植物NAC轉錄因子的研究進展

邢國芳 ，張雁明 ，張魏斌 ，馬新耀 ，韓淵懷

（1.山西農業大學農學院，山西太谷030801；2.山西農業大學生物工程研究所，山西太谷030801）

NAC類轉錄因子是高等植物所特有的一類轉錄調控因子，其最初命名來源于矮牽牛NAM基因、擬南芥ATAF1/2和CUC1/2基因首字母的縮寫，因為這些基因編碼蛋白的N端均包含有一段保守的氨基酸序列與NAM蛋白高度同源，所以，將其稱為NAC蛋白的結構域[1]。NAM基因是由Souer等[2]于1996年在矮牽牛中發現的，其突變體芽頂端分生組織發育異常，在幼苗期逐漸死亡。擬南芥中的2個基因ATAF1和ATAF2，編碼的蛋白具有與NAM高度同源的N端保守結構域。CUC1和CUC2是Aida等于1997年在擬南芥中發現的，其突變體子葉為杯狀，且頂端分生組織發育異常，缺少芽頂端分生組織[3]。隨后在水稻、小麥、大豆、玉米等物種中相繼發現了NAC轉錄因子[4-8]。目前，在擬南芥中發現了117個NAC家族成員，而水稻中則發現了151個[9]。研究表明，NAC轉錄因子在植物的生長發育、器官建成、激素調節和防御抵抗多種生物和非生物脅迫等方面發揮著重要作用。

1 NAC基因的結構特點及分類

NAC轉錄因子結構最主要的特點是N端含有約150個氨基酸殘基組成的高度保守結構域，該區域是NAC轉錄因子的結合域；C端是轉錄激活功能區，具有高度的多樣性，該端的共同特點是一些簡單氨基酸重復出現的頻率較高，同時富含絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷氨酸等。Ooka等[9]通過同源進化分析，將小麥、水稻、玉米和擬南芥的NAC基因分成了2類（Ⅰ和Ⅱ），其中，Ⅰ類包含 14 個 亞 類（TERN，ONAC022，SENU5，NAP，ATNAC3，ATAF，OsNAC3，NAC2，ANAC011，TIP，OsNAC8，OsNAC1，NAC1 和 NAM），Ⅱ類包含4 個 亞 類 （ANAC001，ONAC003，ONAC001 和ANAC063）；在NAC蛋白N端包含5個亞結構域（A，B，C，D，E），其中，亞結構域 B和 E 保守性不強，A，C，D高度保守，C和D序列中包含有核定位信號，可能參與NAC轉錄因子與特定的啟動子元件的識別過程。最近，Nuruzzaman等[8]通過全基因組分析，對水稻中的151個和擬南芥中的117個NAC基因進行了比較，指出不同的類群可能具有不同的生物學功能，比如許多脅迫響應的基因被歸在SNAC一類中。Nakashima等[10]進一步通過系統進化分析將這些響應非生物脅迫的NAC基因分成了6大功能類群：NAM/CUC3，SND，TIP，SNAC，ANAC034，ONAC4。

2 NAC轉錄因子的生物學功能

NAC蛋白是一類植物特異轉錄因子，它的表達受植物發育時期的影響，具有組織特異性。另外，NAC轉錄因子還可以對多種生物或非生物逆境做出響應，如病原體、真菌、干旱、低溫和機械損傷等。最新報道，NAC轉錄因子還參與植物細胞次生壁的生物合成。

2.1 NAC轉錄因子在植物生長發育中的調節作用

據報道，許多NAC蛋白在植物的生長發育過程中具有重要的功能。如大多數矮牽牛的NAM基因發生突變都會導致植物發育異常，缺少芽頂端分生組織（Shoot Apical Meristem，SAM），并且會在幼苗期死亡，少部分存活下來的植株在成苗期花器官也會出現發育異常[2]。擬南芥cuc1 cuc2雙突變體的子葉、萼片和雄蕊融合，難以形成頂端分生組織[1]。Kikuchi等[4]研究發現，水稻中的8個NAC基因均具有特異的組織表達模式，表明NAC基因在水稻的生長發育過程中起重要作用。Xie等[11]發現，擬南芥NAC1基因受生長素誘導并且參與生長素對側根發育的調控，該轉錄因子可以激活2個生長素代謝途徑的下游響應基因DBP和AIR3的表達，過量表達NAC1會促進側根發育，而反義表達NAC1則抑制側根發育。Guo等[12]發現，擬南芥NAC轉錄因子AtNAP與葉片的衰老有關，T-DNA插入失活AtNAP的2個突變體，葉片衰老延遲，野生型AtNAP基因和水稻、豌豆的同源基因能夠恢復atnapnul1突變體的延遲缺陷；超量表達AtNAP基因則引起擬南芥早熟性衰老。

2.2 NAC轉錄因子對逆境脅迫的應答

NAC蛋白的另一重要功能是參與植物對生物和非生物脅迫的應答。如：第1個被克隆的NAC蛋白是擬南芥中的RD26，其參與擬南芥對水分脅迫的應答[13]。馬鈴薯StNAC基因參與植物對傷害和晚疫病的應答[14]；番茄的2個NAC轉錄因子（APR183和APR205）受番茄細菌性潰瘍病菌誘導表達[15]；水稻NAC類轉錄因子SNAC1（stress-responsive NAC1）主要在氣孔的保衛細胞中被誘導表達，干旱脅迫時促進氣孔關閉，可以提高水稻的抗旱性[16]。擬南芥中的NAC類轉錄因子基因ATAF1，受干旱和ABA誘導表達，其突變體在干旱脅迫復水后恢復率是正常對照的7倍，且受干旱誘導的6個基因（RD17，ERD10，KIN1，RD22，COR78 和 LT178）的表達均提高，說明ATAF1作為負調控子通過調節滲透脅迫反應基因的表達在抗旱反應中起作用[17]。Tran等[18]采用酵母單雜交技術，從擬南芥中分離到3個不同的受干旱、高鹽和ABA誘導的NAC基因（AtNAC019，AtNAC055和 AtNAC072），超量表達能顯著增強轉基因植株的抗旱能力。Delessert等[19]發現，擬南芥轉錄因子ATAF2參與葉片的損傷應答，能對植物激素甲基茉莉酮酸和水楊酸誘導反應作出應答。Hegedus等[20]在油菜葉片中發現了8個受機械損傷、甲蟲噬嚙和冷害處理誘導表達的NAC類轉錄因子。Oh等[21]從辣椒中分離到一種受病原菌、外源水楊酸和乙烯誘導的NAC類轉錄因子CaNAC1。由此可見，NAC轉錄因子在植物的多種抗逆信號途徑中起著重要作用。

2.3 NAC基因參與植物細胞次生壁的生物合成

次生細胞壁為植物提供足夠的強度和韌度來支持植物的重量以保證植物體內水分和營養的運輸。NAC類轉錄因子在植物次生細胞壁的生物合成過程中起著重要的調控作用。目前，研究多集中在模式植物擬南芥上，如：Mitsuda等[22-23]發 現 ，NST1，NST2，NST3，VND6，VND7 等 NAC類轉錄因子與擬南芥次生壁加厚有關，NST1和NST2還參與花粉胚囊次生壁的形成[22]，NST1和NST3調控木質組織中次生壁的正常形成[23]。Zhong等[24-25]研究發現，NAC類轉錄因子SND1在莖桿維管束間纖維和木質纖維中特異表達，與擬南芥纖維次級壁的厚度有關，異位超量表達SND1基因，將使非厚壁的正常細胞大量沉積次級細胞壁而成為厚壁細胞。最近報道，水稻和玉米中與次生細胞壁合成有關的NAC轉錄因子OsSWNs和ZmSWNs能夠互補擬南芥雙突變體snd1 nst1在次生細胞壁加厚方面的缺陷[26]。Wang等[27]克隆了苜蓿中的NST1基因，其獲得功能性突變體中維管素纖維不再木質化。NAC轉錄因子調控植物細胞次生壁形成，是通過復雜的代謝網絡來實現的[28]。Zhong等[29]報道了擬南芥中NAC基因調控的細胞次生壁生物合成網絡，發現 SND1，NST1，NST2，VND6，VND7 等 NAC 基因處在網絡上游，不同程度地選擇性調控下游基因MYB類蛋白因子的表達，最終激活次生壁的3種組分纖維素、木聚糖和木質素合成的相關基因，促進細胞次生壁的生物合成。

3 小結

NAC是植物特異的一類轉錄因子基因，擁有龐大的家族成員，不僅在高等植物中廣泛存在，而且在苔蘚植物中也有所發現。NAC轉錄因子擁有NAM功能域，在單、雙子葉植物間存在保守性，具有相同蛋白結構域的基因可能會有相同或相似的生物學功能，因此，該結構域可以作為預測基因功能的主要依據。功能研究已經表明，NAC轉錄因子功能多樣，涉及到植物的生長發育、逆境脅迫的應答，NST系列的NAC基因還在次生壁合成過程中扮演著重要的角色。然而，目前研究最多的是擬南芥和水稻等模式植物，在數量眾多的NAC轉錄因子中，功能明確的還只是很小的一部分，特別是與次生壁合成有關的NAC基因及其調控途徑的研究還有待進一步深入。相信隨著功能基因組分析技術如RNAi，RNA-seq等的不斷發展和應用，有關NAC轉錄因子的生物學功能和調控網絡將會隨之明晰。

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