transgenic Arabidopsis[J].Planta，2008，228：225-240.