植物轉錄因子TIFY家族蛋白結構和功能的研究進展

楊銳佳 張中保 吳忠義

（1. 北京市農林科學院北京農業生物技術研究中心，北京 100097；2. 首都師范大學生命科學學院，北京 100048）

轉錄因子（Transcription factors）是RNA聚合酶在真核生物特異啟動子上起始轉錄所需要的作用因子，由DNA結合區（DNA-binding domain，DBD）、轉錄調控區（Tanscription regulation domain，RD）、寡聚化位點（Oligomerization site，OS）和核定位信號區（Nuclear localization signal，NLS）組成。TIFY蛋白是植物中一類特異性轉錄因子，曾被稱為花序分生組織中表達的鋅指蛋白（Zinc-finger protein expressed in inflorescence meriste，ZIM）家 族，屬于植物特異的GATA轉錄因子家族，后因其存在一個高度保守的功能結構域TIFY域，即TIF［F/Y］XG氨基酸序列，所以被命名為TIFY基因家族［1］。TIFY只發現于陸生植物中，在擬南芥中首次鑒定出了TIFY基因ZIM（AT4G24470）［2］，隨后TIFY基因陸續在水稻、楊樹和小麥等中被鑒定出來［3］。根據保守結構域的組成將TIFY家族蛋白分為4個亞家族：TIFY、JAZ、ZML和PPD，且可分成兩個亞群，亞群I包含C2C2-GATA結構域，亞群II不含該結構域。本文通過回顧近年研究成果，從TIFY蛋白的結構特征、分布及在調控植物的生長發育，響應各種逆境脅迫和不同激素信號等方面的生物學功能進行綜述，旨在對TIFY蛋白家族深入的研究與利用奠定理論基礎。

1 TIFY蛋白的結構特征

根據保守結構域的組成可將TIFY家族蛋白分為4個亞家族：TIFY、JAZ、PPD和ZML（圖1）。其中TIFY蛋白包含高度保守的TIFY結構域，此結構域含28個氨基酸和一個核心基序TIF［F/Y］XG，預測分析表明TIFY結構域二級結構為α-α-β［4］。JAZ蛋白為不含DNA結合結構域的阻遏蛋白，因此必須依賴于蛋白間的相互作用來行使功能［1］，除包含TIFY結構域外，在其C端還存在一個保守Jas結構域，由12-29個殘基組成，可與MYC2蛋白發生互作，能參與到JA信號傳導途徑中，還可以與MYB［5］、EIN3、EIL1等轉錄因子互作，并且其Jas結構域中存在細胞核定位信號，使JAZs具有核定位特性［6］。組成PPD蛋白的3個結構域中除了保守的TIFY結構域，還存在一個N端PPD結構域以及PY基序缺失的Jas結構域，PPD蛋白不能結合DNA，但是可以依賴TIFY結構域形成同源或者異源二聚體。ZML蛋白也是除TIFY結構域，還包含有一個CCT基序、GATA鋅指結構域，其中CCT結構域最早是在轉錄因子TOC1和CONSTANS（CO）蛋白中發現的，這兩種蛋白被認為參與了植物的光周期信號傳導，而CCT結構域參與了介導蛋白質與蛋白質間的相互作用［4］。

圖1 TIFY蛋白家族的分類及結構特征［7］

2 TIFY蛋白在植物中的分布

TIFY家族蛋白在植物中的分布十分廣泛。目前，在擬南芥中發現有18個TIFY家族基因［1］。水稻中有20個TIFY家族基因，其中9個基因對于茉莉酸和損傷處理會有應答，而幾乎所有水稻TIFY基因都可以響應一種或多種的非生物脅迫，如干旱、鹽堿、低溫［8］。玉米中有30個TIFY家族基因，包括1個TIFY、3個ZML和26個JAZ基因，部分基因可響應生物或非生物脅迫［9］。二穗短柄草中的TIFY基因對于干旱、鹽堿、低溫和高溫等一種或多種非生物脅迫也都有應答［10］。此外，在一些其他植物如小麥（Triticum aestivum）［3］、菜豆（Phaseolus vulgaris）［11］、丹 參（Salvia miltiorrhizaBunge）［12］、番茄（Solanum lycopersicum）［13］、香蕉（Musa acuminate）［14］、野大豆（Glycine soja）［15］、木豆（Ca-janus cajan）［16］、柳 枝 稷（Panicum virgatumL.）［17］、毛竹（Phyllostachys edulis）［18］、蘋果（Malus×domestica）［19］、西瓜（Citrullus lanatus）［20］、沙梨（Pyrus pyrifolia）［21］、葡 萄（Vitis vinifera）［22］、牽 牛 花（Ph-arbitis nil）［23］、雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii）［24］等植物中均能找到TIFY家族轉錄因子。從上述植物中分別挑選出一些代表性的基因進行進化關系分析，共選取不同物種的142個TIFY家族基因，其中擬南芥18種、玉米30種、水稻20種、小麥40種、二穗短柄草4種、葡萄19種、番茄5種、蘋果4種及梨3種，得以展示TIFY家族在植物中的廣泛分布及親緣關系（圖2）。可以發現在TIFY的4個不同亞家族中，JAZ家族屬于分布最廣泛及數目最多的一個家族。

3 TIFY蛋白的生物學功能

3.1 TIFY在植物生長發育中的功能

TIFY家族在植物中分布廣泛，其4個亞家族在調控植物的莖、葉、花的發育過程中起到重要作用。

3.1.1 TIFY調控莖葉的發育 過量表達OsTIFY11b的水稻植株，通過增加植物莖和葉鞘中碳水化合物的積累，不僅在抽穗期葉片較長，葉鞘和莖中的淀粉和蔗糖含量高于未轉化植株，其籽粒的長度、寬度和厚度也均超過未轉化植株，籽粒重增加了9%-21%［25］。在擬南芥中，AtTIFY4a（PPD1）和AtTIFY4b（PPD2）基因調控葉片的發育，表現在調節葉片的大小、限制葉片邊緣的彎曲程度［26］。另外有研究發現擬南芥中PPD2能與NINJA共同調節葉片的整齊度［27］。擬南芥中另外一個基因AtTIFY1（ZIM）可促進葉柄和下胚軸的延伸［28］。還有一些植物中，如雷蒙德氏棉GrTIFY基因參與纖維的發育［24］。沙梨中發現其PpTIFY基因在葉片中的表達量最高，而在果實成熟過程中表達量明顯下降，并且用茉莉酸和光照處理還能誘導PpTIFY，與沙梨果皮中花青素的積累有關［21］。

圖2 植物中部分TIFY家族基因聚類分析

3.1.2 TIFY調控花的發育 擬南芥ZIM（AT4G 24470）是最早被鑒定的TIFY家族成員，研究表明其與花序的發育和開花有關［2］。牽牛花的PnFL-2蛋白含有TIFY家族典型的TIFY與CCT結構域，研究發現與野生型相比，組成型過表達PnFL-2的轉基因植株在長日照條件下的開花時間稍早，表明PnFL-2可能在花誘導發揮作用［23］。另外過表達SlJAZ2的轉基因番茄株高和節間長度降低，毛狀體減少，側芽萌發早，花期提前，控制開花時間的基因明顯上調，加速植物生長向生殖生長的轉變［29］。

3.2 TIFY在植物逆境脅迫應答中的調控

TIFY家族響應生物脅迫的相關報道較少，主要集中在TIFY家族的非生物脅迫響應。

3.2.1 TIFY響應干旱脅迫 在擬南芥中JAZ7基因可通過調節植物的光合作用、氧化還原、氨基酸、植物激素和防御代謝物來產生耐旱性［30］。Li等［19］根據蘋果基因組序列的預測基因共鑒定了30個TIFY基因，包括18個JAZ、2個PPD、2個ZML和8個TIFY基因，發現其中一些特定基因對非生物脅迫或激素處理有響應，如MdJAZ1、9、11、13、15和MdPPD1在干旱和高鹽處理時均上調；外源脫落酸（Abscisic acid，ABA）和茉莉酸（Jasmonic acid，JA）處理時也均能誘導蘋果JAZ基因顯著上調表達，相比之下，大部分JAZ、PPD和ZML基因對水楊酸（Salicylic acid，SA）和乙烯（Ethylene，ET）沒有響應。同樣在葡萄中VvTIFY也受JA與ABA誘導，而對SA與ET不敏感，而且其中一些特定基因，如VvJAZ4、5、9、11和VvZML1表現出對冷脅迫有響應同時也都受到干旱或鹽堿的調控，這意味著這兩種脅迫途徑在植物中可能存在相互作用。只有一個葡萄的TIFY基因（VvJAZ11）表現出對熱脅迫的下調響應［22］。Zhang等［9］通過芯片數據發現，ZmTIFY基因參與玉米不同階段發育，具有組織特異性表達模式，同時響應干旱脅迫。RNA-seq和qPCR分別鑒定了11個、13個響應脫水和冷脅迫的毛竹家族基因PeTIFY［18］。有實驗發現，在水稻中過量表達OsTIFY11a基因時，可以顯著性的提高水稻對于鹽脅迫和脫水脅迫的耐受性［8］。OsJAZ1可作為OsbHLH148相關的茉莉酸信號通路的轉錄調控因子，在茉莉酸鹽信號通路中發生相互作用，導致水稻耐旱［31］。

3.2.2 TIFY響應滲透脅迫 番茄的轉錄組數據表明，多數SlJAZ基因對鹽、滲透脅迫或JA、ABA處理均有響應，如SlJAZ7和SlJAZ11可同時被JA和ABA上調，SlJAZ1、SlJAZ3和SlJAZ36分別被JA上調和ABA下調。鹽對多數SlJAZ基因的表達具有正向和負向調節作用，如SlJAZ3、SlJAZ7和SlJAZ10在番茄葉片中被鹽誘導上調，而抑制SlJAZ1的轉錄，并在根和葉中輕微地抑制SlJAZ6的轉錄。滲透脅迫主要抑制SlJAZ基因的表達，在番茄根中8個SlJAZ基因中的6個被滲透脅迫下調。此外，葉片中SlJAZ1、SlJAZ3、SlJAZ10的轉錄也受到抑制，SlJAZ7是唯一被滲透脅迫上調的基因［13］。

3.2.3 TIFY響應鹽脅迫 TIFY轉錄因子涉及物種較多，而報道文章主要集中于TIFY表達調控分析，有關TIFY基因家族具體生物學功能的實驗研究報道較少，其中有關擬南芥和大豆中TIFY響應鹽脅迫的相關實驗支撐較多。Zhu等［15］發現重碳酸鹽、鹽脅迫和植物激素JA均可誘導野生大豆GsTIFY10的表達，在擬南芥中過表達GsTIFY10可增強野生大豆在種子萌發、幼苗和成年早期幼苗發育階段時植物對碳酸氫鹽的抗性；并且在JA存在下，過表達GsTIFY10的擬南芥植物根系比野生型長，部分JA響應和JA生物合成相關基因在GsTIFY10過表達擬南芥株系中被抑制。朱丹等［32］發現在擬南芥中基因GsTIFY11b通過調控鹽脅迫信號通路中關鍵基因（NHX1、KIN1和DREB）的轉錄來增加擬南芥對鹽脅迫的敏感性，即降低了擬南芥對鹽脅迫的耐性，表明該基因參與并干擾了植物在應對鹽脅迫逆境過程中的防御機制。閻文飛等［33］采用熒光定量PCR技術檢測GsTIFY6B在野生大豆不同部位以及鹽堿脅迫和激素處理下的轉錄水平，發現GsTIFY6B可能通過參與ABA和MeJA信號通路響應鹽堿脅迫。另有研究發現，隸屬于TIFY家族的JAZ亞家族成員GsJAZ2可提高大豆堿脅迫耐受性，過表達GsJAZ2的轉基因大豆在堿性條件下生長良好，野生型植株出現萎黃病、生長受阻甚至死亡。另外，轉基因植株的葉綠素濃度高于野生型，丙二醛（MDA）含量低于野生型。大豆中GsJAZ2過表達導致JA不敏感，包括JA介導的根系生長抑制。在堿性脅迫下檢測并改變了部分JA應答基因的轉錄本，結果表明GsJAZ2過表達可能參與了JA信號通路中抗滲透物質的積累，從而防御堿性脅迫［34］。還有研究發現在小麥中過表達TdTIFY11a的轉基因株系，在高鹽條件下的發芽率和生長速率均高于野生型［3］。在茉莉酸（JA）和鹽、干旱等非生物脅迫處理下的qRT-PCR結果分析顯示，西瓜部分TIFY基因均有應答，其中ClJAZ1和ClJAZ7的誘導表達上調最為顯著［20］。

3.2.4 參與其他脅迫響應 Sirhindi等［16］發現，木豆部分CcTIFY家族基因能響應銅脅迫。玉米的ZmJAZ基因呈現出對某些生物脅迫真菌（如絲黑穗、莖腐病和炭疽病）具有一定程度的脅迫響應［9］。

3.3 TIFY參與植物多種激素信號轉導網絡調控

TIFY家族中的JAZ蛋白作為茉莉酸途徑的抑制因子，不僅是調節茉莉酸激素應答的關鍵樞紐，而且可以通過和其他信號通路中調控因子的相互作用，在復雜激素調節網絡中發揮重要作用［12］。JAZ蛋白可以和多種轉錄因子及共阻遏蛋白結合，便將茉莉酸信號通路和其他多種信號通路聯系起來，有研究表明JA介導的JAZ蛋白轉錄水平的變化與生長素（Auxin，IAA）、ET、赤霉素（Gibberellins，GAs）及油菜素內脂（Brassinosteroid，BR）等激素信號的調節相關，從而在植物的生長發育、激素應答、脅迫響應等方面發揮作用［35］。當植物處于正常生長條件時，其體內的JA-Ile含量較低，MYC2作為JA應答基因的起始轉錄因子，會被JAZ蛋白結合同時吸引NINJA和TPL這些共阻遏物來共同抑制JA應答基因的轉錄，導致植物無法進行JA應答反應。但是當植物在生長發育過程中遇到不利環境等脅迫時，其體內的JA-Ile含量就會增多，JAZ蛋白也會被COI1結合通過泛素化蛋白酶體的途徑被降解，這樣MYC2等轉錄因子便可以順利啟動JA應答基因的轉錄（圖3）。在蘋果中的研究發現，MdCIbHLH1在體外和體內與MdJAZ1/4和MdMYC2相互作用。MdJAZ1/4作為抑制因子，在茉莉酸信號通路中結合MdMYC2。愈傷組織中MdMYC2的過表達增加了MdCIbHLH1、MdCBF1、MdCBF2和MdCBF3的表達水平，導致耐凍性增加。此外，MdJAZ1或MdJAZ4在轉基因紅肉蘋果愈傷組織中的過表達減弱了MdMYC2對耐寒性的促進作用［36］。從茶樹基因組數據庫中鑒定了12個JAZ基因，RT-PCR分析顯示，其中7個CsJAZ基因在根中優先表達。此外，冷、熱、PEG、MeJA和GA刺激對CsJAZ的表達也有差異［37］。有研究發現，玉米ZmJAZ14基因在擬南芥中的過表達增強了植株對JA和ABA處理的耐受性以及PEG脅迫，而在GA刺激下促進了植株的生長，ZmJAZ14是JA、ABA和GA信號通路之間的交叉通訊樞紐［38］。黃絲瓜蘚PnJAZ1介導JA與ABA在鹽脅迫下的信號交談［39］。棉花中GhJAZ3與GhSLR1的相互作用介導了JA和GA對表皮細胞分化與伸長的調控［40］。水稻OsJAZ9與SLR1之間的蛋白互作參與介導應激響應的JA信號與促生長GA信號之間的拮抗作用［41］。茉莉酸甲酯（Methyl jasmonate，MeJA）處理草莓果實接種灰霉病菌后防御系統啟動及MYC2、JAZ1基因表達上調［42］。

3.4 TIFY蛋白的其他功能

TIFY蛋白家族還有一些其他的功能。如JAZ蛋白通過與小麥和擬南芥中的ABI5相互作用調控種子萌發［43］。羅冬蘭等［14］研究發現香蕉基因MaTIFY能夠隨著果實的成熟而表達量增強，并可能受到乙烯誘導參與香蕉果實成熟的調控。紫云英AsJAZ1基因與豆血紅蛋白AsB2510的相互作用定位于細胞膜和細胞質，參與根瘤發育及氮素固定［44］。茉莉酸甲酯（MeJA）通過誘導丹參毛狀根中丹參酚酸和丹參酮的生物合成途徑基因的表達，促進了丹參毛狀根中丹參酚酸和丹參酮的積累，如SmJAZ8負調控丹參酚酸B的生物合成，而SmJAZ3和SmJAZ9負調控丹參酮的生物合成［45］。

圖3 JAZ蛋白介導的JA信號通路模型［35］

4 總結與展望

TIFY蛋白作為植物特有的轉錄因子，在植物的生長發育、響應逆境脅迫和信號轉導等中發揮重要作用，其家族成員不多，目前研究最為廣泛的是JAZ亞類群蛋白，因為可與MYC2互作，參與茉莉酸信號轉導過程來響應生物或非生物脅迫。目前，雖然從各高等植物中分離鑒定出的TIFY蛋白很多，但已知具體功能的蛋白所占比例卻還是很低。未來的研究應著力于（1）機理研究：當前只有JAZ亞家族參與JA信號通路的作用機制比較清楚，而其他亞家族如PPD、ZML可參與的通路或作用機理并不完全清楚，還需更深的認識與了解；（2）結構研究：TIFY蛋白均含有保守的TIFY結構域，各亞族包含的基本結構域也較為清楚，但除了JAZ結構域的功能研究豐富外，其他各個結構域的功能也要深入研究；（3）響應脅迫研究：近年來，TIFY蛋白在植物抗逆脅迫中的研究成為熱點，多集中在植物在應對一些非生物脅迫如干旱、鹽堿、滲透等逆境，而對于生物脅迫相關研究較少。而且已經發現的多為JAZ亞家族基因在逆境脅迫中的重要作用，所以挖掘其他亞家族抗逆基因將成為今后工作重點，可為作物育種提供理論依據。