DREB轉錄因子在植物低溫脅迫應答中的作用研究進展

摘 要 低溫脅迫是重要的非生物脅迫之一，影響植物的生長發育、產量、地理分布等，因此，提高植株的抗寒性意義重大。DREB（Dehydration responsive element binding protein）轉錄因子是植物對低溫、高溫、干旱等非生物脅迫應答反應中的重要調控因子。近年來，關于DREB轉錄因子參與非生物脅迫的研究取得了顯著進展。綜述了DREB轉錄因子在低溫脅迫中的研究成果，旨在解析其分子調控機制，為DREB/CBF轉錄因子的深入研究和應用提供參考。

關鍵詞 DREB；轉錄因子；低溫脅迫

中圖分類號：Q943.2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.03.019

低溫脅迫是重要的非生物脅迫之一，包括冷脅迫和凍脅迫[1]，影響著植物的生長發育、地理分布及質量產量，嚴重時可導致植物死亡。因此，提高植株的抗寒性，降低低溫對植株的傷害意義重大。植物在面對低溫環境時，通過一系列復雜的生理和分子機制來適應和響應，形成了一套感知和傳導低溫信號的通路，進而啟動或抑制相關基因表達來適應低溫變化，進而增強抗寒性[2]，減少低溫脅迫對植物的損傷。

轉錄因子是與啟動子區域DNA相互作用的蛋白質，能抑制或激活其他基因轉錄表達[3]。轉錄因子在脅迫中發揮著不可替代的重要作用，個別關鍵脅迫相關基因是在分子水平上解釋植物抗逆機制和耐受脅迫的重要因素[4]。參與植物逆境響應的轉錄因子家族主要有WRKY家族[5]、MYC家族、MYB家族[6]、AP2/ERF家族[7-8]等。其中AP2/ERF家族的脫水反應元件結合蛋白DREB可以特異地結合DRE/CRT（Dehydration-responsive element/C-repeat）元件，以激活上、下游基因的表達，調控植物對非生物脅迫的響應[9]。DREB轉錄因子在植物抵抗干旱、寒冷、鹽和熱脅迫反應調控網絡中發揮著核心作用，且在提高作物抗逆性方面有很好的應用前景。從DREB轉錄因子出發，對其近年來在植物抗寒方面的作用及研究進行綜述，為DREB/CBF轉錄因子的深入研究和應用提供參考。

1" AP2轉錄因子家族

AP2/ERF轉錄因子家族是最古老龐大的轉錄因子家族之一，最早在1994年于擬南芥（Arabidopsis thaliana）中被分離出來。AP2/ERF轉錄因子的一大標志性特征是它們的編碼序列中嵌有一個或多個高度保守的AP2結構域，這些結構域平均長度約60個氨基酸，構成了其功能的核心，賦予了AP2/ERF轉錄因子識別結合特定順式作用元件（如DRE/CRT）的能力，從而精確調控這些基因的表達。這一過程是植物響應環境變化和維持正常生長發育的關鍵分子機制之一。通過這一相互作用機制，在植物發育階段，AP2/ERF轉錄因子可以起到重要的調控作用。根據保守的AP2結構域數量和基序相似性，將AP2/ERF家族轉錄因子分為5個亞家族，即DREB、ERF（ethylene-responsiveelement binding protein factor）、RAV（related to ABI3/VP）、AP2（APETALA2）及Soloist[10]。

DREB和ERF亞家族成員都只有一個AP2結構域，但它們在功能上有所不同。通過識別DRE/CRT，DREB亞家族在逆境脅迫中發揮著重要作用。ERF亞家族則通過識別具有核心序列（AGCCGCC）的乙烯響應元件（ERE或GCC-box），參與植物對生物脅迫的反應，如病原體脅迫、創傷脅迫和乙烯信號[11-12]。同樣只有一個AP2結構域的亞家族成員是Soloist，但其氨基酸序列差異性較大，可能賦予了Soloist類轉錄因子在特定脅迫條件下的調控能力，但其具體功能和作用機制仍需進一步研究，目前的研究還相對較少，擬南芥中的Soloist基因（At4g13040）已被發現正調控水楊酸的生物合成，進而參與植物的抗病過程[13]。AP2亞家族成員則包含兩個相同的AP2結構域，這些結構域可能通過協同作用增強轉錄因子的調控能力。AP2亞家族在植物花器官發育和形態建成中起著重要作用，同時也參與植物對脅迫的響應。RAV亞家族成員不僅包含1個 AP2結構域，還有1個B3結構域，使得RAV亞家族成員在功能上更為多樣化，不僅參與植物花器官發育和形態建成，還參與植物對脅迫的響應及激素信號轉導等過程[14]。

2" DREB轉錄因子的特點與分類

DREB轉錄因子屬于植物特異性APETALA2/乙烯反應因子（AP2/ERF）家族。DREB亞家族中的每個成員的特征為存在高度保守的AP2/ERF DNA結合結構域，該結構域由N末端附近的約60個殘基組成，并且在C末端區域存在多樣化的轉錄激活結構域（TAD）。此外，在N-末端區域也存在一個或兩個核定位信號（NLS）和與AP2/ERF結構域相鄰的保守的富含Ser/Thr的負調控結構域（NRD）[14]。AP2結構域是DREB轉錄因子中的一個重要組成部分，在不同物種間展現出了較高的保守性，即在不同物種中的DREB轉錄因子中，AP2結構域的序列和結構都相對一致。然而，盡管在其結構域中間部分存在較高的序列相似性，但在結構域的兩端，羧基端（C-terminus）和氨基端（N-terminus），卻展現出較大的差異性，這種差異性對于理解其功能的多樣性和特異性具有重要意義。DREB亞家族在AP2/ERF轉錄因子家族中成員數量眾多，占總數的38.6%，顯示出其在植物中的廣泛分布和重要性。基于DNA結合結構域的相似和差異性，DREB轉錄因子可進一步分為A-1至A-6的6個亞組或Ⅰ～Ⅳ的4個組，其中A1—A6組的成員數量分別為6、8、1、16、16和9個。DREB GroupI至GroupⅣ 4個組，數量分別為10、15、23和9個，而在此分類中，Nakano將DREB和ERF亞家族合并成一個家族，命名為ERF家族[13-16]。

3" DREB轉錄因子在低溫生物脅迫中的功能

1994年，Yamaguchi在分析擬南芥RD29A基因的啟動子中首次發現了含9 bp[TACCGACAT]序列的DRE核心序列，能對逆境如干旱、高鹽和低溫脅迫下基因表達起調控作用，且表達不依賴ABA信號轉導途徑[17]。1998年Liu等人從擬南芥中分離到5個基因，分屬2個亞家族，分別命名為DREB1A、DREB1B、DREB1C、DREB2A和DREB2B，其中DREB1A和DREB2A在體外酵母試驗中能特異性地結合DRE順式元件并激活下游報告基因的轉錄，表明DREB1A和DREB2A蛋白作為轉錄激活子參與了RD29A基因在逆境脅迫下的表達[18]。這一結果初步表達了DREB轉錄因子可以響應非生物脅迫，從而提高其抗逆性。

基于研究，已知DREB家族成員在結構和功能上有所不同，且它們在響應不同逆境脅迫時表現出一定的特異性。自首次從擬南芥中分離出AtDREB1A、AtDREB1B等基因以來，已經在多種植物物種中鑒定出許多其他DREB-或CBF直向同源基因，特別是在草本植物中，如水稻（Oryza sativa）、玉米（Zea mays）和大豆（Glycine max）。大多數具有特征的DREB屬于A-1和A-2亞組，通常分別稱為DREB1/CBF和DREB2。這兩種類型的DREB對不同非生物脅迫的反應不同。通常，關于A1亞家族成員（通常被稱為CBFs/DREB1），幾乎所有成員均能夠響應冷脅迫的誘導。這些轉錄因子在低溫條件下被激活，通過與DRE/CRT順式作用元件結合，調控一系列與冷脅迫響應相關基因的表達。此外，還有一些基因編碼的蛋白質參與植物的冷適應過程，如提高細胞膜的穩定性、改變代謝途徑以積累更多的保護性物質等。低溫觸發轉錄因子的表達，進而激活許多下游基因，使植物具有耐寒性和抗凍性。ICE1，是寒冷條件下調節DREB1/CBF基因轉錄的上游轉錄因子，屬于bHLH轉錄激活子，且特異性結合CBF3啟動子中的MYC識別序列從而激活大量下游冷防御基因（如COR15、COR47）的表達，其在擬南芥中的過表達增強了CBF調控在寒冷中的表達，提高了轉基因擬南芥的抗凍性[19]。HOS1（high expression of somatically responsive genes）和MYB15同樣是DREB1/CBF及其下游基因的直接調控因子，HOS1負向調控ICE1在低溫適應中的功能，MYB15與CBF啟動子直接結合并負調控CBF[20-21]。

來自不同植物的大多數DEEB1/CBFs過表達或組成性表達顯示，轉基因植物對寒冷、干旱和鹽脅迫的耐受性顯著提高[22-23]。在大豆基因組數據庫中鑒定了14個DREB1型轉錄因子，其中GmDREB1基因的表達受到冷脅迫的強烈誘導。通過過表達GmDREB1s的轉基因擬南芥植物的轉錄組分析發現，相關抗寒基因RD29A、COR15A等表達量明顯上調。ZmDREB1A的瞬時表達受冷脅迫誘導，并且與擬南芥DREB1A的基因重疊。通過酵母單雜交實驗在玉米中分離出DREB1/CBF同源物ZmDREB1A的cDNA。與DRE特異性結合的ZmDREB1A蛋白和ERF/AP2DNA結合域第14個殘基處高度保守的纈氨酸是確定該蛋白與DRE序列之間特異性相互作用的關鍵[24]。

相比之下，DREB2基因通常表現出比DREB1/CBFs更復雜的應激反應模式。如AtDREB2A、AtDREB2C和OsDREB2A主要參與植物對干旱、高溫和鹽脅迫的響應[25-26]，而玉米中的GmDREB2A和GmDREB2[27]、蘋果（Malus sieversii Roem）中的MsDREB2C[28]不僅受干旱、高溫和高鹽脅迫誘導，還受冷脅迫誘導。在轉基因植物中過度表達或組成表達DREB2s，如AtDREB2ACA（組成活性形式）[20]、OsDREB2B[26]，不僅具有耐旱性、耐鹽性和耐寒性，還經常增強耐熱性。來自蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）的MsDREB2C在冷反應中起關鍵作用且可以調節脂肪酸的組成。之前研究大多聚焦于A-1和A-2亞組，但隨著DREB亞家族的其他成員的相繼克隆研究，發現其他DREB基因同樣在抗寒研究中發揮著作用，來自番茄的LeDREB3受到Nacl、干旱、低溫和H2O2的顯著誘導[29]。來自大豆的GmDREB3，屬于A-5亞組。Northern印跡分析表明，GmDREB3僅由冷脅迫誘導，其在轉基因植物中的過表達增加了其對冷脅迫的耐受性。此外，GmDREB3的啟動子分析顯示，啟動子片段，從1 058到664 bp，足以激活冷應激表達，但區域1 403到1 058 bp中的元件可能與轉錄阻遏物協同作用以削弱這種活性，表明轉錄激活劑和阻遏物都參與了GmDREB3在冷應激反應中的微調表達[30]。

4" 展望

隨著深入研究，DREB轉錄因子已被明確證實為受低溫、干旱等多種非生物脅迫因素誘導的轉錄調控因子。有多個類似基因屬于一個基因家族，目前已經在許多生物中發現了類似因子，在植物的轉基因工作中也逐步被廣泛應用，并獲得了不同程度的高抗逆水平轉化材料。雖然DREB類轉錄因子在抗寒方面已取得一定的研究進展，但仍然存在問題亟需解決。1）DREB轉錄因子的研究大部分是煙草或擬南芥，異源表達對試驗結果有一定影響。2）在研究對象選擇上，主流研究多聚焦于草本植物，對木本植物的研究相對較少。草本植物與木本植物體形大小、結構復雜性、生命周期長短等存在顯著差異。草本植物的研究成果無法直接且全面地應用于木本植物。因此，針對木本植物的DREB轉錄因子研究顯得尤為重要。3）當前的研究重心主要聚焦于DREB轉錄因子家族成員的功能探索上，對其上下游相關基因的深入挖掘和理解仍然不足，這是未來研究需進一步強化的方向。因此，對于DREB轉錄因子的分析還需不斷完善。

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（責任編輯：敬廷桃）

作者簡介：金蒙蒙（1999—），在讀碩士，研究方向為園林植物資源與應用。E-mail：a152677b@163.com。