SPL轉錄因子研究進展

張 磊

(東北林業大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是一類植物特有的轉錄因子，存在于所有綠色植物中，包括單細胞綠藻、苔蘚、裸子植物和被子植物。SPL蛋白均具有含76個氨基酸的高度保守區段，以此結構同下游靶基因啟動子區域結合，調控靶基因的表達，被命名為SBP結構域。SBP結構域包含一個鋅指結構和一個核定位信號，參與轉錄因子進入細胞核，并與含有GTAC的核心基序及其兩側DNA區域特異性結合。同時大部分SPL具有miR156/157的結合位點，在轉錄后水平受到miR156/157的調控。

SPL轉錄因子首先是Huijser等從金魚草(Antirrhinum majus)中克隆得到的，當時發現了2個密切相關的AmSBP1和AmSBP2基因，二者可與花分生組織特征基因SQUAMOSA(SQUA)的啟動子結合，被命名為Squamosa啟動子結合蛋白(Squamosa promoter Binding Protein，SBP)。之后，先后在擬南芥和苔蘚中進行了SBP轉錄因子家族的cDNA克隆，發現在這2個植物中有多個SBP轉錄因子基因拷貝。隨著研究深入，已在多種植物中鑒定到SPL轉錄因子，如在樹棉(Gossypium arboreum)、雷蒙德式棉(G.raimondii)、海島棉(G.barbadense)和陸地棉(G.hirsutum)分別鑒定到29、30、59和59個SPL家族成員；人參(Panax ginseng C.A.Meyer)中有106個PgSPLs；胡楊(Populus euphratica Oliv.)中則有33個PeuSPLs。研究表明，SPL在植物發育中具有多樣性的功能，如參與植物發育階段轉變、花和果實發育、孢子發生、赤霉素信號傳遞、植株形態建成以及對銅和真菌毒素的反應等多種生物學過程。

1 SPL轉錄因子在植物發育中的功能

1.1 參與花發育調控

miR156-SPL模式參與調控植物開花時間最早是由DetlefWeigel等發現的。目前的研究中發現，miR156與SPL在調控開花時間中起著相反的作用，不論在長日照還是短日照條件下，miR156的過表達都會引起開花時間的延遲，而SPL則促進植物開花；分析擬南芥SPL基因家族，SPL3、SPL4和 SPL5最有可能在開花時間和時相轉變中發揮作用；SPL3、SPL9的高表達會促進開花，而通過過表達miR156降低SPL的活性則會延遲開花的起始[1]；At SPL10過表達會提前開花，而SPL10及2個同源基因SPL2、SPL11的三突變體的開花時間要明顯晚于野生型，進一步研究發現,SPL10與下游基因MED25存在調控關系共同作用于下游開花相關基因FUL和LFY[2]；柳枝稷(Panicum virgatum L.)中SPL7和SPL8通過直接上調SEPALLATA3(SEP3)和MADS32調節開花時間，過表達SPL7和SPL8能夠使開花提前，而抑制表達則會延遲開花甚至不開花[3]；SPL13可以通過靶向調控MYB112在紫花苜蓿的生殖發育中起作用，沉默SPL13的表達導致開花延遲；另外光敏色素A信號FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL3(FHY3)和 FAR-RED IMPAIRED RESPONSE1(FAR1)通過整合環境光信號和miR156-SPL模式介導的年齡途徑調控開花，FHY3和FAR1直接與SPL3、SPL4和SPL5相互作用抑制其與開花關鍵調節基因的結合，延遲開花。

1.2 參與脅迫應答

1.2.1 非生物脅迫

植物生長在復雜多變的環境中，這些環境時常會限制或不利于植物的生長及發育。這些不利的環境條件包括生物脅迫，如病原侵害和食草動物的取食；非生物脅迫，如干旱、高溫、寒冷、養分的缺乏、高鹽及有毒金屬的侵害。其中,干旱、鹽脅迫、溫度脅迫是影響自然界植物分布、限制農業生產產量、威脅糧食安全的主要因素。

越來越多的證據表明，SPLs是植物非生物脅迫耐受性的關鍵調節因子，高度保守的miR156/SPL模式似乎平衡了植物的生長發育和脅迫應答。SPL家族的全基因組圖譜研究表明，在植物中，SPLs對鹽、干旱、冷熱脅迫有許多響應ADDIN。在鹽/干旱脅迫反應中，其中一些SPLs通過調節參與信號轉導的基因的豐度、活性氧清除、POD/SOD富集、脯氨酸合成、花青素代謝而參與了鹽/干旱脅迫響應。

已有研究表明，miR156通過調控下游靶基因SPLs，影響次生代謝產物的累積，進而提高擬南芥(Arabidopsis thaliana)對脅迫的耐受能力；共表達分析顯示，擬南芥AtSPL基因的表達與防御應答通路中應對各種生物和非生物脅迫的相關基因表達顯著相關；對其進行更深入的研究發現，miR156、SPL9及DFR的合作機制，協調植物發育和脅迫耐受過程；在擬南芥中，沉默miR156靶向的SPL2、SPL9、SPL11基因，改善了對熱、鹽、干旱脅迫的恢復能力；類似的結果在miR156/SPL3擬南芥開花時間和熱應激記憶的研究中也有發現。在紫花苜宿(Medicago sativa.)中也發現了與擬南芥類似的合作機制，即miR156/SPL模式與WD40-1/DFR相互作用，協調與次生代謝相關基因表達，增加對干旱的耐受能力；也有研究發現其通過沉默SPL13的表達水平增強耐旱能力[4]；對玉米(Zea mays)的31個ZmSPLs基因的初步表達分析顯示，其表達可能受到多種環境刺激的影響，包括干旱、寒冷、鹽以及脫落酸等；水稻(Oryza sativa)中miR156靶向調節SPLs，增強對鹽、干旱脅迫等的恢復能力，通過調節花青素代謝，敲除miR156和過表達SPL9的轉基因株系表現出相反的表型；越來越多的證據表明，miR156/SPL模式在陸地植物中高度保守，似乎是植物生長(生物量/產量/開花時間)和改善抗逆性的有效分子工具。一個典型的例子，SPL8的表達下調提高了轉基因苜蓿的生物量、產量和耐鹽性，表明miR156靶向的SPL8在豆科植物育種中具有很大的潛力。華東葡萄(Vitis pseudoreticulata)的VpSBP16基因在擬南芥中過表達，通過調節對鹽敏感的SOS和ROS信號提高其在種子萌發、幼苗和成熟植株中對干旱和鹽脅迫的耐受能力[5]；在溫度脅迫下對茶樹(Camellia sinensis)CsSBPs表達模式進行分析，結果顯示，CsSBPs參與溫度脅迫對抗過程，其中CsSBP8對高溫脅迫下花青素的累計具有積極作用[6]。在高大喬木白樺中，BpSPL9基因通過促進ROS的清除提高對干旱和鹽脅迫的耐受能力[7]；蘋果(Malus domestica)中miR156a過表達會降低對鹽的抗性，而過表達MdSPL13則會表現出相反的作用[8]。

1.2.2 生物脅迫

病蟲害是威脅植物生長發育的又一重要因素，已有報道稱SPL轉錄因子可以參與響應生物脅迫。NtabSPL6-2基因在抵御病原菌中起作用，接種丁香假單胞桿菌后NtabSPL6-2轉基因擬南芥感病癥狀更輕，存在一定的抗性反應，同樣的情況在接種灰霉菌后也被觀察到[9]；茉莉酸甲基轉移酶(jasmonic acid carboxylmethyltransferase，JMT)是茉莉酸甲酯(methyl Jasmonate，MeJA)合成過程中的關鍵酶，而MeJA在植物抗病中有重要作用；AtJMT的表達量上調會抑制AtSPL2的表達，由此推測AtSPL2可能通過茉莉酸途徑參與調控植物抗病[10]。

1.3 參與根發育

根是維持植物固著生長，吸收水、汲取營養物質的重要器官，一般包括由胚根延伸形成的主根(Primary Root，PR)，起始于已有根的中柱鞘細胞的側根(Lateral Root，LR)，受洪水、晝夜轉換、機械損傷、施加激素等誘導形成的不定根(Adventitious Root，AR)。研究發現，SPLs基因家族在不同植物中對根的發育表現出多樣性的影響。在擬南芥中，過表達SPL3、SPL9和SPL10對側根的生長起到了抑制作用，其中SPL10發揮主導作用，進一步的研究發現，miR156/SPL模式只影響根原基萌發的速率而不影響根原基的起始過程；隨后對AtSPL10的下游靶基因進行驗證，AtSPL10與AtAGL79的啟動子直接結合，共同調節擬南芥的根發育[11]；Barrera-Rojas等則發現，高表達水平的miR156會使得擬南芥根分生組織變小，主根長度變短，SPL10突變體的分生組織活性降低[12]；同樣作為模式植物，水稻中的OsSPL3基因突變體lcrn1表現為冠根數量減少[13]；過表達丹參(Salvia miltiorrhiza)SmSPL6基因能抑制側根的形成，促進主根的伸長；核桃(Juglans regia L.)的JrSPL7.2表現出同樣的功能，異源轉化煙草顯著抑制不定根和側根的形成，促進主根的生長；小金海棠(Malus xiaojinensis)中，MdSPL26與受外源激素IBA誘導的MxTIFY9相互作用，共同抑制MxHB13的表達，MxHB13則與MxABCB19-2的啟動子結合構成調控通路調節插穗生根[14]；番薯(Ipomoea batatas)的IbSPL17和IbSPL28在根發育過程中高表達，聚類分析顯示4個IbSPLs基因，IbSPL16、IbSPL17、IbSPL21和IbSPL28都參與到了調節根的形態發生過程中[15]。

2 展望

SPL轉錄因子在植物花發育、應答脅迫等過程中發揮重要作用。目前，對SPL家族的研究多集中在模式植物中，大部分物種的SPL基因家族鑒定工作仍未完成，所以SPL在植物中的數量及結構等進化機制尚不清晰。研究顯示，SPL能夠參與脅迫應答，隨著測序和實驗技術不斷進步，SPL在脅迫中的潛在作用機制有待挖掘，這對利用分子技術手段培育具有耐旱、耐鹽、抗病等生長優勢的新品種意義重大；根系是植物吸收水分和營養物質的重要器官，限制林木扦插繁殖的一個重要因素是生根難，甚至不生根。SPL可以調控植物根的形成，這為研究難生根林木的根形成的分子機制提供了思路和基因資源，對促進林木優良品種推廣及大面積種植具有重要意義和價值。