水稻中耐低溫脅迫的轉錄因子研究進展

董 錚，戴陽朔，李 魏，戴良英

（湖南農業大學生物安全科學技術學院，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）

水稻（Oryza sativa L.）是世界上種植廣泛的糧食作物，它是地球上半數以上人口的重要主食。低溫作為一種滲透型非生物脅迫，嚴重制約水稻的生長和產量。水稻在受到低溫脅迫時，細胞內主要有兩類蛋白質分子在發揮作用：一類是直接保護細胞的滲透調節功能蛋白；另一類就是參與脅迫信號傳導和表達調控的轉錄因子。根據這些轉錄因子結合的順式作用元件的結構以及產生作用的機理不同，將它們分成很多個轉錄因子家族。其中CBF/DREB（C-repeat binding factor/dehydrationresponsive element binding）類、MYB（ν-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）類、bZIP（basic region/leucine zipper）類和 NAC（NAM，ATAF1-2，CUC2）類轉錄因子就是水稻低溫脅迫信號傳導中發揮重要作用的4個家族。

1 CBF/DREB類轉錄因子

CBF/DREB類轉錄因子屬于AP2/ERF（APETALA2/ethylene-responsive factor）基因家族中的ERF亞家族[1]。AP2/ERF是一個巨大的基因家族，廣泛的存在于各種植物中，僅在水稻中，就擁有188個AP2/ERF類轉錄因子[2-3]。CBF/DREB轉錄因子通過自身包含的RAYD保守結構域特異識別干旱和冷誘導響應順式元件DRE/CRT后與之結合并激活下游基因，在植物適應干旱、高鹽和低溫等非生物逆境過程中起著非常重要的作用[4-5]。

近幾年，Dubouzet等[6]在水稻中分離出了5個與擬南芥（Arabidopsis thaliana）中DREB的同源基因，分別是 OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1D和 OsDREB2A，其中 OsDREB1A和OsDREB1B受冷誘導表達。同時，Dubouzet等在擬南芥中超表達OsDREB1A，可以誘導與擬南芥DREB1A轉錄因子相結合的目標基因表達，提高擬南芥對干旱、高鹽和冷脅迫的耐受性。這些結果表明OsDREB1A與DREB1A具有相似的功能。而Mao等[7]鑒定了10個水稻CBF/DREB同源基因，其中 6個基因（OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1E，OsDREB1F 和 OsDREB1G）在水稻基因組中的位置與擬南芥CBF1-CBF4的位置具有共線性和相似的表達模式，并參與冷信號基因的共表達，表明這些基因可能也參與了水稻的冷馴化過程。

2 MYB類轉錄因子

MYB類轉錄因子在植物組織細胞中廣泛存在，它們在調控抗非生物和生物脅迫信號方面起到重要作用。根據這些蛋白DNA結合域上重復串聯序列的數目不同，MYB類轉錄因子可分成3種類型：結合單個特異重復序列的R1型、2個序列的R2R3型和3個序列的R1R2R3型[8]。

R1型轉錄因子在冷馴化過程中起調控作用的報道不多，而其中最有代表性的是Lu等[9]發現的MYBS3。MYBS3的DNA結合域能特異性的與α-淀粉酶基因（aAmy3）啟動子區TA-box（TATCCA）結構結合。Su等[10]研究表明，MYBS3的轉錄水平被冷脅迫誘導上調，他們分別構建了該基因的超表達和RNAi的轉基因株系，發現超表達MYBS3能提高水稻耐冷性，而干涉MYBS3的表達會讓水稻對冷脅迫更加敏感，說明MYBS3在水稻耐寒中起重要作用。該研究同時發現MYBS3能在轉錄水平上抑制水稻中已知的CBF/DREB冷信號傳導通路中的DREB1類蛋白，與CBF/DREB信號途徑對寒冷的快速應答不同，MYBS3所在的冷信號通路應答緩慢，但作用更為持久。植物中的MYB類轉錄因子多數為R2R3型，這類轉錄因子在植物的生長、抗逆和激素調節等方面起重要作用[11]。其中，Os－MYB2是一個典型的R2R3型MYB轉錄因子。Yang等[12]研究表明，超表達OsMYB2的轉基因水稻對鹽分、冷害和干旱的耐受性增加，并能上調編碼脯氨酸合成酶和運輸蛋白的表達，而脯氨酸在細胞中的積累能明顯提高植物對低溫脅迫的耐受性。超表達OsMYB2也能讓植株中的脅迫相關基因如OsLEA3，OsRab16A，OsDREB2A表達出現上調。相對于R2R3型，植物中的R1R2R3型的MYB類轉錄因子數量要少得多。OsMYB3R-2就是一個R1R2R3型的轉錄因子，該蛋白與有絲分裂特異激活因子順式作用元件（T/C）C（T/C）AACGG（T/C）（T/C）A結合。OsMYB3R-2在水稻中能被寒冷、干旱和高鹽脅迫誘導表達，若將水稻OsMYB3R-2在擬南芥中超表達，與冷相關的上游基因如DREB2A，COR15a，RCI2A等表達量都顯著提高，說明OsMYB3R-2能通過激活冷應答基因的表達來提高對冷脅迫的耐受性，而且該蛋白處在冷信號途徑中的上游位置[13]。

3 bZIP類轉錄因子

bZIP類轉錄因子在真核生物中是最保守、分布最廣的一類轉錄因子，目前在水稻中已發現94個成員[14]。該類轉錄因子結構特征是在N端有一個由20個堿性氨基酸組成的能與特異DNA序列結合的結構域，緊挨著堿性結構域的是一個亮氨酸結構域，其特點是每隔6個氨基酸就有一個亮氨酸殘基，該結構能形成二聚體并結合DNA。bZIP類轉錄因子能特異識別核心序列為ACGT的順式作用元件，包括 CACGTG（G 盒），GACGTC（C盒），TACGTA（A盒）。很多ABA誘導的啟動子中都含有這類元件。在脅迫條件下，bZIP轉錄因子與ABA信號響應基因的啟動子區ABRE（ACGTGCG）結構結合并啟動下游基因的表達[15]。

研究人員很早就發現水稻LIP19蛋白是一個由148氨基酸組成的bZIP轉錄因子，受低溫脅迫誘導表達[16]。后來Shimizu等[17]發現它缺失bZIP類蛋白常有的同源二聚化和結合DNA的能力，這一點與哺乳動物的Fos蛋白相同。他們通過酵母雙雜交發現了另一個與LIP19互作的受低溫誘導的bZIP蛋白OsOBF1。該蛋白形成的同源二聚體能特異的結合到序列ACGTCA上。OsOBF1和LIP19能形成異源二聚體結構，這種互作的形式要比OsOBF1自身形成同源二聚體的作用要強。因此水稻中可能存在一種感溫模型：在25℃降低到5℃這個過程里，OsOBF1表達量由高到低，而LIP19表達量由低到高，細胞內的OsOBF1同源二聚體逐漸轉變成由OsOBF1和LIP19形成的異源二聚體，導致特異結合的DNA種類發生變化，最終誘導特異的耐寒基因，完成植物自身對環境的反饋調節。

4 NAC類轉錄因子

NAC類轉錄因子在植物中廣泛存在，水稻中就發現有149個[14]。NAC得名于發現在這類轉錄因子DNA結合區域上保守的前3個分別來自不同植物的蛋白，即NAM，ATAF1-2和CUC2[18]。這類轉錄因子所編碼的蛋白特點是在N端有一個非常保守的DNA結合區域，但在C端有不同的結構，比如絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷氨的數量不同[19]。

Hu等從旱稻IRA109中分離了一個響應低溫脅迫的NAC類轉錄因子：SNAC2。SNAC2蛋白包含NAM類的DNA結合結構域，并定位在細胞核中。超表達SNAC2的水稻增加了對寒冷、高鹽脅迫和聚乙二醇（PEG）模擬的干旱脅迫的耐受性，并且比非轉基因對照植株對ABA敏感。對超表達SNAC2的水稻進行基因芯片分析，發現有36個相關基因在常溫和低溫下表達量都上調了，同時有9個相關基因在常溫和低溫下表達量下調了，這些基因中編碼的蛋白部分在抗寒、抗旱和抗高鹽濃度作用上發揮了功能。

5 結語

近些年，植物轉錄因子的克隆和功能研究有很大的進展，它們在很多信號途徑中的作用都有新發現，這與轉錄因子在生物或非生物逆境條件下發揮重要作用密不可分。水稻中很多增強或減弱抗低溫脅迫的轉錄因子同時也受其他逆境的誘導，特別是受非生物脅迫的情況比較常見，如干旱、高鹽脅迫，但病理、激素相關的生物脅迫也可誘導低溫脅迫相關的轉錄因子。轉錄因子在何種信號途徑中起更重要的作用很多時候取決于該因子的DNA結合域的識別情況和效率。比如在CBF/DREB參與的耐寒途徑中，擬南芥中DREB1A蛋白結合ACCGAC和GCCGAC效率是一樣的，而水稻OsDREB1A蛋白更偏好于結合GCCGAC，說明OsDREB1A轉錄因子可能偏向于某一信號途徑[6]。雖然通過研究轉錄因子在植物逆境脅迫過程中的作用，闡明植物抗逆信號傳導機制，以及利用轉錄因子提高植物抗逆性是解決植物在逆境條件下產量與質量問題的有效途徑，但目前還沒有特別成熟的抗性品種。這可能是因為各個抗逆信號途徑之間存在復雜的交聯信號網絡，因此進一步分析轉錄因子在關聯各種抗逆信號網絡上的作用機制具有重要意義。

[1]Sakuma Y，Liu Q，Dubouzet J G，et al.DNA-binding specificity of the ERF/AP2 domain of Arabidopsis DREBs transcription factors involved in dehydration-and cold-inducible gene expression[J].Biochem Biophys Res Commun，2002，290（3）：998-1009.

[2]Velasco R，Zharkikh A，Affourtit J，et al.The genome of the domesticated apple（Malus× domestica Borkh.）[J].Nature Genet，2010，42：833-839.

[3]張計育，王慶菊，郭忠仁.植物AP2/ERF類轉錄因子研究進展[J].遺傳，2012，34（7）：835-847.

[4]Okamuro J K，Caster B，Villarroel R，et al.The AP2 domain of APETALA2 define a large new family of DNA binding protein in Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci USA，1997，94（13）：7076-7081.

[5]Yamaguchi-Shinozaki K，Shinozaki K.A novel cis-acting element in an Arabidopsis gene is involved in responsiveness to drought，low-temperature，or high-salt stress[J].Plant Cell，1994，6（2）：251-264.

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

[7]Mao D，Chen C.Colinearity and similar expression pattern of rice DREB1s reveal their functional conservation in the cold-responsive pathway[J].PLoS ONE，2012，7（10）：e47275.

[8]Jin H L，Martin C.Multifunctionality and diversity within the plant MYB-gene family[J].Plant Mol Biol，1999，41：577-585.

[9]Lu C A ，Ho T D，Ho S L，et al.Three novel MYB proteins with one DNA binding repeat mediate sugar and hormone regulation of a-amylase gene expression[J].Plant Cell，2002，14：1963-1980.

[10]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.

[11]Park M R，Yun KY，Mohanty B，et al.Supra-optimal expression of the cold-regulated OsMyb4 transcription factor in transgenic rice changes the complexity of transcriptional network with major effects on stress tolerance and panicle development[J].Plant，Cell&Environment，2010，33（12）：2209-2230.

[12]Yang A，Dai X，Zhang W H.A R2R3-type MYB gene，Os－MYB2，is involved in salt，cold，and dehydration tolerance in rice[J].Journal of Experimental Botany，2012，63（7）：2541-2556.

[13]Dai X，Xu Y，Ma Q，et al.Overexpression of an R1R2R3 MYB Gene，OsMYB3R-2，increases tolerance to freezing，drought，and salt stress in transgenic Arabidopsis[J].Plant Physiology，2007，143（4）：1739-1751.

[14]Xiong Y，Liu T，Tian C，et al.Transcription factors in rice：A genome-wide comparative analysis between monocots and eudicots[J].Plant Mol Biol，2005，59：191-203.

[15]Choi H，Hong J，Ha J，et al.ABFs，a family of ABA-responsive element binding factors[J].Biol Chem，2000，275：1723-1730.

[16]Aguan K，Sugawara K，Suzuki N，et al.Low-temperature-dependent expression of a rice gene encoding a protein with a leucine-zipper motif[J].Molecular and General Genetics，1993，240（1）：1-8.

[17]Shimizu H，Sato K，Berberich T，et al.LIP19，a basic region leucine zipper protein，is a fos-like molecular switch in the cold signaling of rice plants[J].Plant and Cell Physiology，2005，46（10）：1623-1634.

[18]Aida M，Ishida T，Fkaki H，et a1.Genes involved in organ separation in Arabidopsis，analysis of the cup-shaped cotyledon mutant[J].Plant Cell，1997，9：841-857.

[19]Olsen A N，Ernst H A，Leggio L L，et a1.NAC transcription factors：structurally distinct，functionally diverse[J].Trends in Plant Sci，2005，10（2）：79-87.