HD-ZIP 轉錄因子響應病菌與非生物脅迫研究進展

劉 嬌，帥 鵬

（福建農林大學林學院，福建 福州 350002）

0 前言

生物脅迫和非生物脅迫經常出現在植物生長周期中的不同階段。生物脅迫包括病菌侵害、蟲害、雜草危害等，非生物脅迫包括干旱、寒冷、高鹽、光照、ABA、機械損傷等因素。植物接受和識別逆境信號后該信號就在細胞之間和整株植物中傳遞，進而導致植物細胞水平上的基因表達發生變化，影響到整株植物的代謝和發育。植物存在多種感知外部刺激的機制，并且形成了復雜的應激防御體系來應對生物脅迫和非生物脅迫[1]。

HD-ZIP 轉錄因子在調控這一系列應激反應中發揮了至關重要的作用，是植物王國中特有的一類轉錄因子，它參與調控了植物生長發育的各個階段以及對逆境脅迫的應答機制。HD-ZIP 轉錄因子由60 個氨基酸組成的高度保守的結構域（HD）和緊接其羥基末端的亮氨酸拉鏈（LZ）元件組合而成[2]。該蛋白行使功能是通過兩個結構域的緊密結合共同發揮作用，這是與DNA 結合的先決條件[3]。HD 作為與DNA的結合位點負責與靶DNA 特異結合，LZ 介導功能性蛋白二聚體的形成[3,4]。許多HD-ZIP 蛋白對DNA作為單體具有很弱的親和力，因此需要二聚化以提高DNA 結合效率。HD-ZIP 基因家族關于脅迫響應機制在多種植物中已被廣泛研究。近年來，雙子葉和單子葉植物逆境脅迫研究成果越來越多，比如黃瓜（Cucumis sativusL.）[5]、茶樹（Camellia sinensis）[6,7]、芝麻（Sesamum indicum L.）[8]， 辣椒（Capsicum annuumL.）[9]、麻風樹（Jatropha curcasL.）[10]、桉樹（Eucalyptus robusta Smith）[11]、黑麥草（Lolium perenneL.）[12]、木薯（Manihot esculenta Crantz）[13]、鷹嘴豆（Cicer arietinum）[14]等植物。本文主要總結歸納了HD-ZIP 轉錄因子不同植物中應對生物和非生物脅迫，基因的表達模式差異以及復雜的逆境脅迫調控機制。

1 HD-ZIP 不同亞家族的蛋白結構差異

HD-ZIP 蛋白因為其特異結合的DNA 序列的差異、編碼該蛋白的內含子與外顯子的模式、其他保守基序的不同等將其分為4 個亞家族：HD-ZIP Ⅰ～Ⅳ，每個亞家族因為結構的差異在植物中發揮不同的調控功能和表達模式（圖1）。

圖 1 HD-ZIP 家族的分類結構示意圖[15]Fig. 1 Schematic diagram of classified HD-ZIP family[15]

由圖1 可知，HD-ZIP Ⅰ亞家族的蛋白結構最為簡單。HD 與LZ 結構域位于蛋白的中央位置。在HD-ZIP Ⅰ的C 端發現了AHA 保守序列，該序列形成了兩親的、帶負電荷的螺旋使C 端具有激活轉錄功能[15,16]。HD-ZIP Ⅱ和Ⅳ亞家族都具有負責蛋白質活性的氧化還原調節的CPSCE 基序。研究表明，植物的HD 結構域轉錄因子經歷氧化還原修飾會改變其DNA 結合活性[17]。HD-ZIP Ⅲ與HD-ZIP IV 亞家族都有START 和HD-SAD 結構域[2,15]。植物中的START域可能通過結合和轉運類固醇型植物激素或其他脂質分子來參與信號轉導和直接調控轉錄[18]。HDSAD 結構域功能未知，但是在植物中其表現出高度的保守型，預示著該結構域在調控蛋白活性方面發揮重要作用[2]。四類亞家族結構的差異性表明了其具有不同的生物學功能以及在處理外源環境信號時做出不同的響應機制。HD-ZIP III 區別其他亞家族的是具有MEKHLA 結構域，有研究發現該結構域通過獨立序列的空間掩蔽機制抑制蛋白二聚化，需要MEKHLA 結構域的C 末端感知到細胞信號，這種抑制作用得以緩解[19]。

2 HD-ZIP 轉錄因子生物脅迫調控機制

生物脅迫最常見的是細菌和病毒的侵染。植物病菌利用多種策略來對抗宿主防御，然后促進其在易感宿主中的復制，引發病變[20]。植物在應對生物脅迫時通常有基因沉默途徑，激素介導的信號傳導途徑和代謝調控途徑，這些響應機制由激素信號和其他小分子信號共同協調完成。四種激素主要調節植物-病毒相互作用中的基礎防御反應：水楊酸（SA），茉莉酸（JA），乙烯（ET）和脫落酸（ABA）。這些途徑可以是拮抗的，合作的或協同的。因此，植物可以微調串擾的水平，以維持有效的防御，同時將代謝余量降至最低[21,22]。HD-ZIP 在生物脅迫的調控機制的研究并不廣泛，主要集中在雙子葉植物中HDZIPⅠ、Ⅱ亞家族，且都為激素介導的調控機制。

實時定量PCR 表明辣椒CaHDZ27 是由外源JA，SA 或ET 的外源誘導，轉錄水平提高。功能喪失的VIGS 沉默實驗證實了CaHDZ27 沉默增加了青枯菌（R.solanacearum）感染的敏感性并下調了防御相關基因的表達。CaHDZ27 的瞬時過表達則上調了相關免疫基因的表達，可以作為辣椒抗青枯菌的正調節劑[9]。在接種大黃萎病菌（V. dahliae）后，棉花根部會同時誘導JA 和SA 響應基因。HD-ZIPⅠ轉錄因子GhHB12 通過抑制JA 響應基因GhJAZ2 和GhPR3，負調控棉花對大黃萎病菌的抗性。但GhHB12 不參與SA 信號途徑[23]。向日葵HaHB4 在JA 生物合成中為正調節劑，而在ET 敏感性和SA 積累中為負調節劑[23]。研究表明HaHB4、HaHB10 負調控病菌抗性[24,25]。在ATHB13 組成性過表達突變體中，SA 響應基因PR1 轉錄水平得到了增強，致使白粉?。≒owdery mildew）和霜霉?。℉yaloperonospora arabidopsidis）敏感性降低。JA 響應的VSP 基因AtVSP1 和AtVSP2在突變體中被上調，從而激發WRKY75（防御反應的轉錄調節因子）表達量的提高，說明ATHB13 參與了SA 和JA 防御調控路徑[26]。鏈格孢菌（A. alternata）為日本梨品種黑斑病的病原體，WANG 等[27]的研究顯示，在梨中進行病菌接種，所選的20 個HD-ZIP基因均對病菌有響應。黃瓜HD-ZIP Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ亞家族均被白粉病脅迫誘導表達，尤其是HD-ZIP Ⅲ亞家族中 CsHDZ30，在96 小時達到25 倍的峰值[5]。HD-ZIPⅡ亞家族HAT1 通過抑制擬南芥中防御相關基因的表達如PR1 和PR2，ROS 相關的耐藥性蛋白質谷胱甘肽轉移酶（GST）而抑制了對黃花葉病毒（CMV）的防御。在hat1hat2hat3 和hat1 或hat2hat3 功能喪失突變體對接種病毒實驗中發現HAT1，HAT2和HAT3都作為病毒抗性的負向調節因子[20]。

3 非生物脅迫的調控機制

在響應非生物脅迫中，HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ仍作為重要的調控因子，成員對多種逆境脅迫均有響應。HDZIP I 亞家族已被鑒定在干旱與鹽脅迫中發揮重要作用。HD-ZIP Ⅱ主要參與避光反應響應光質變化。而HD-ZIP Ⅲ主要在植物維管組織發育以及葉片、生長素極性等方面發揮重要調控作用，參與非生物脅迫較少。HD-ZIP Ⅳ在干旱中的調控作用尤為顯著。本文主要歸納總結了HD-ZIP 在干旱、鹽、溫度、弱光、金屬、機械損傷非生物脅迫下的響應機制。

3.1 響應干旱脅迫機制

HD-ZIP 在干旱脅迫下顯示出普遍的誘導水平。HD-ZIP 參與的干旱脅迫響應機制在雙子葉植物和單子葉植物中被廣泛研究，以Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三類亞家族誘導表達最為顯著（表1、圖2）。在缺水條件下，葉片氣孔密度和保衛細胞大小將根據水分狀況而變化，從而影響植物蒸騰作用。氣孔密度的減小可降低蒸騰速率，防止水分散失[28,29]。桉樹EcHB1 過表達品系由于葉面積減少而氣孔密度沒有變化導致蒸騰速率降低，減少了樹木的水分流失，提高了植物耐旱性[11]。AtEDT1/HDG11 的過表達通過降低氣孔密度，促進氣孔閉合來增強轉基因水稻、棉花和楊樹、胡椒和芥藍的干旱和滲透脅迫耐受性并增加谷物產量[30?33]。HDG11 通過與ERECTA 啟動子中的同源域結合（HD）順式元件結合，轉錄激活ERECTA。反過來，ERECTA 依靠E2Fa 來調節細胞周期相關基因的表達。HDG11-ERECTA-E2Fa 遺傳途徑可通過增加細胞大小來降低氣孔密度，從而改善作物水分利用率來控制生長。ABA 的增加可以通過觸發氣孔閉合來控制蒸騰作用。擬南芥HD-ZIP IV 基因HDG11是提高耐旱性的重要轉錄因子。轉基因水稻中，過表達的HDG11 通過誘導ABA 生物合成的關鍵基因OsNCED的表達，從而提高ABA 的含量，促使氣孔閉合能力增強[30]。在轉基因芥藍中，HDG11 過表達導致ABA 超敏反應，誘導氣孔關閉，而且靶向生長素生物合成基因YUCC6 和ABA 響應基因ABI3 和ABI5，說明HDG11 通過生長素和ABA 介導的芥藍增強干旱和鹽脅迫耐受能力[33]。AtHB12 和AtHB7 充當ABA 信號的負調節因子，在成熟植物中，AtHB7和AtHB12 的協調表達導致不同的氣孔狀態和蒸騰作用來響應ABA 介導的干旱調控[34]。然而，鷹嘴豆中的PP2C 在CaHDZ12 過表達植物中被下調，并且SnRK2激酶的表達得到增強，從而誘導氣孔關閉。所以CaHDZ12 作為ABA 調控路徑的正調節劑。過表達品系中顯著上調了多種干旱脅迫響應基因，轉基因品系的耐旱性增強[14]。鹽芥中HD-ZIP IV 基因EsHdzip1在干旱脅迫下，轉基因煙草中的ABA 含量明顯高于野生植物。ABA 的高水平積累與其生理和生化反應一致。同時過表達的EsHdzip1 品系中抗壞血酸過氧化物酶（APX）和TSS 的含量升高，誘導了NtP5CS，NtERD10C和NtLEA5 的表達，使植物遭受干旱脅迫時控制較低的細胞水勢，增強了保水能力[35]。OsHOX24 也參與了生長素和ABA 的交叉互作。OsHOX24 的過表達下調了IAA 的生物合成涉及的基因的表達。過表達與野生型相比對ABA 的敏感性更高，在干旱脅迫下氣孔關閉能力受損。過表達品系中根系和芽的生長受到抑制，葉綠素含量顯著低于野生型，以此作為干旱防御機制的負調控因子[36,37]。玉米ZmHDZ4，ZmHDZ10過表達在ABA 培養基中抑制了發芽率，苗高和根長高于野生型，說明都對ABA 顯示出高敏感性，都有可能影響ABA 信號傳導[38,39]。轉基因植物具有比野生植物更高的相對含水量（RWC），存活率仍高于野生型。關于ZmHDZ10 應對脅迫條件的分子機制。干旱處理5 天后，WT 和轉基因擬南芥均激活了脅迫和ABA 響應基因，包括P5CS1，RD22，RD29B和ABI1 這些植物在轉基因植物中的表達水平顯著高于野生型植物中的水平[39]。

根部的生長發育對干旱脅迫發揮關鍵作用。JA相關基因的轉錄水平通過HDG11 的過表達而上調，促進側根形成使根吸收土壤水響應干旱脅迫[40]。HDG11 也可能調節影響根發育的其他下游信號通路。功能獲得突變體 edt1D 的主根伸長和側根增多表型可能是多種信號通路整合的結果。研究證明，HDG11 通過上調細胞壁松弛蛋白基因以促進擬南芥中的根的發育[41]。

表 1 HD-ZIP 在干旱脅迫下的不同表達模式Table 1 Differential expressions of HD-ZIP transcription factors under drought stress

圖 2 HD-ZIP 干旱脅迫調控通路Fig. 2 Regulatory route of HD-ZIP in response to drought stress

木質素的積累也會影響干旱耐受性。比如卷曲的葉子和矮化（cld1）突變體在次生細胞壁中的木質素含量顯著降低，從而導致cld1 葉片缺水并降低了抗旱性[42]。桉樹EcHB1 過表達細胞株莖干中的維管解剖結構發生了變化，徑向直徑減小且細胞壁厚度增大。這些變化增強木質部細胞的剛度，但會降低莖中的水力傳導度，因此，還將減少干旱期間樹木的水分流失[11]。水稻OsTF1L的過表達誘導木質素合成基因的表達從而促進了木質素在芽中的積累，介導干旱防御機制。此外OsTF1L直接綁定到氣孔運動基因的啟動子，促使氣孔關閉，并且OsTF1L可上調許多干旱誘導基因，比如PMEI，LEA，HSP等，當這些基因過表達時可提高植物耐旱性[43]。

HD-ZIP 還與其他干旱應答基因互作，響應干旱調控機制。通過酵母單雜交篩選，鑒定出HD-ZIPⅠ類TFAtHB13 是干旱防御因子JUB1 的上游調節基因。因此表明，AtHB13 和JUB1 建立了聯合干旱脅迫控制模塊[44]。TaCBF5L在嚴重干旱條件下被劇烈上調，將玉米TaHDZipI-4 啟動子與TaCBF5L基因結合作用可顯著提高轉基因小麥在嚴重干旱脅迫下（＞4 MPa）開花期間的籽粒產量。但當植物在良好的澆水條件和中度干旱條件下并沒有觀察到產量的提 高[45,46,47]。綜上所述，HD-ZIP 在干旱脅迫下調控通路較為多元，HD-ZIPⅠ轉錄因子主要參與激素調控網絡。越來越多報道顯示HD-ZIPⅣ參與干旱誘導的氧化脅迫調控，在此基礎上著重于干旱脅迫調控網絡中HD-ZIP 的共調節因子，發現復雜通路中基因的關聯性和互動性。

表 2 HD-ZIP 轉錄因子在鹽脅迫下不同表達模式Table 2 Differential expressions of HD-ZIP transcription factors under salt stress

3.2 響應鹽脅迫的分子機制

芝麻[8]、木薯[13]、茶樹[6]、梨[26]、麻風樹[10]的某些HD-ZIP 轉錄因子在干旱脅迫和鹽脅迫下均被誘導。此外，多數黃瓜HD-ZIP 轉錄因子在鹽脅迫下上調表達[5]。鹽脅迫下Na+、CO32?、HCO?以及高pH值都會對植物的生長發育產生負面影響。其中Na 鹽對植物的危害最為普遍。高鹽環境會導致嚴重的滲透脅迫并破壞細胞的正?；顒印１热缡怪参锂a生過量ROS，從而造成膜脂過氧化、酶失活以及DNA 破壞等傷害[48,49]。因此，鹽脅迫可相繼引發滲透脅迫和氧化脅迫。HD-ZIP 在鹽脅迫下的調控機制也較為細致（表2，圖3）。HD-ZIP 轉錄因子可通過激活抗氧化系統、調節滲透穩態、維持Na+/K+的穩態以及調控下游脅迫響應基因參與ABA調控通路參與鹽脅迫應答。HD-ZIP 基因可以提高抗氧化酶的活性和一些可溶性有機物質的積累[50]。比如HDG11 轉基因胡椒和棉花楊樹中，在高濃度NaCl 脅迫處理期間具有較高水平的脯氨酸、可溶性糖，抗氧化酶（SOD）和CAT，使植物的氧化損傷降低并且有利于通過調節滲透穩態來耐受鹽脅迫壓力。HDG11 轉基因植物呈現出低含量的MDA，其作為脂質過氧化作用的終產物，其含量越低，越有助于維持膜和蛋白質體內的穩態[30,31]。此外，AtHDG11過表達植物鹽脅迫條件下具有更好的維持Na+/K+穩態的能力。先前的研究報道，經過鹽處理后，AtHDG11轉基因高羊茅可以在葉片和根部保持相對穩定的Na+/K+比值，從而提高了轉基因植物的耐鹽性[51]。PtrHox11 基因能夠提高植物體內過氧化物酶的活性。過表達PtrHox11 中POD 活力迅速升高減少了過氧化氫等物質對植物體的危害，并且過表達PtrHox11 的植株相對電導率低于野生型植株和基因沉默型植株。這說明了PtrHox11 過表達能夠減小細胞膜破壞程度，從而維持較低水平的膜透性[52]。過表達鷹嘴豆CaHDZ12 品系中，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽還原酶（GR）內源性水平比野生型中增長使離子泄露減少，降低了膜損傷[14]?？箟难幔ˋsA）可清除活性氧，參與抗氧化防御系統。有研究揭示，番茄SlHZ24 通過上調SlGMP3、SlGME1 或SlGME2 等基因的表達來促進AsA 的生物合成。結果表明過表達SlHZ24 的植物對氧化應激的敏感性降低，提高了鹽脅迫耐受能力[53,54]。與野生型植物相比，鹽脅迫下ATHB17 過表達系具有更好的根系生長優勢，并且ATHB17 通過直接激活ATSIG5，提高抗氧化能力，調節鹽脅迫耐受性[55]。

HD-ZIP 轉錄因子還可通過直接調控下游脅迫響應基因參與鹽脅迫。比如碳酸氫鹽（NaHCO3）脅迫下，大豆Gshdz4 通過直接誘導碳酸氫鹽防御基因（比如NADP-ME和H+-Ppase）的高表達來調節細胞內細胞質的潛在酸化，此外還誘導了ABA 響應基因（KIN1 和RD29B）協調鹽脅迫下植物細胞的生理條件[56]。番茄SIHB2 沉默品系中抗氧化酶和脯氨酸的上調外，還誘導了ABA 反應元件結合因子AREBs，乙烯反應性元素結合因子ERF 的表達，說明番茄SIHB2 負調控鹽脅迫通路[57]。玉米HD-ZIP 轉錄因子HD-ZIPⅠ亞家族也參與ABA 介導的鹽脅迫響應途徑。用200 mmol·L?1NaCl 處 理 對ABA 敏 感 性 高 的ZmHDZ10 15 天后，大多數轉基因植物仍生長良好，綠葉數量多且重量高于野生型植物，存活率遠遠高于野生型[39]。鹽脅迫下玉米ZmHDZ1 過表達使ABA響應基因OsABI5 的轉錄本比WT 中的更多。同時上調了鹽脅迫負調節因子OsHox22，下調了脅迫應答關鍵基因OsLEA3 和OsRAB16A，所以ZmHDZ1是ABA調控鹽脅迫通路的負調節因子[58]。麻風樹耐鹽性試驗結果顯示JcHDZ16 降低了轉基因水稻的耐鹽性，并提高了對ABA 的敏感性，是ABA介導的鹽脅迫響應中的負調節因子[10]。以上可知，HD-ZIP 在鹽脅迫下部分調控路徑與干旱脅迫下相似。干旱與高鹽環境下植物生理生化指標相似，都可通過調節滲透勢緩解，HD-ZIP 轉錄因子可作為中間節點，將兩種脅迫串聯成相互制約影響的雙向調控通路。

表 3 HD-ZIP 轉錄因子在高溫與低溫脅迫中的不同表達模式Table 3 Differential expressions of HD-ZIP transcription factors under high- and low-temp stresses

3.3 響應溫度脅迫的機制

溫度脅迫包括高溫、低溫和劇烈變溫脅迫。HDZIP 研究較多的是高溫和低溫脅迫。這兩種脅迫下都會使多數酶活性減弱，導致異常的生化反應和細胞的死亡。某些HD-ZIP 轉錄因子在兩種脅迫下都可被誘導表達，比如黃瓜、土豆的某些基因均被上調[8,59]（表3）。黑麥草中兩種脅迫處理表現出極大的差異。在冷處理中（4 ℃）13 個LpHOX基因的表達水平在葉片中均顯著上調。在熱脅迫下（40 ℃），大多數基因在葉片和根部中均被下調[12]。

低溫脅迫主要分為冷害和凍害，以高于或低于0 ℃為界限。番茄HD-ZIP I 基因結果表明，全部22 個基因均受冷脅迫誘導。其中有13 個（59%）顯著上調，8 個（36%）下調[60]。DREB/CBF是低溫誘導蛋白，在低溫時激活一系列下游抗逆基因的表達。TaHDZipI-3和TaHDZipI-4 在轉基因小麥和大麥中驅動誘導了兩個DREB/CBF基因TaDREB3 和TaCBF5L的表達。兩個基因的過表達提高了轉基因大麥和小麥幼苗的夜晚霜凍耐受性[45,46]。Nataliya等[61]研究表明小麥受冷脅迫處理導致TaHDZipI-2 內源轉錄本水平降低，但通過過表達該基因卻增強了植物抗凍性。這是因為一些DREB/CBF基因獨立于TaHDZipI-2 而表達，并且HDZipI-2 在轉基因中的組成型過表達顯著上調了低溫耐受基因VRN1、TMC-AP3 和BM3 的表達，從而提高低溫脅迫抗逆性。TaHDZipI-5 被凍害強烈誘導，通過耐寒性試驗表明TaHDZipI-5 在寒冷脅迫下（?7 ℃和?8 ℃）6.5小時的存活率明顯高于野生型。TaHDZipI-5 在受精前和籽粒發育的早期在花中的表達，可能表明該基因參與了對夜霜最脆弱的小麥組織的保護[47]。

對于高溫耐受性的研究較少。已知數據顯示，通過檢測多年生黑麥草HD-ZIP 基因在耐熱品系與熱敏性品系之間的表達水平，推斷黑麥草基因的耐熱基因。多年生黑麥草熱敏系中LpHOX6，LpHOX8 和LpHOX24 的表達水平較高，因此對耐熱性產生負調控因子，而LpHOX21 在耐熱品系中表達較高，可能作為多年生黑麥草耐熱性的正轉錄調節因子[12]。熱休克蛋白（HSP）在植物應對高溫脅迫時會大量合成，維持細胞蛋白內環境穩定性提高應激耐受性。在溫暖（20-30 ℃）干燥的環境中，HaHB4 通過誘導氧化還原和熱休克蛋白編碼基因在轉基因大豆中的表達，表明HaHB4在耐熱機制的潛在功能[62]。HSP 是研究高溫脅迫重要的調節因子，因此HDZIP 與HSP 之間調控通路研究可以作為發掘HDZIP 高溫脅迫下生物功能的一個重要突破口。

3.4 響應弱光脅迫的機制

當植物受到周圍植物冠層遮陰后，會導致莖稈暴露在低R/FR 和藍光下，形成弱光脅迫。歸結多種報道可知，擬南芥HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ對光質變化較為敏感，當光敏色素感知到冠層光信號后主要通過誘導莖稈生長參與避光反應（圖4）[63,64]。在擬南芥中，避蔭是由基因表達的正向（PIF）和負向（HFR1/SICS1）調節因子進行調節，從而確保植物體快速重塑成最適合生長的環境[64]。PIF1 誘導了AtHB1 的表達，主要集中在下胚軸和根中。AtHB1 在PIF1 下游起作用，在短時間的光周期下促進下胚軸生長[65]。ATHB21，ATHB40，ATHB53 參與了激素響應光信號途徑。在低R：FR 或短光周期條件下，腋芽發育抑制因子BRC1可以直接激活ATHB21，ATHB40，ATHB53。 這些基因上調ABA 生物合成基因NCED3 的表達，從而使植物在腋芽內正常充足的ABA 積累，對有限光照條件下芽發育和分支生長的調控至關重要[66]。

圖 4 HD-ZIP 避光反應調控通路Fig. 4 Regulatory route of HD-ZIP in response to shading

HD-ZIP II 亞家族中，低R/FR 光線可在下胚軸和子葉柄的延長部分的所有細胞層中迅速誘導ATHB2:GUS表達，因此表明ATHB2 在這些器官中起到控制避光的作用。長時間暴露于低R/FR 下，ATHB2:GUS和ATHB2:GFP蛋白水平都會降低，這表明ATHB2 也可以在蛋白質穩定性水平上進行調節[67]。同時低R/FR誘導的植物生長素穩態和植物生長素運輸變化是避光的關鍵，表明已經建立了ATHB2 和生長素之間的聯系，在避光反應中起著至關重要的作用[68]。植物色素（擬南芥中的phyB，phyD和phyE）感知到紅（R）與遠紅（FR）的比率的變化，從而在光質變化之間產生動態的光平衡。phyB，phyD 和phyE 都通過低比率R/ FR 來參與ATHB2 的調控，已證實phyB在遮陰條件下負調控植物下胚軸的伸長率[63,64, 67]與此相關的是，ATHB2 同源基因在單子葉植物（玉米）和雙子葉（番茄）植物中都是通過低比率R/FR誘導的，強烈表明HD-ZIP II 的功能可能通過進化得以保持[69,70]。ATHB2 與ATHB4 受避蔭反應的負調控因子HFRl/SICSl 的調控。長時間暴露于遮蔭條件下，hfr1-4/sics1-1 功能喪失突變幼苗的下胚軸和子葉柄中的ATHB2，ATHB4 上調，而HAT1 和HAT3 則沒有變化。ATHB2 和ATHB4 基因協同作用，植物被遮蔽時均顯示出葉肉細胞增殖的早期終止，表明在樹冠遮蔭下控制葉片發育[71]。

HD-ZIP Ⅲ中REV 直接影響幾個與植物避蔭作用相關的HD-ZIP Ⅱ基因的表達。比如REV 的基因靶標中有HAT3，ATHB4，ATHB2 和HAT2，并且有證據表明HAT3 還同時受PHB 和PHV 的調控，在模擬陽光下HAT3、ATHB4 和PHB，PHV 和REV 中表現出重疊的表達模式[67,72]。上述總結得知，HD-ZIP 轉錄因子在弱光脅迫下處于下游調控的位置，受到多種因素調控，因此研究HD-ZIP 是否可以在上游發揮作用成為比較新穎的方向。比如HD-ZIP Ⅱ能否在上游通過激活其他轉錄因子調控PIF 的表達，比如ATHB2 與植物色素PhyB/D/E（PIF 的抑制因子）的負反饋通路，從而達到正調控弱光脅迫的作用。

3.5 響應重金屬脅迫的機制

重金屬是脂質過氧化的誘導劑，當植物受到重金屬特別是有毒重金屬污染后會造成生物膜結構功能破壞影響植物代謝。某些重金屬元素比如鐵（Fe）需要維持含量的穩態從而使植物正常發育。ATHB1通過和Myb.Ph 轉錄因子的結合從而負調控CaFer1響應鐵的表達，從而抑制鐵元素過度表達，以此參與對鐵元素穩態的調控[73,74]。錳（Mn）是一種有毒重金屬，在土壤中誘導會限制農作物的生長。有數據表示，使用cDNA-AFLP 從不耐錳的柑橘和耐錳的柑橘根中鑒定出87 和63 個錳反應基因。在這些基因中，根中HD-ZIP I 蛋白（TDF#170-1 和170-1k）在錳毒性下被上調。HD-ZIP I 的上調在不耐錳性柑橘中比在耐錳性根中更為明顯。這些發現突出了HD-ZIP I 蛋白在錳耐受性調節中的作用[75]。鎘（Cd）也屬于重金屬的一種，有研究表明，miR166 與其HD-ZIPⅢ靶基因共同作用，對鎘脅迫產生響應[74]。結果顯示在Cd 脅迫下葉片中miR166 及其靶基因HD-ZIP 的表達水平呈現負相關關系。當施加外源SA 處理后加大了誘導幅度，miR166 顯著上調，而HD-ZIP 因子被顯著下調。HD-ZIP 過表達可顯著增加稻Cd 積累，可以得知HD-ZIP Ⅲ作為水稻抵御鎘元素損傷的負調節因子[76]。

3.6 響應機械損傷的機制

最新的研究表明[77]，在機械性創傷下，小麥HD-ZIP Ⅳ蛋白TaGL7 和TdGL7 轉錄數量迅速增加（在1 小時內），但在發生創傷后3 小時又恢復到原始水平。說明GL7 基因對創傷脅迫的響應是短暫的。GL7 啟動子在轉基因水稻中的活性總體上強于小麥和大麥則可以證明它具有谷物特異性。小麥HD-ZIP IV 轉錄因子GL7 激活了三個創傷誘導型防御素啟動子TdPRPI-5、TdPRPI-7、TdPRPI-8，觸發創傷響應?？赡鼙砻鱐dGL7 位于傷口誘導途徑的末端，其產物參與防御和脂質輸送以修復受損的細胞壁或表皮，暗示HD-ZIP IV TF 可以直接通過激活某些與病程相關的蛋白來參與植物對病原體的防御[77,78]。除此之外，HD-ZIP I 的基因也被檢測到受機械損傷誘導。HD-ZIP I中SIHB2 在機械損傷顯著誘導。在0～8 h 上調，在8 h 達到18.1 倍，之后表達量逐漸減少[57]。通過對蘋果MdHB-1 啟動子在轉基因煙草葉子中對脅迫響應分析得知，機械損傷的葉子GUS 活性比對照高1.3 倍，表明MdHB-1 基因啟動子可以響應機械損傷脅迫來調節MdHB-1 蛋白的表達[79]。綜上，現階段對于機械損傷的分子調控機制研究不夠深入。植物角質層的發育可以抵御機械損傷脅迫以及生物脅迫，所以闡明HD-ZIP 轉錄因子與脂質轉運蛋白之間的調控關系有利于跟進植物防御體系研究。

4 研究展望

HD-ZIP 轉錄因子參與植物的適應性反應是通過多種機制實現的，這些機制與每個外部因素的信號遺傳系統相關。研究發現，這些基因是一個中間環節，將不同的級聯結合在一起，并將環境信號導向抗性效應基因。這決定了HD-ZIP 基因成為植物對外部不利因素適應性反應的重要調節劑。對于脅迫應答機制HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ亞家族的研究比較詳盡，除廣泛研究的ABA 信號通路外，其他激素的調控網絡中也可深入探討HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ亞家族的調控路徑。HD-ZIP Ⅲ亞家族可以結合MIR165/166進行更多關于逆境脅迫的探討。HD-ZIP Ⅳ亞家族中的HDG11 基因參與了多種調控機制，在調控干旱和鹽脅迫中發揮至關重要的作用。機械創傷脅迫響應是HD-ZIPⅣ轉錄因子較為新穎的生物功能，今后可以作為深入研究的方向。HD-ZIP 分子機制仍需要繼續完善，比如不同成員新的逆境表達模式，如何參與不同激素的信號傳導途徑以及對下游基因的調控表達都需要進一步探討，以期達到對HD-ZIP 逆境調控機理更為細致全面的闡釋。