TGA轉錄因子在植物氧化脅迫應答中的調控作用

羅秀云，李園園，周 賡，田 云，盧向陽

（1.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南長沙410128；2.湖南省農業生物工程研究所，湖南長沙410128）

植物體內各組織器官（如根、莖、葉、花、果）時刻都在發生生理代謝，在代謝過程中會產生活性氧（ROS）。環境脅迫（如干旱、低溫、高溫、鹽害、外源H2O2等）會導致植物體內積累大量的ROS，破壞機體內ROS氧化還原的平衡，從而產生氧化脅迫。氧化脅迫會使植物體內ROS的清除能力減弱，造成植物傷害甚至死亡［1－2］，在很大程度上影響植物的生長發育、作物品質和產量［3］。

目前，氧化脅迫的研究主要集中在兩方面：一是病毒、微生物引起的植物機體抗氧化應答機理；二是外源H2O2和光照等條件誘導產生的植物抗氧化調控［4］。ROS是氧化脅迫研究的關鍵信號分子，主要存在于線粒體、內質網等膜系統中，植物體內清除過量的ROS途徑主要有兩類：抗氧化酶系統（NADPH 酶、脂氧合酶等）和抗氧化劑（GSH、Vc等）［5］。此外，植物機體內ROS的信號轉導途徑易受機體自身激素的影響［6］。在植物ROS信號途徑中，硫基類蛋白，尤其是半胱氨酸蛋白對ROS的信號轉導途徑起關鍵作用。目前，在ROS信號轉導途徑的研究中，主要有NPR1／TGA 和Rap2.4兩類關鍵蛋白［7］。作者主要綜述了植物TGA轉錄因子的分類、結構和作用，重點介紹了TGA 轉錄因子在植物ROS應答途徑中的調控作用。

1 植物TGA轉錄因子

轉錄因子是由DNA 結合結構域和轉錄激活結構域構成的能與DNA 分子相互作用的蛋白質，根據DNA 結合位點的不同可分為多類，如bZIP 類轉錄因子、MYC類轉錄因子等［8］。植物TGA 轉錄因子是能夠識別TGACGT 特異性結合序列且含有一個典型的鋅指結構域和2個谷氨酰胺轉錄激活位點的一類轉錄因子，屬于bZIP 轉錄因子家族中的一個亞家族。TGA 轉錄因子中鋅指結構域是螺旋－旋轉－螺旋類的DNA 結構域，且在DNA 結構域的C 端含有一個亮氨酸拉鏈和堿性結構的二聚體，此外，其谷氨酰胺激活結構域是一類酸性轉錄激活域。

1.1 植物TGA轉錄因子的分類與結構

1989年，利用花椰菜花葉病毒（CaMV）35S 啟動子，首次在煙草中發現了TGA1a轉錄因子并確定其能識別TGACGT 特異性結合序列［9］。之后在水稻、擬南芥中陸續發現了TGA 轉錄因子。

根據TGA 轉錄因子的結構差異，植物TGA 轉錄因子可分為6 類：TGA1a、TGAⅠ、TGAⅡ、TGAⅢ、TGAⅣ、TGAⅤ，見表1。

根據植物TGA 轉錄因子的DNA 結構域和轉錄激活域的結構特征，可明顯地比較這6類轉錄因子的結構異同［10］，見圖1。

表1 植物TGA轉錄因子的分類Tab.1 Classification of TGA transcription factors in plant

圖1 植物TGA轉錄因子的結構Fig.1 Structures of TGA transcription factors in plant

有研究表明，在擬南芥中發現了10個TGA 轉錄因子，根據其結構的不同可以分為5類：TGAⅠ、TGAⅡ、TGAⅢ、TGAⅣ、TGAⅤ。其中TGAⅠ包括TGA1（At5g65210）和TGA4（At5g10030），其調控作用類似于煙 草 中 的 TGA1a；TGA Ⅱ 包 括 TGA2（At5g06950）、TGA5（At5g06960） 和 TGA6（At3g12250），相對其它類別而言，其DNA 結構域含有較短的N 端序列，是TGA 轉錄因子中研究最多的一類；TGA Ⅲ包括TGA3（At1g22070）和TGA7（At1g77920）；TGAⅣ主要包括TGA9（At1g08320）和TGA10（At5g06830）［17］；TGA Ⅴ 包 括 PAN（At1g68650）。

1.2 植物TGA 轉錄因子的作用

TGA 轉錄因子參與調節植物根系的生長、脅迫應答、開花調節等多種生理代謝過程。目前，主要通過擬南芥研究TGA 轉錄因子的功能，對水稻、煙草中TGA 轉錄因子的研究較少。

TGAⅠ類轉錄因子參與植物根系的生長調節。Alvarez等［18］利用免疫共沉淀及生物信息學分析法研究了擬南芥中TGA1和TGA4轉錄因子，結果表明，TGAⅠ作為關鍵調節因子參與擬南芥根系中硝酸鹽的調節。

TGAⅡ類轉錄因子參與植物脅迫的應答。Stotz等［19］研究表明，擬南芥TGA2轉錄因子參與環境脅迫誘導的氧化脅迫途徑及ROS的氧化還原調控途徑，恢復植物生長發育，避免外界不利條件對植物產生影響。此外，丁香假單胞菌會侵染擬南芥，產生生物脅迫，激活機體內細胞分裂素途徑，促使TGA3 轉錄因子與ARR2互作形成復合物啟動pr1基因表達，從而調節擬南芥的生長發育［14］。

2 植物ROS應答途徑

氧化脅迫信號轉導的關鍵是植物機體內ROS的氧化還原途徑，植物TGA 轉錄因子因其螺旋－折疊－螺旋的DNA 結構域，通過特異性識別并結合TGACGT序列而參與氧化脅迫［20］。Chen等［21］報道了as－1 順式元件能結合bZIP 類轉錄因子PIF1／PIF3與HY5／HYH 互作的復合物，激活ROS 相關基因的表達，調控ROS應答途徑。作為ROS應答途徑的關鍵調節蛋白as－1順式元件與TGAⅠ、TGAⅡ轉錄因子相互作用，激活ROS 相關基因的表達，調節機體內ROS 水平，使ROS達到氧化還原平衡狀態，從而恢復植物的正常生長發育［12］。ROS的氧化還原途徑主要有兩條：一條是活性電子物質（RES）途徑，另一條是茉莉酸（JA）途徑，見圖2。

圖2 植物ROS的調控過程Fig.2 Regulation process of ROS in plant

2.1 TGA轉錄因子通過介導RES途徑調控植物體內ROS水平

植物抗氧化實質是植物機體中光系統控制植物ROS的去氧化過程，且ROS主要通過植物光合作用產生［22］。當植物體內積累過量的ROS，就會打破機體內ROS的氧化還原平衡態，導致ROS 轉變成RES，RES在SCL14蛋白的作用下，激活TGAⅡ類轉錄因子，啟動RES相關基因的表達，調控ROS途徑中產生的脂質脅迫，達到ROS 的氧化還原平衡態［12，23］。此外，在外源物質誘導產生的植物ROS 信號途徑中，SCL14蛋白結合TGAⅡ類轉錄因子形成復合物TGA／SCL14后，與MYC2 轉錄因子相互作用，誘導Cyp81D11基因的表達，響應機體內脂質脅迫，達到ROS去氧化的目的［24］。

Rojas等［25］報道了光合作用中光反應會干擾植物光系統中氧化激發態，作為光反應中的關鍵酶乙二醛酶（GLO）催化乙醇酸產生ATP和H2O2［26－27］。H2O2是ROS的一種形態，當其濃度超過機體適宜濃度時，GLO 會抑制H2O2以達到植物正常生長的濃度。在煙草中，GLO 參與Pro／AurPto防御反應，使NADPH氧化成NADP＋，促使TGA 轉錄因子和NPR1蛋白相互作用并識別TGACGT 特異性序列，激活pr1 基因表達，響應植物ROS途徑［28］。在水稻信號轉導途徑中，谷氧還蛋白（GST）與GLO 互作形成復合物后，與TGA 轉錄因子相互作用，介導NPR－1的調節，此外，NH1／NH3蛋白通過與TGA 轉錄因子互作形成復合物后與阻遏調控蛋白NRR 結合，使植物獲得氧化脅迫抗性［29］。

2.2 TGA 轉錄因子通過介導JA 途徑調控植物體內ROS水平

植物響應氧化脅迫途徑需依賴JA［30］，其JA 信號轉導途徑與外源物質誘導機體內JA 信號轉導途徑類似［31］。目前，對植物體內JA 信號轉導的機制尚不清楚，還需深入研究［32－33］。

在植物ROS途徑中，茉莉酸－亮氨酸途徑（JA－Ile）與RES途徑具有協同作用，都能恢復機體內ROS的氧化還原平衡。脂氧合酶（LOX）能催化植物機體ROS去氧化，在LOX 的催化下，COI1與JAZ蛋白的復合物與MYC轉錄因子相互作用，激活JA 相關基因的表達，調控ROS 的氧化還原，恢復機體正常生長［34］。有研究表明，TGA 轉錄因子調控的JA／ET 途徑與ROS 的去氧化過程息息相關，EINs 蛋白如EIN2、EIN3 在內質網中磷酸化后進入核內，激活GRX 與TGA2 相互作用，誘導ORA59、ERF1 的表達［13，35－36］。ORA59 會下調JA 的靶基因PDF1.2 和MYC2、MYC3、MYC4的表達［37－38］，參與ROS的氧化還原過程。此外，NPR1 蛋白與TGA 轉錄因子（如TGA2、TGA3、TGA5、TGA6）相互作用，激活JA 相關基因的表達，參與ROS水平調控［39－40］。

2.3 TGA 轉錄因子通過SA 的參與調控植物體內ROS的水平

SA 作為阻遏因子不僅在植物機體內RES的去氧化途徑中起拮抗作用，在JA 途徑中亦然。有研究表明，機體內SA 阻遏TGA 轉錄因子與NPR1蛋白相互作用，弱化ROS去氧化相關基因的表達，抑制植物機體內ROS 氧化還原態的恢復，影響植物的生長發育［17］。

擬南芥中，用SA 處理野生植物和AtTTM 突變株，部分突變株獲得SA 抗性，獲得抗性的植物在脅迫應答中依賴SA、PAD4、NPR1 激活相關蛋白的合成［41－43］。無SA 誘導時，TGAⅢ類轉錄因子TGA3參與HopMⅠ的脅迫應答激活pr1基因的表達，參與調控植物ROS水平，減少脅迫對植物傷害［44－47］。

3 展望

植物轉錄因子調控作用的研究一直是生物學研究的熱點。目前，主要從生物脅迫信號轉導調控方面來研究植物TGA 轉錄因子，而對TGA 轉錄因子介導氧化脅迫調控的研究非常有限。TGA 轉錄因子中，研究較多的是TGAⅡ類轉錄因子，對其它TGA 轉錄因子研究較少。此外，相對其它轉錄因子而言，植物TGA轉錄因子的功能研究有限，除了在擬南芥中研究較多，在其它植物中研究甚少。

針對目前植物TGA 轉錄因子的研究現狀，今后主要從以下幾方面對TGA 轉錄因子展開研究：（1）研究TGA 轉錄因子在氧化脅迫中的復雜的調控網絡；（2）從不同植物材料、不同生理途徑中研究TGA 轉錄因子的調控作用；（3）在植物非宿主防御反應方面對TGA 轉錄因子的調控研究較多，在氧化脅迫應答機制方面研究較少，尤其在ROS應答機制方面的研究還有待進一步加強。

可以預見，隨著分子生物學和細胞生物學的發展，對TGA 轉錄因子在氧化脅迫應答中的作用將會剖析得更加詳細。

［1］WASTERNACK C，HAUSE B.Jasmonates：Biosynthesis，perception，signal transduction and action in plant stress response，growth and development.An update to the 2007review in Annals of Botany［J］.Annals of Botany，2013，111（6）：1021－1058.

［2］ZHOU X F，JIN Y H，YOO C Y，et al.CYCLIN H；1Regulates drought stress responses and blue light－induced stomatal opening by inhibiting reactive oxygen species accumulation inArabidopsis［J］.Plant Physiology，2013，162（2）：1030－1041.

［3］YING S，ZHANG D F，FU J，et al.Cloning and characterization of a maize bZIP transcription factor，ZmbZIP72，confers drought and salt tolerance in transgenicArabidopsis［J］.Planta，2012，10（235）：253－266.

［4］PARK J M，LEE J S，LEE K R，et al.Cordyceps militaris extract protects human dermal fibroblasts against oxidative stress－induced apoptosis and premature senescence［J］.Nutrients，2014，6（9）：3711－3726.

［5］SHINOHARA A，IMAI Y，NAKAGAWA M，et al.Intracellular reactive oxygen species mark and influence the megakaryocyte－erythrocyte progenitor fate of common myeloid progenitors［J］.Stem Cells，2014，32（2）：548－557.

［6］LI C H，WANG G，ZHAO J I，et al.The receptor－like kinase SIT1 mediates salt sensitivity by activating MAPK3／6and regulating ethylene homeostasis in rice［J］.Plant Cell，2014，26（6）：2538－2553.

［7］VOLODYMYR I L.Adaptive response to oxidative stress：Bacteria，fungi，plants and animals［J］.Comparative Biochemistry and Physioligy，Toxicology ＆Pharmacology：CBP，2011，153（2）：175－190.

［8］WATSON J D，TANIA A B，STEPHEN P B.Molecular Biology of the Gene［M］.Fifth Edition.Addison－Wesly Long man，Amsterdam，2010：35－44.

［9］KATAGIRI F，LAM E，CHUA N H.Two tobacco DNA－binding proteins with homology to the nuclear factor CREB［J］.Nature，1989，340（6236）：727－730.

［10］CHRISTIANE G.From pioneers to team player：TGA Transcription factors provide a molecular link between different stress pathways［J］.Molecular Plant－Microbe Interactions，2013，26（2）：151－159.

［11］YAMAMOTO K，TESHIBA S，SHIGEOKA Y.Characterization of an omega－class glutathione S－transferase in the stress response of the silkmoth［J］.Insective Molecular Biology，2011，20（3）：379－386.

［12］EDWARD E F，MARTIN J M.ROS－Mediated lipid peroxidation and RES－activated signaling［J］.Annual Review Plant Biology，2013，64：429－450.

［13］ZANDER M，CHEN S X，IMKAMPE J，et al.Repression of theArabidopsisthalianajasmonic acid／ethylene－induced defense pathway by TGA－interacting glutaredoxins depends on their Cterminal ALWL motif［J］.Molecular Plant，2012，5（4）：831－840.

［14］CHOL J，HUH S U，KOJIMA M.The cytokinin－activated transcription factor ARR2 promotes plant immunityviaTGA3／NPR1－dependent salicylic acid signaling inArabidopsis［J］.Developmental Cell，2010，19（2）：284－295.

［15］MURMUM J，BUSH M J，de LONG C.Arabidopsisbasic leucine－zipper transcription factors TGA9and TGA10interact with floral glitaredoxins ROXY1and ROXY2and are redundantly required for anther development［J］.Plant Physiology，2010，154（3）：1492－1504.

［16］LI S，LAURI A，ZIEMANN M.Nuclear activity of ROXY1，agl－utaredoxin interacting with TGA factors，is required for petal development inArabidopsisthaliana［J］.Plant Cell，2009，21（2）：429－441.

［17］MARK Z，CORINNA T，CHRISTIANE G.TGA Transcription factors activate the salicylic acid－suppressible branch of the ethylene－induced defense program by regulatingORA59expression［J］.Plant Physiology，2014，165（4）：1671－1683.

［18］ALVAREZ J M，RIVERAS E，VIDAL E A，et al.Systems approach identifies TGA1and TGA4transcription factors as important regulatory components of the nitrate response ofArabidopsisthalianaroots［J］.Plant Journal，2014，80（1）：1－13.

［19］STOTZ H U，FINDLING S，NUKARINEN F，et al.A tandem affinity purification tag of TGA2for isolation of interacting proteins inArabidopsisthaliana［J］.Plant Singaling ＆ Behavior，2014，9：e29990.

［20］BERGAMO P，LUONGO D，MAURANO F，et al.Butterfat fatty acids differentially regulate growth and differentiation in Jurlat T－cells［J］.Journal of Cell Biochemistry，2005，96（2）：349－360.

［21］CHEN D，XU G，TANG W，et al.Antagonistic basic helix－loophelix／bZIP transcription factors from transcriptional modules that integrate light and reactive oxygen species singnaling inArabidopsis［J］.Plant Cell，2013，25（5）：1657－1673.

［22］CHERN M，BAI W，CHEX X W，et al.Reduced expression of glycolate oxidase leads to enhanced disease resistance in rice［J］.Peerj，2013，1：e28.

［23］DOMBRECHT B，XUE G P，SPRAGUE S J，et al.MYC2differentially modulates diverse jasmonate－dependent functions inArabidopsis［J］.Plant Cell，2007，19（7）：2225－2245.

［24］KOSTER J，THUROW C，KRUSE K，et al.Xenobiotic－and jasmonic acid－inducible signal transduction pathways have become interdependent at theArabidopsisCYP81D11 promoter［J］.Plant Physiology，2012，159（1）：391－402.

［25］ROJAS C M，SENTHIL－KUMAR M，WANG K，et al.Glycolate oxidase modulates reactive oxygen species－mediated signal transduction during nonhost resistance inNicotianabenthamianaandArabidopsis［J］.Plant Cell，2012，24（1）：336－352.

［26］FOYER C H，BLOOM A J，QUEVAL G，et al.Photorespiratory metabolism：Genes，mutants，energetics，and redox signaling［J］.Annual Review of Plant Biology，2009，60：455－484.

［27］ZELITCH I，SCHULTES N P，PETERSON R B，et al.High glycolate oxidase activity is required for survival of maize in normal air［J］.Plant Physiology，2009，149（1）：195－204.

［28］ROJAS C M，MYSORE K S.Glycolate oxidase is an alternative source of H2O2production during plant defense responses and functions independently from NADPH oxidase［J］.Plant Signaling ＆Behavior，2012，7（7）：752－755.

［29］CHERN M，CANLAS P E，FITZGERALD H A，et al.Rice NRR，a negative regulator of disease resistance，interacts withArabidopsisNPR1and rice NH1［J］.The Plant Journal，2005，43（5）：623－635.

［30］PIETERSE C M J，VANDER D D，ZAMIOUDIS C，et al.Hormonal modulation of plant immunity［J］.Annual Review of Cell and Developmental Biology，2012，28：489－521.

［31］HOWE G A，JANDER G.Plant immunity to insect herbivores［J］.Annual Review of Plant Biology，2008，59：41－66.

［32］ATTARAN E，MAJOR I T，GRUZ J A，et al.Temporal dynamics of growth and photosynthesis suppression in response to jasmonate signaling［J］.Plant Physiology，2014，165（3）：1302－1314.

［33］LIN Z，ZHONG S，GRIERSON D.Recent advances in ethylene research［J］.Journal of Experimental Botany，2009，60（12）：3311－3336.

［34］FERNANDEZ－CALVO P，CHINI A，FERNADEZ－BARBERO G，et al.TheArabidopsisbHLH transcription factors MYC3 and MYC4are targets of JAZ repressors and act additively with MYC2in the activation of jasmonate responses［J］.Plant Cell，2011，23（2）：701－715.

［35］STEPANOVA A N，ALONSO J M.Ethylene signaling and response：Where different regulatory modules meet［J］.Current Opinion in Plant Biology，2009，12（5）：548－555.

［36］JU C，YOON G M，SHEMANSKY J M，et al.CTR1Phosphorylates the central regulator EIN2to control ethylene hormone signaling from the ER membrane to the nucleus inArabidopsis［J］.Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012，109（47）：19486－19491.

［37］van der DOES D，LEON－REYES A，KOORNNEEF A，et al.Salicylic acid suppresses jasmonic acid signaling downstream of SCFCOI1－JAZ by targeting GCC promoter motifsviatranscription factor ORA59［J］.Plant Cell，2013，25（2）：744－761.

［38］MUR L A，PRATS E，PIERRE S，et al.Integrating nitric oxide into salicylic acid and jasmonic acid／ethylene plant defense pathways［J］.Fromtiers in Plant Science，2013，215（4）：1－7.

［39］BARGMANN B O R，LAXALT A M，RIET B T，et al.Reassessing the role of phospholipase D in theArabidopsiswounding response［J］.Plant Cell Environ，2009，32（7）：837－850.

［40］ZANDER M，LACAMERA S，LAMOTTE O，et al.Arabidopsis thalianaclass－ⅡTGA transcription factors are essential activators of jasmonic acid／ethylene－induced defense responses［J］.The Plant Journal，2010，61（2）：200－210.

［41］VLOT A C，KLESSIG D F，PARK S W.Systemic acquired resistance：The elusive signal（s）［J］.Current Opinion in Plant Biology，2008，11（4）：436－442.

［42］SHAH J，ZEIER J.Long－distance communication and signal amplification in systemic acquired resistance［J］.Frontiers in Plant Science，2013，4：30.

［43］UNQ H，MOEDER W，YOSHIOKA K.Arabidopsistriphosphate tunnel metalloenzyme2（AtTTM2）is a negative regulator of the salicylic acid－mediated feedback amplification loop for defense responses［J］.Plant Physiology，2014，10（1104）：1－41.

［44］KESARWANI M，YOO J，DONG X.Genetic interactions of TGA transcription factors in the regulation of pathogenesis－related genes and disease resistance inArabidopsis［J］.Plant Physiology，2007，144（1）：336－346.

［45］KALDE M，NUHSE T S，FINDLAY K，et al.The syntaxin SYP132contributes to plant resistance against bacteria and secretion of pathogenesis－related protein 1［J］.Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104（28）：11850－11855.

［46］GANQADHARAN A，SREEREKHA M N，WHITEHILL J，et al.ThePseudomonassyringaepv.tomato type Ⅲeffector HopM1suppressesArabidopsisdefenses independent of suppressing salicylic acid signaling and of targeting AtMIN7［J］.PLoS One，2013，8（12）：e82032.

［47］GATZ C.From pioneers to team players：TGA Transcription factors provide a molecular link between different stress pathways［J］.Molecular Plant－Microbe Interactions，2013，26（2）：151－159.