李雁杰 (浙江師范大學化學與生命科學學院,浙江 金華 321004; 浙江省農業科學院作物與核技術利用研究所,浙江 杭州 310021)
朱丹華,董德坤 (浙江省農業科學院作物與核技術利用研究所,浙江 杭州 310021)
在自然條件下,植物常常遭受干旱、凍害和高鹽等非生物脅迫因素的危害[1],進而影響其正常生長發育和生產。在長期進化過程中,植物體已經形成了一套復雜的調控體系,從而減弱外界不利環境所帶來的影響[2]。干旱是影響作物產量的重要因素之一,由于全球范圍內的可用水資源日趨匱乏,干旱耕地面積擴張迅速,大豆等糧食作物的生產安全受到了嚴重的威脅[3]。干旱環境下,植物細胞失水,滲透勢發生變化,細胞代謝進程隨之改變,植物體內就會形成一系列復雜的進程來應對干旱脅迫的影響,包括前期的信號識別和后期的各種分子、生化和生理反應,使細胞能夠適應新的環境[4]。隨著現代分子生物技術的迅猛發展,基因芯片技術、數量性狀定位技術 (QTL)、RNA-seq測序等技術[5-6]幫助人們發現了大量參與干旱脅迫應答的基因。根據這些基因的功能,可以分為2類:一類是調控性基因,主要包括信號傳遞和基因表達調控的轉錄因子、感應和傳導信號的蛋白激酶以及信號傳遞過程中的蛋白酶[7];另一類是功能性基因,該類基因表達的產物直接參與對干旱脅迫的抵御,主要包括保護細胞免受干旱脅迫傷害的功能蛋白、滲透調節因子的相關酶類等,在維持細胞的正常生理代謝、維護細胞膜、葉綠體膜、減緩干旱脅迫傷害的過程中具有重要的功能,已被人們廣泛研究和認知[8]。然而,干旱脅迫下的植物細胞是如何感應、傳遞逆境信號并調控下游基因的機制尚不明確。因此,研究干旱脅迫下的轉錄相關因子對大豆的抗旱反應機制以及抗旱大豆品種的培育具有重要的意義。為此,筆者重點綜述了干旱脅迫發生時,大豆中參與干旱脅迫調控的轉錄因子基因的研究進展。
轉錄因子 (Transcription factor,TF),又稱反式作用因子,是一類能夠跟真核生物啟動子區域的順式作用元件序列發生結合的蛋白分子[9],其作用是抑制或激活下游基因的轉錄,保證目的基因在特定條件下的表達。轉錄因子的結構一般由4個功能區構成:識別、結合DNA順式作用元件的DNA結合區 (DNA-binding domain);調控下游基因表達的轉錄調控區 (Activation domain);調控其進入細胞核的寡聚化位點 (Oligomerization site);核定位信號位點 (Nuclear localization signal)[10]。各類轉錄因子功能區上的差異直接決定了轉錄因子的特性和功能。根據轉錄因子的表達特點,可以將其分為2種類型,一種是組成型轉錄因子,即正常情況下和逆境條件下轉錄因子基因都會表達,但是在逆境條件下轉錄因子空間結構會發生變化,增強與下游受調控基因的結合能力;另一種是誘導型的轉錄因子,該類轉錄因子的基因被逆境條件誘導表達,從而調控其下游基因的表達[11]。
干旱脅迫下,植物體內代謝發生改變,被激活的逆境相關轉錄因子參與到干旱信號的傳遞和下游基因的表達調控中,幫助植物體降低不利環境所帶來的傷害。在植物基因組研究中,人們發現植物體內存在著大量的轉錄因子,僅模式植物擬南芥的基因組中就至少含有5.9%的轉錄因子基因[12]。自1987年Paz-Ares等[13]首次從玉米中克隆到轉錄因子以來,人們已經在大豆、棉花、水稻、小麥、玉米等作物中發現了許多逆境相關的轉錄因子。目前,借助各種生物技術方法,人們從大豆中克隆出了許多參與干旱脅迫調控的轉錄因子。經研究發現,這些轉錄因子可以根據DNA結合域特點分為5大家族:乙烯應答元件結合因子家族 (APETALA2/ethylene-responsive element binding proteins,AP2/EREBPs)、堿性亮氨酸拉鏈家族 (Basic region/leucine zipper motif,bZIP)、MYB家族、WRKY家族和NAC家族[14]。
AP2/EREBPs家族轉錄因子為植物所特有,其成員龐大,據植物轉錄因子數據庫記錄 (http://plntfdb.bio.uni-potsdam.de/v3.0/),在 擬 南 芥 (Arabidopsis thaliana) 中 有 147 個 成 員, 水 稻(Oryza sativa)中有196個,玉米 (Zea mays)中有330個,高粱 (Sorghum bicolor)中有161個轉錄因子屬于AP2/EREBP家族。AP2/EREBPs轉錄因子含有一個約60個氨基酸的DNA結合域[15]。該DNA結合域高度保守,包括YRG和RAYD 2個區,其中YRG區位于DNA結合域的N端,主要負責各類順勢作用元件的識別和結合;RAYD區位于結合域的C端,可能跟其他轉錄因子和DNA發生相互作用[16]。在模式植物擬南芥中,Feng等[17]根據DNA結合域的數量將AP2/EREBPs家族轉錄因子分為了4個亞家族:AP2(APETALA2)亞家族、RAV (Related to ABI3/VP1)亞家族、DREB (Dehydration-responsive element binding protein)亞家族和 ERF (Ethylene-response factor)亞家族,其命名則是根據首字母組合而來。此外,AP2/EREBPs家族中還有一些轉錄因子不能根據DNA結合域數量歸類到這4個亞家族中,因而這些無法歸類的轉錄因子成為第5亞家族[18]。
在大豆中,DREB和ERF是AP2/EREBPs家族轉錄因子中參與非生物脅迫響應的2個主要亞家族,都含有1個AP2結構域。DREB轉錄因子主要特異結合DRE/CRT (dehydration-responsive element/C-repeat)元件,含有DRE/CRT元件的基因就會受到DREB基因的調控。目前人們在大豆中發多個DREB亞家族基因[19],分別為GmDREBa、GmDREBb、GmDREBc、GmDREB1、GmDREB2、GmDREB3、GmDREB4、GmDREB5,這些基因通過識別細胞的脫水信號來參與大豆植株對干旱脅迫的調控。2007年,Chen等[20]從大豆中克隆得到了GmDREB2基因,研究發現該調控因子參與了依賴脫落酸和不依賴脫落酸信號途徑,并且能夠誘導下游基因Rd29A和cor15a的表達,從而增強大豆對干旱和高鹽環境的抵抗能力。2010年,Chu等[21]從越南大豆栽培品種 ‘Xanh Tiendai’中克隆了長為924bp的GmDREB5基因,經序列比對發現與中國大豆栽培種的GmDREB5序列有90.4%相似,經驗證后將用于大豆的抗旱性試驗。此外,Junya等[22]發現新的大豆基因GmDREB2A:2,該基因可有效減少由低溫和高溫造成的脫水傷害。
ERF轉錄因子目前僅在植物中發現,含有1個58或59個氨基酸殘基的DNA結合域以及DRE/CRT區,主要特異結合GCC-box元件。截止2010年,大豆中只有3個ERF轉錄因子的功能確定跟抗旱性相關,分別是2002年Mazarei等[23]發現的GmEREBP1,Zhang等在2009年發現的GmERF3[24]和2010年發現的GmERF4[25]。2011年,Zhai等[26]從大豆中克隆出了1個新的ERF轉錄因子基因GmERF6,該轉錄因子具有1個AP2/ERF區,兩個核定位信號位點 (Nuclear localization signalsNLSs)以及1個關聯ERF的兩性分子抑制中心 (ERF-associated amphiphilic repression,EAR)。在實驗中,他們對大豆苗進行干旱處理,然后提取RNA進行了熒光定量PCR檢測,發現干旱處理下的GmERF6表達量增加;同時,將該基因轉入擬南芥中,轉GmERF6的擬南芥跟野生對照相比,耐旱能力也顯著增加了。
bZIP轉錄因子在所有的真核生物中均有存在,含有1個堿性DNA結合域和1個亮氨酸拉鏈二聚體,在植物逆境信號傳遞、種子成熟、成花過程和抗病反應中具有重要的作用。在非生物逆境脅迫下,植物中的脫落酸 (Abscisic acid,ABA)含量就會發生變化,bZIP轉錄因子就會發揮作用,使得植物能夠躲避干旱、高鹽等逆境的影響。逆境環境下的植物體內,存在著依賴ABA和不依賴ABA這2條調控途徑,其中ABRE(ACGTGG/TC)轉錄因子存在于依賴ABA途徑中,DRE/CRT存在于不依賴ABA途徑中,bZIP通過操縱ABREs對植物的逆境相關基因進行表達調控[27]。在擬南芥中,bZIP家族轉錄因子有123個,許多能夠跟ABRE結合參與干旱脅迫應答,如AREB1/ABF2,AREB2/ABF4,AREB3/DPBF2,ABF1,ABF3/DPBF5,ABI5/DPBF1,EEL/DPBF4,DPBF2,AT5G42910等[28]。在大豆中,人們已經發現了有131個bZIP家族的轉錄因子跟干旱、高鹽、凍害等脅迫相關。Liao等[27]對大豆中克隆出的GmbZIP44、GmbZIP62和GmbZIP78進行研究,發現這3個基因能夠通過調控磷酸酶2C蛋白的2個基因ABI1和ABI2的表達,降低擬南芥對ABA的敏感性,提高植物對高鹽和干旱耐力。2011年,Gao等[29]從大豆品種Tiefeng 8克隆出了1個新的bZIP基因GmbZIP1,轉入擬南芥和煙草中進行過表達,結果發現在干旱、高鹽和ABA誘導環境下,葉片氣孔大量關閉,細胞失水量下降,對抵抗干旱具有一定的效果。
MYB家族轉錄因子是植物中數量最多,功能最多的一類轉錄因子之一,廣泛參與植物對環境脅迫的應答、次生代謝調控和植物形態的建成。MYB轉錄因子中含有1~3個不完全的螺旋-轉角-螺旋(Helix-turn-helix)重復結構,能夠跟DNA雙螺旋結構中的大溝識別和結合,激活目的基因的表達,只有少數是負調控因子[30]。在擬南芥中,根據MYB結構域,可以將MYB家族轉錄因子分為4個亞家族:R1-MYB、R2R3-MYB、R1R2R3-MYB和4R-MYB[31]。在干旱脅迫作用下,MYB轉錄因子通過調控葉片氣孔、細胞的分生水平以及根系發育等方式發揮作用[32]。近些年來,人們對于MYB轉錄因子的抗旱功能研究,大多是在模式植物擬南芥上進行的,如1993年Urao等[33]發現的AtMYB002,2005年Cominelli等[34]發現的2個AtMYB060/AtMYB094,以及2008年Jung等[35]發現的3個AtMYB070/AtMYB073/AtMYB077,2009年Seo等[36]發現的AtMYB096,這些基因都不同程度地提高了擬南芥對干旱條件的忍耐力。MYB家族部分轉錄因子對植物遭受干旱的調控能力,已經在擬南芥中有所驗證,但是在大豆抗旱的研究中報道很少,這可能跟大豆中龐大的基因組相關。2008年,Liao等[37]從前人報道的56147個大豆基因中獲得了156個MYB家族基因,然后他們用酵母單雜交方法 (Yeast one-hybrid assay)對這些基因進行基因功能分析,篩選出了43個跟ABA、鹽害、干旱、凍害相關的基因,將這些基因轉入擬南芥進行功能驗證,發現轉GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177的擬南芥對ABA的敏感性下降了,但是提高了對干旱、鹽害和凍害的耐性。
WRKY類轉錄因子是一類在植物的干旱和凍害脅迫響應、生長發育及抗病防御過程中起重要作用的轉錄因子。早期的研究中,該類轉錄因子只有在植物中發現,認為植物所特有,但是最近的研究顯示,在原生動物梨形鞭毛蟲 (Giardia lamblia)[38]和屬于真菌的盤基網柄菌 (Dictyostelium discoideum)中均有發現[39]。WRKY蛋白含有1個60個氨基酸組成的 WRKY保守區,其N端是含WRKYGQK序列的保守區,C端為鋅指結構;另外還有1個與 W-box(C/TTGACT/C)特異結合的DNA結合區[40]。根據WRKY區的數量和鋅指結構的特征,WRKY家族轉錄因子分為3個亞家族:第一亞家族含2個分別具有DNA結合活性和不具DNA結合活性的WRKY結構域以及1個鋅指結構;第二家族和第三家族成員的都只含有1個WRKY結構域和1個鋅指結構[41]。目前已經在擬南芥和水稻中分別發現了74個和109個 WRKY轉錄因子[42]。2009年,Wu等[43]和Qiu等[44]分別將OsWRKY11和OsWRKY45轉入水稻中進行超表達,結果發現OsWRKY11能夠提高水稻耐旱和耐熱能力,Os-WRKY45則提高了水稻的耐旱、耐鹽能力,還增強了抗病性。Zhou等[45]則從大豆中克隆了3個WRKY家族轉錄因子基因GmWRKY13、GmWRKY21和GmWRKY54,轉入煙草中過表達后發現GmWRKY21提高了擬南芥的耐寒性,轉GmWRKY13的擬南芥植株的抗旱和抗鹽性能得到增強,轉GmWRKY54的則提高了擬南芥對鹽和甘露醇的敏感性。2013年,Luo等[46]人從野生大豆 (Glycine soja)中克隆了GsWRKY20基因,發現該基因能夠抑制ABA途徑中的正調控因子;然后他們把GsWRKY20轉入野生大豆植株中過表達后顯示,野生大豆的失水能力和氣孔密度顯著降低,植株的抗旱能力有所增強,這也是首個WRKY家族基因在豆科植物抗旱性研究的報道。
NAC家族轉錄因子是發現最晚的一類植物所特有的轉錄因子,在植物的生長發育、干旱等逆境脅迫應答等過程中具有重要的作用。NAC類轉錄因子N端含有一段150個氨基酸組成的NAC保守結構域,可能具有DNA結合域功能;C端為非保守性的轉錄調控區,是植物轉錄激活結構域[47]。1992年,Yamaguchi-Shinozaki等[48]首次在擬南芥中發現了跟脫水相關的NAC轉錄因子基因RD26,之后ERD1、ANAC019、ANAC055等大量干旱相關基因在擬南芥中克隆出來并得到了功能驗證。近些年來,在大豆中人們發現了大約200個NAC家族的轉錄因子[49]。2007年,Meng等[50]在大豆中鑒定到了6個干旱脅迫下調節細胞滲透基因的NAC類轉錄因子,根據編號分別為GmNAC1、GmNAC2、GmNAC3、GmNAC4、GmNAC5、GmNAC6。2009年,Tran等[51]以大豆幼苗為材料,用高通量篩選方法獲得了31個GmNAC家族基因,其中有9個GmNAC基因跟干旱脫水、高鹽脅迫的響應相關。2011年,Le等[52]從大豆中獲得了152個GmNAC轉錄因子的全序列基因;次年,他們又從中篩選出38個可能跟干旱脅迫相關的GmNAC轉錄因子,轉入大豆中進行表達分析,根據熒光定量PCR結果,發現干旱作用下有25個GmNAC基因發生了上調,另有6個GmNAC基因的表達量則下降了。2013年,Nguyen等[53]同樣以Le發表的152個GmNAC基因中篩選出了17個上調和6個下調的干旱相關基因,以大豆抗旱品種DT51和干旱敏感品種MTD720作為材料篩選組織特異性抗旱相關轉錄因子基因。在抗旱大豆品種DT51的根中,他們發現有9個基因的表達上調,1個基因下調;而在干旱敏感品種MTD720中,8個基因表達上調。由此可以看出大豆植株在的干旱脅迫作用下,GmNAC基因的表達情況跟作物品種緊密相關,篩選出大豆各品種中通用且高效的GmNAC抗旱基因的任務仍然很艱巨。
Trihelix家族轉錄因子是最近才引發關注的一類基因家族[54-59],在DNA結合結構域含有3個串聯的螺旋結構,富含堿性和酸性氨基酸、谷氨酰胺和脯氨酸。因其保守結構域能特異的與DNA序列上的光應答元件GT元件結合,所以又稱GT因子[60-61]。除在模式植物擬南芥 (Arabidopsis thaliana)和水稻 (Oryza sative)中有部分Trihelix轉錄因子家族被克隆外,在大豆 [Glycine max (L.)Merr.]和煙草 (Nicotiana tabacumL.)等作物中也被克隆到。研究表明,Trihelix基因家族成員在鹽脅迫、干旱脅迫和冷脅迫等生物脅迫與非生物脅迫中表現出應答反應[62]。AtGT-3b屬于GT-1亞家族,通過與基因SCaM-4啟動子上GT元件結合來調控ScaM-4的表達,AtGT-3b和SCaM-4基因的表達量均可在植株受到病害處理和NaCl處理后提高[63]。AtGT-3b可與合成甜菜堿的2個關鍵酶膽堿單加氧酶(Choline monooxygenase,CMO)基因和甜菜堿醛脫氫酶 (Betaine aldehyde dehydrogenase,BADH)基因啟動子中的GT-1順式作用元件相互作用,而甜菜堿是一種在植物耐鹽中起重要作用的小分子滲透調節物質[64-66]。GmGT-2A和GmGT-2B屬于GT-2亞家族,兩者在大豆幼苗受到不同鹽、冷、干旱等脅迫時表達量升高,在擬南芥中過量表達可提高植物對冷脅迫、干旱脅迫、鹽脅迫等的耐受性[62]。此外,Trihelix家族基因在植物形態建成、營養器官的生長和生殖器官的發育都起著重要的作用。
生長素響應因子ARF在調控植物生長發育、細胞分裂和應對環境刺激中扮演重要的角色。大量研究證實,在大豆基因組中存在51個GmARFs基因。CHIEN等[67]通過對大豆和擬南芥的ARFs的系統發育分析后發現,二者在2個ARF家族 (ARF和Aux/IAA)之間存在一定的相似性和差異性,且GmARF基因具有良好的組織特異性和脅迫應答能力。這將對提高轉基因大豆抗旱能力具有巨大的應用潛力。
干旱脅迫是影響大豆生長和產量的重要環境因素之一。近些年來,人們借助各種先進的生物技術方法發現并克隆出了許多干旱誘導的基因,為選育抗旱作物品種奠定了分子基礎。在這些抗旱相關的基因中,有一大部分是轉錄因子,參與調節下游功能基因的表達,提高植物的抗逆性。然而,植物體對逆境的響應是一個復雜的調節系統,大量的轉錄因子參與到了調控網絡中,各調控因子之間也存在著交叉影響。目前,人們對于一些植物的抗旱響應和調節機制有了初步的認識,但是對于這些抗旱相關轉錄因子的研究仍處于發掘階段,實驗對象也主要是以模式植物為主,鮮有轉基因大豆的大田試驗報道。因此,從龐大的轉錄因子庫中篩選出大豆特異的抗旱轉錄因子并進行功能驗證,對解開大豆等作物的抗旱調控機制,是一項具有挑戰性的難題,而選育出高產的優質的大豆抗旱品種,還有很長的路要走。
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