植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子及其耐鹽性調(diào)控研究進(jìn)展

陳祥福，潘陽(yáng)露，魏娟娟，崔萌，陳夢(mèng)瑩，李金華，潘宇，張興國(guó)

（西南大學(xué)園藝園林學(xué)院，南方山地園藝學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市蔬菜學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，400715）

鹽分是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的一個(gè)重要因素，高濃度鹽能導(dǎo)致植物死亡。土壤鹽堿化會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)和健康發(fā)展，是當(dāng)今世界較為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題之一。目前，全球鹽堿土壤面積約為9.6億hm2，我國(guó)約有1億hm2，而且由于近年來(lái)全球氣候的變化、對(duì)環(huán)境保護(hù)的力度不夠以及對(duì)土地的不合理使用，全球土壤鹽堿化日趨嚴(yán)重[1]。解決土壤鹽堿化問題，除了加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、合理利用土地、采用水利改良和化學(xué)改良等方法之外，培育耐鹽堿的植物品種，尤其是明確植物的耐鹽機(jī)制，并利用分子生物學(xué)技術(shù)來(lái)提高植物的耐鹽能力，顯得尤為重要。本文就植物耐鹽反應(yīng)及bZIP轉(zhuǎn)錄因子在高鹽逆境下的作用與響應(yīng)作一綜述。

1 植物在鹽脅迫條件下的反應(yīng)

在鹽脅迫下，植物體內(nèi)被迫積累鹽離子，鹽離子過量造成毒害，植物細(xì)胞內(nèi)自由基平衡被打破，改變了植物細(xì)胞膜的成分、通透性、運(yùn)輸能力，導(dǎo)致細(xì)胞膜的功能和結(jié)構(gòu)受到損傷[2～4]，嚴(yán)重影響植物細(xì)胞和組織的正常功能。植物體內(nèi)基因表達(dá)也發(fā)生了變化，植株會(huì)隨著環(huán)境的變化產(chǎn)生相應(yīng)的脅迫蛋白，對(duì)脅迫環(huán)境產(chǎn)生一定的適應(yīng)能力[2]。

土壤中鹽分過多時(shí)，高濃度鹽降低了土壤的水勢(shì)，產(chǎn)生了滲透脅迫，直接影響細(xì)胞的代謝和植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收[5]，最終導(dǎo)致酶合成受抑制、有毒物質(zhì)積累等，嚴(yán)重影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。此時(shí)，細(xì)胞通過積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)提高溶質(zhì)濃度[2]，從而降低植株體內(nèi)水勢(shì)。

在高鹽條件下，植株體內(nèi)因缺水而致葉片氣孔關(guān)閉、光合作用受阻，使得呼吸作用與光合作用無(wú)法達(dá)到平衡[6]，呼吸作用會(huì)短暫增強(qiáng)，之后減弱[7]。

2 bZIP轉(zhuǎn)錄因子

轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factors，TFS）是一類參與真核細(xì)胞轉(zhuǎn)錄調(diào)控的，存在于動(dòng)、植物細(xì)胞核內(nèi)的蛋白分子。它能與真核基因啟動(dòng)子區(qū)域中的順式作用元件發(fā)生特異性結(jié)合，并且能激活或抑制轉(zhuǎn)錄過程。根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)錄因子可以分為堿性亮氨酸拉鏈（Basic region/leucine zipper motif，bZIP）、MADS－Box、MYB、AP2/EREBP 等[8]。 當(dāng)植物受到外界刺激時(shí)，其體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列的信號(hào)傳導(dǎo)，最后通過轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物抗性基因和相關(guān)防御體系的誘導(dǎo)，改變植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)[9～13]。

bZIP轉(zhuǎn)錄因子是一類真核生物中分布最廣，也是最保守的一類蛋白。在人類、植物、動(dòng)物以及微生物中均有發(fā)現(xiàn)[14]。bZIP家族成員參與植物生長(zhǎng)[15]、衰老[16]、損傷[17]、花發(fā)育[18，19]、種子成熟[20]等植物生理過程。目前，已經(jīng)從高等植物中分離出了調(diào)控植物耐鹽、耐寒、抗旱、耐病原脅迫以及植物生長(zhǎng)發(fā)育等相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子。bZIP轉(zhuǎn)錄因子具有共同的特點(diǎn)：①含有能與特異DNA相結(jié)合的堿性結(jié)構(gòu)域[21]；②bZIP轉(zhuǎn)錄因子的N末端含有酸性激活區(qū)；③bZIP轉(zhuǎn)錄因子以二聚體的形式結(jié)合DNA，亮氨酸拉鏈區(qū)與堿性區(qū)相連，共同參與寡聚化作用[8]；④bZIP轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別核心為ACGT作用元件，如TACGTA的A盒，GACGTC或CACGTG的C盒等。

3 bZIP轉(zhuǎn)錄因子的分類

Jakoby等[21]通過對(duì)擬南芥中發(fā)現(xiàn)的大量bZIP轉(zhuǎn)錄因子分析，根據(jù)bZIP轉(zhuǎn)錄因子的堿性結(jié)構(gòu)域以及其他保守結(jié)構(gòu)域，將75個(gè)擬南芥的bZIP轉(zhuǎn)錄因子基因家族成員分為 10 個(gè)亞家族：A、B、C、D、E、F、G、H、I和 S 類。B、F 亞家族報(bào)道很少，A、C、D、E、G、H、I、S亞家族都各有各的特點(diǎn)，但同一類亞家族成員具有相同的結(jié)構(gòu)域和其他保守結(jié)構(gòu)域，因此，它們具有類似的功能。

根據(jù)與DNA結(jié)合的專一性，Izawa等[22]將植物的bZIP蛋白分為4個(gè)基本類型：①選擇G框的植物bZIP蛋白；②選擇C框的植物bZIP蛋白；③對(duì)G框和C框同樣有選擇的植物bZIP蛋白；④不能與DNA構(gòu)成二聚體的植物bZIP蛋白。

4 bZIP在植物高鹽逆境下的作用及響應(yīng)

研究表明，bZIP轉(zhuǎn)錄因子對(duì)高鹽逆境中植物的生理過程有積極的響應(yīng)，能顯著提高植物的耐鹽能力。目前，通過對(duì)擬南芥、番茄、煙草、水稻、大豆等植物的研究均發(fā)現(xiàn)bZIP具有抗鹽作用。

Choi等[23]首次從擬南芥中克隆得到了bZIP轉(zhuǎn)錄因子 ABF/AREB，其成員分別有：ABF1、ABF2/AREB1、ABF3、ABF4/AREB2， 其中 ABF2/AREB1、ABF3和ABF4/AREB2主要參與高鹽、干旱、熱、ABA以及氧化脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。

bZIP轉(zhuǎn)錄因子通過在分子水平上的響應(yīng)，通過減少毒害物質(zhì)積累，保護(hù)膜的完整性來(lái)提高植株的耐鹽能力。在Hsieh等[24]的研究中，在高鹽濃度條件下，與野生型番茄相比，只有含SlAREB1的轉(zhuǎn)基因番茄能正常生長(zhǎng)及開花結(jié)果，轉(zhuǎn)基因番茄植株內(nèi)的丙二醛含量明顯低于野生型對(duì)照。大豆中已經(jīng)鑒定出的bZIP基因中，1/3以上的基因能對(duì)高鹽、干旱、ABA、低溫中的至少一種植物逆境有響應(yīng)。其中，大豆的GmbZIP132[25]和GmbZIP1[26]基因能顯著提高轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽能力。玉米的ABP9[27]和ZmbZIP72基因也可顯著提高耐鹽能力，Ying等[28]將玉米ZmbZIP72轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)到擬南芥中，提高了擬南芥的耐鹽性。將辣椒基因CAbZIP1轉(zhuǎn)入擬南芥中[29]，轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性和抗旱性均得到提高。

剛毛檉柳是一種根系發(fā)達(dá)、生命力極強(qiáng)、極耐鹽堿、耐干旱瘠薄的檉柳科樹種，它的bZIP基因有很強(qiáng)的抗鹽能力。Wang等[30]將剛毛檉柳的ThbZIP1基因轉(zhuǎn)入煙草，在不同高鹽濃度條件下，轉(zhuǎn)基因植株的長(zhǎng)勢(shì)、POD和SOD活性及可溶性糖含量均高于野生型植株。Ji等[31]將剛毛檉柳的ThbZIP1基因轉(zhuǎn)入擬南芥，在正常條件下生長(zhǎng)，轉(zhuǎn)基因植株與野生型植株并沒有差異，但是，在干旱脅迫、高鹽和甘露醇的脅迫下，含ThbZIP1的轉(zhuǎn)基因植株的根部長(zhǎng)勢(shì)、鮮質(zhì)量、種子萌發(fā)均明顯比野生型植株提高，并且，在鹽脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株參與正、負(fù)調(diào)控的基因也明顯增加，研究表明，高鹽條件能高度誘導(dǎo)ThbZIP1基因的表達(dá)，它通過有效清除活性氧自由基和積累可溶性滲透物質(zhì)來(lái)提高植物耐鹽能力。

在水生植物中，bZIP基因也有一定的抗鹽作用。Xiang等[32]發(fā)現(xiàn)，水稻基因OsbZIP23的超表達(dá)能顯著提高水稻的耐鹽性、抗旱性和ABA敏感性，在對(duì)照植株中，水稻的耐鹽性、抗旱性和ABA敏感性也隨之明顯降低，這表明OsbZIP23基因在水稻的耐鹽、抗旱過程中起到了非常重要的作用。水稻中OsABF1[33]和OsABF2[34]也能大大提高植株在高鹽條件下的適應(yīng)能力。Cheng等[35]的研究表明，蓮藕中對(duì)鹽有隔離和功能性特征響應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子LrbZIP能提高植株耐鹽能力，它的表達(dá)能讓植株在250 mmol/L NaCl處理下正常生長(zhǎng)長(zhǎng)達(dá)18 h。在高鹽處理?xiàng)l件下，通過對(duì)轉(zhuǎn)基因植株和對(duì)照植株的根部生長(zhǎng)、葉綠素含量和電解質(zhì)滲出率的比較發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出更高的承受能力。

另外，植物在逆境中對(duì)bZIP轉(zhuǎn)錄因子的超表達(dá)可提高植物光合作用的能力，通過提高植物的光合作用，從而提高植物的抵抗能力，間接地增強(qiáng)植物對(duì)高鹽等逆境的抗性。如擬南芥的ABP9在植物光合過程中起著重要的作用[36]。植物在不同的發(fā)育階段，bZIP轉(zhuǎn)錄因子對(duì)耐鹽性的調(diào)控也有所不同。在苗期和抽薹期，對(duì)大豆GmbZIP44、GmbZIP62、GmbZIP78超表達(dá)能提高植株耐鹽能力[37]。

5 展望

植物耐鹽機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，在鹽脅迫條件下，植物能有效協(xié)調(diào)自身調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)達(dá)到抗鹽、拒鹽的功能，但由于土壤鹽堿化加重，植物自身的調(diào)節(jié)體系已經(jīng)無(wú)法滿足正常生長(zhǎng)的要求。通過對(duì)植物耐鹽機(jī)制的了解和研究，結(jié)合bZIP轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物抗性的研究，可以得到bZIP類轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)基因耐鹽作物，從而提高作物的耐鹽能力。近年來(lái)，對(duì)bZIP轉(zhuǎn)錄因子的基因克隆及其功能研究和對(duì)bZIP轉(zhuǎn)錄因子在抗逆過程中的作用機(jī)理的研究進(jìn)展明顯，bZIP轉(zhuǎn)錄因子在植物耐鹽性方面取得的進(jìn)展已經(jīng)有效增強(qiáng)了作物耐鹽的效果。但目前bZIP轉(zhuǎn)錄因子中各個(gè)基因的具體功能及其作用強(qiáng)度沒有突破性進(jìn)展。在今后的研究中，在全基因組層面上尋找更多的bZIP轉(zhuǎn)錄因子，并對(duì)其進(jìn)行基因克隆和功能分析。將各類抗逆境基因有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，共同轉(zhuǎn)入植物體內(nèi)，有望得到具有綜合抗逆能力的作物新品種。隨著基因工程技術(shù)的不斷完善和進(jìn)步，相信會(huì)有更多、更安全、更實(shí)用的轉(zhuǎn)基因抗性品種被廣泛應(yīng)用，從而推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前進(jìn)的腳步。

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