Dof轉錄因子在植物碳氮代謝中的調控作用綜述

張潔雯，劉建國，蔡墩旭，陳日遠，朱云娜，宋世威

(1.華南農業大學園藝學院，廣東廣州 510642；2.韶關學院英東生物與農業學院，廣東韶關 512005)

氮是植物生長發育所必需的大量元素之一，生產中存在施用量大、利用率不高、產品器官易積累硝酸鹽、環境污染等問題，提高氮素利用率是農業生產中提高產量亟待解決的重要問題。一般來說，提高植物氮素利用效率一方面可以通過改善栽培條件而達成，另一方面可以通過調節植物體內碳氮代謝基因表達網絡的調控因子來實現。然而，一些研究表明，僅從氮吸收、代謝途徑的某個基因著手提高氮素利用效率，對作物增產效果并不顯著。蔡紅梅超表達水稻硝酸根轉運蛋白基因、銨離子轉運蛋白基因、谷氨酰胺合成酶基因等氮吸收、代謝相關的基因，結果表明，轉基因植株氮代謝途徑相關基因水平明顯提高，但產量無顯著變化。包愛麗進一步研究發現，超表達水稻、基因導致核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶加氧酶基因，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因、等碳氮代謝關鍵基因表達模式發生明顯變化，植株碳、氮代謝不平衡，從而影響了植物生長發育和產量的形成。這進一步說明植物氮素利用效率的提高，不能僅依靠提高植物對氮素的吸收能力，還需要考慮碳、氮代謝之間的平衡關系。

碳、氮代謝是植物體內最重要的兩大代謝，二者相輔相成，直接影響植物生長發育、作物產量和品質。近年來，研究指出，協調碳氮代謝平衡可優化植株對氮素的吸收、同化和代謝，提高氮素利用效率。許多研究結果表明，從根本上提高作物氮素利用效率的有效方法之一是找到影響植物碳氮代謝途徑的關鍵調控因子，在整體上協調碳氮代謝途徑，提高氮素利用效率，從而增加作物產量和改善作物品質。

轉錄因子作為協調靶基因整個應答網絡表達的主要調節因子，可以同時調控1個或者多個基因調控靶基因，從而影響整個應答網絡中所涉及的代謝物變化。前人研究報道HY5、Dof1、NLP6、GRF4等轉錄因子對氮素代謝具有重要調控作用；其中，HY5、Dof1還參與碳同化和運輸。Li等報道，GRF4和DELLA共同協調水稻植株碳、氮代謝，在減氮條件下仍可獲得高產，這為農業育種提供了新策略。目前已有文獻報道，鋅指蛋白轉錄因子Dof在植物的光調控開花、非生物脅迫、種子萌發與發育調控、植物激素信號轉導和碳氮代謝等方面起著調控作用。Dof可顯著影響、、等多個碳、氮代謝基因表達，從而調節碳氮代謝。近年來，越來越多的學者關注Dof轉錄因子在植物碳氮代謝和提高氮素利用效率方面的作用，但還沒有清晰的Dof轉錄因子參與植物碳氮代謝的分子調控網絡。本文主要綜述參與植物碳氮代謝中的Dof轉錄因子及功能，以期給后續研究提供一定的理論基礎。

1 Dof轉錄因子的結構特點

DNA結合單鋅指蛋白轉錄因子屬于單鋅指蛋白超家族，是植物特有的一類轉錄因子，自1993年Yanagisawa等從玉米中分離出第1個Dof基因()以來，越來越多的Dof家族成員在不同物種中得到鑒定，其結構和功能分析已有大量文獻報道。典型的植物轉錄因子包含4個結構域，分別是DNA結合結構域、轉錄調節結構域、寡聚位點和核定位信號。Dof轉錄因子一般由200～400個氨基酸組成，具有2個功能結構域：N-末端的DNA結合區和位于C-末端的轉錄調控區，其中，DNA結合區為52個保守的氨基酸殘基構成的C2-C2型單鋅指結構域，由4個保守的半胱氨酸(Cys)殘基和1個Zn共價結合，形成CXCXCXC基序，被命名為Dof結構域(圖1)。

除文獻報道的南瓜Dof蛋白AOBP特異識別序列為AGTA序列外，Dof家族成員主要通過含有AAAG(或CTTT)序列的識別位點與下游基因啟動子序列結合調控靶基因表達，因此Dof結合結構域具有高度保守性。另外，Dof轉錄因子核心序列之外的側翼序列、AAAG序列的數量、蛋白互作以及轉錄后的修飾會影響Dof蛋白與DNA識別序列結合的親和力與選擇性。由于Dof的C-末端轉錄調節結構域的氨基酸序列較為多變，不具有保守性，因此其功能也呈現出多樣性。

2 Dof轉錄因子在植物碳代謝中的調控作用

植物生長發育離不開碳代謝。碳代謝作為植物生命活動中最基礎的代謝之一，一方面，碳代謝通過光合作用把體外的二氧化碳轉化為植物能吸收的碳水化合物；另一方面，碳代謝通過呼吸作用把碳水化合物異化為二氧化碳等生理生化過程，包括光合產物木質素、淀粉、蔗糖等的生物合成、降解和轉化，以及呼吸過程中的三羧酸循環(TCA)、糖酵解途徑(EMP)以及磷酸戊糖途徑(PPP)等。碳代謝還能為氮代謝等物質代謝提供能量和碳骨架2-酮戊二酸(2-OG)等。

2.1 Dof轉錄因子調控光合作用

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是將磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)轉化成草酰乙酸(OAA)的關鍵酶。超表達玉米基因可提高玉米原生質中啟動子的活性，提高和非光合啟動子的活性；在水稻中超表達該基因，除可激活基因表達外，還可上調依賴煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)的蘋果酸脫氫酶編碼基因(-)和異檸檬酸脫氫酶編碼基因()表達，從而促進碳代謝。類似地，水稻是玉米的同源基因，超表達該基因也表現出類似的作用。進一步研究表明，通過結合等基因啟動子區域的AAAG基序進而發揮作用。然而，不同Dof成員具有不同活性，對靶基因發揮不同的調控作用。與類似，玉米也可參與碳代謝，但具有不同的功能，抑制靶基因和啟動子活性，而激活啟動子活性。

2.2 Dof轉錄因子調控木質素生物合成

木質素的合成需要大量的碳骨架，因此，木質素作為一種重要的碳代謝產物，引起了學者們的關注。Rueda-López等在擬南芥中超表達松樹顯著下調了基因表達，導致調控的反應底物PEP大量積累。PEP作為木質素合成前體之一，可為木質素生物合成提供大量碳骨架；同時，還發現超表達擬南芥植株的胞質果糖-1，6-二磷酸酶(cFBPase)活性顯著上調，可溶性糖含量顯著增加，而增加的蔗糖除提供碳骨架，還可作為一種信號調控木質素的生物合成。Ramachandran等的研究表明，擬南芥維管束相關的轉錄因子VDof1和VDof2參與調控維管細胞分化和木質素生物合成。由此可見，Dof轉錄因子通過調控碳骨架、糖信號等方式參與木質素生物合成途徑。

2.3 Dof轉錄因子調控淀粉的生物合成和分解

此外，Dof轉錄因子還通過調控淀粉生物合成途徑參與碳代謝。玉米可與淀粉生物合成基因和啟動子結合，促進淀粉生物合成；也可以通過結合參與糊粉層細胞分化的啟動子，正調控玉米胚乳的發育，敲除則降低表達也證明了這一觀點。類似地，Wu等報道玉米可與6種淀粉生物合成基因的啟動子結合，超表達該基因的玉米籽粒淀粉含量增加，可溶性糖和還原糖含量降低，表明正調控玉米胚乳淀粉的合成。然而，在獼猴桃中，通過靶向調控-淀粉酶編碼基因而參與果實成熟過程中淀粉的降解，超表達的植株表現出果實中表達水平上升，而果實中淀粉含量下降。相反，在甘薯中，超表達Dof轉錄因子SRF1植株表現出液泡型轉化酶基因表達水平降低，甘薯貯藏根中淀粉比例增加，顯著降低了葡萄糖和果糖所占比例，從而調節甘薯貯藏根中的碳水化合物代謝，表明SRF1轉錄因子在淀粉生物合成過程中有重要的作用。此外，研究表明大麥Dof轉錄因子SAD與HvGAMYB協同作用激活-淀粉酶編碼基因表達，而另一Dof轉錄因子BPBF通過與HvWRKY38結合可抑制SAD和HvGAMYB之間的協同作用，從而阻止在糊粉層表達。

根據文獻報道，本文總結了Dof轉錄因子在不同植物調控碳氮代謝的潛在靶標基因及其功能，詳見表1。

表1 不同植物中Dof轉錄因子調控碳氮代謝的潛在靶標基因及其功能

3 Dof轉錄因子在植物氮代謝中的調控作用

植物氮代謝包括氮的吸收、轉運和同化，把土壤中的無機氮(硝酸鹽或者銨鹽)同化為植物可以吸收的氨基酸等成分。無機氮的還原可以在根部或者地上部進行，在胞質時氮的還原需要硝酸還原酶(NR)和亞硝酸還原酶(NiR)，生成銨鹽，通過谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途徑，被同化為氨基酸。此外，天冬酰胺合成酶(AS)、氨甲酰合成酶(CPSsae)和谷氨酸脫氫酶(GDH)也參與銨鹽的同化過程，將銨鹽同化為不同氨基酸，氨基酸再進一步合成具有不同功能的蛋白質，為植物生長發育提供營養。

3.1 Dof通過調節氮的吸收、轉運、同化影響氮代謝

Dof轉錄因子可通過調控氮吸收、轉運相關基因參與氮代謝。在擬南芥中超表達水稻可上調銨離子轉運蛋白基因；和；表達，抑制硝酸根轉運蛋白基因；的表達，增加總氨基酸含量，提高氮素利用率。Wu等報道水稻基因缺失突變體降低了；、；、；和；的表達水平，表明通過誘導根系中基因表達，從而影響植株對銨的吸收、運輸及氮的分布。

Dof轉錄因子通過調節氮同化關鍵基因參與氮代謝。擬南芥表達受氮供應水平調控，在煙草中超表達該基因能夠上調谷氨酰胺合成酶編碼基因表達，從而促進氮同化。類似地，超表達小麥可以提高轉基因植株GS、GOGAT、GDH等氮同化相關酶的活性，進而促進氮代謝。Wang等報道茶樹可以直接與的啟動子區域AAAG基序結合，超表達或者均可增加轉基因植株中的轉錄水平，增加植株體內谷氨酰胺含量，這表明茶樹Dof轉錄因子可正調控谷氨酰胺代謝。

3.2 Dof轉錄因子通過調節碳氮代謝平衡影響氮代謝

有趣的是，作為番茄逆境響應的的同源基因，主要調節植物開花時間和抗性，最近研究表明也參與植物碳氮代謝。在擬南芥中超表達通過參與硝態氮響應來提高擬南芥氮素利用率，增加轉基因植株中蔗糖和氨基酸的含量；超表達提高番茄果實大小和產量，轉基因番茄通過調控蔗糖酶活性來控制果實的庫源關系，提高成熟果實中碳、氮化合物的含量，從而影響果實品質。

綜上，Dof轉錄因子在碳、氮代謝過程中發揮著重要作用，兩大代謝相輔相成，直接影響植物生長發育、作物產量和品質。根據文獻[2，45]，將Dof轉錄因子參與植物碳氮代謝過程的調控網絡圖總結如圖2所示。

4 Dof轉錄因子的轉錄調控機制

前人研究表明，Dof轉錄因子能夠識別靶基因AAAG序列或其反向互補序列CTTT。Dof轉錄因子對靶基因的轉錄調控具有雙重功能，可作為轉錄的激活子或抑制子，同時正向和負向調控靶基因啟動子的活性。玉米和共同的靶基因和，但前者為轉錄激活子，而后者為轉錄抑制子，二者行使完全相反的功能。擬南芥Dof轉錄因子、與不同DELLA蛋白編碼基因互作，以完全相反的作用調控種子萌發。然而，相同的Dof轉錄因子成員對靶基因的不同基因家族成員作用。前人研究表明，松樹是啟動子的激活子，卻是啟動子的抑制子。此外，Dof轉錄因子具有雙重功能區，它不僅可以與DNA相互作用，也可以與蛋白質相互作用。擬南芥；參與調控花器官脫落。擬南芥Dof蛋白OBP1與OBF互作增強了OBF與DNA的結合能力。玉米胚乳特異性Dof蛋白PBF(BPBF的同源物)與玉米BZIP蛋白O2互作激活了胚乳中玉米醇溶蛋白基因。目前為止，雖只報道少數Dof存在蛋白與蛋白之間的互作，但由于Dof結構域高度保守，Dof可能存在蛋白-蛋白的相互作用。

5 展望

Dof轉錄因子在碳、氮代謝過程和植物生長發育中發揮著重要調控作用，但其效應卻因作物及不同Dof家族成員而異。到目前為止，有關Dof轉錄因子在碳氮代謝方面的研究主要集中在模式植物和主要農作物中，如擬南芥、水稻、玉米、小麥等，但在園藝植物中的研究較少，對于偏好氮肥且易積累硝酸鹽的葉用蔬菜則少之甚少。雖然，許多研究結果表明，Dof轉錄因子可調控作物碳氮代謝水平，增強其農藝性狀，但其在植物碳氮代謝應答網絡中的調控作用機制還不清楚，與其他蛋白或轉錄因子的相互作用機制還有待進一步研究。隨著基因組測序的陸續完成，其他作物的Dof轉錄因子也逐漸被鑒定。在今后的研究中，可加強園藝植物Dof轉錄因子的挖掘并預測其生物學功能，研究Dof轉錄因子調控植物碳氮代謝及對生長發育的影響，利用基因工程選育高氮素利用效率的優良品種，且有助于闡明改善植株碳氮代謝水平而影響氮素利用效率的分子機制。