DREBs、bZIP转录因子与植物抗旱性研究进展

刘 莉

(浙江经贸职业技术学院 应用工程系，浙江 杭州 310018)

水资源短缺、干旱是目前公认的全球性环境问题，全球干旱半干旱地区约占陆地面积的35%，遍及世界60多个国家和地区。中国是受干旱影响严重的农业大国，据水利部统计， “十五”期间，全国农田受旱面积年均达2 567万 hm2，平均每年因旱减产350亿kg，造成经济损失超过2 300亿元。干旱胁迫正严重制约着农作物产量潜力的发挥。同时，由于经济快速发展过程中对污染物处理不尽合理，导致我国70%的内陆河流遭到污染，成为水质性缺水严重的国家。因此，发掘和利用作物对干旱胁迫的耐性和适应性，对于充分利用土地与自然资源、稳定与发展农业生产具有非常重要的意义。

植物通过多种生理机制在细胞、组织和植株水平上响应水分胁迫，避免或减轻缺水对其细胞的伤害［1］，在干旱条件下，植物体内会积累大量的代谢物质如糖类、氨基酸 (如脯氨酸)、多胺、季胺、无机离子 (如K+)等，以调节植物细胞内渗透势;启动抗氧化防御系统，提高超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶 (CAT)、过氧化物酶(POD)等抗氧化酶活性及Ve、还原型谷胱苷肽(GSH)等抗氧化物质，协同抵抗干旱胁迫诱导的氧化伤害;相关基因表达发生改变，一些正常基因被关闭，而一些与适应逆境有关的基因则被启动，表现出正常蛋白合成受阻，诱导合成特异蛋白即逆境蛋白［2-4］。通常，植物许多基因的表达需要通过特定的转录因子与特定的顺式作用元件相互作用调控。转录因子 (transcription factor，TF)又称反式作用因子，是能与真核基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性结合，从而保证目的基因以特定强度、特定时间与空间表达的蛋白质分子。与抗逆相关、编码产物参与信号传递途径和基因表达调控过程的转录因子主要分为 MYB、bZIP、WRKY、AP2/EREBP和NAC类5个家族。其中，碱性亮氨酸拉链 (bZIP，basic region/leucine zipper motif)转录因子广泛参与种子贮藏基因表达、植物生长发育、光信号转导、病害防御、生物和非生物胁迫应答以及ABA敏感性等各种信号的反应;与干旱应答元件结合转录因子 (DREBs，dehydration responsive element binding)，可特异的识别并结合干旱应答元件 (DRE，dehydrationresponsive element)，进而参与逆境信号的传递，调控下游逆境应答基因的表达，提高植物在逆境条件下的适应性和耐受能力。

1 植物对干旱信号的感知和传导

植物抗旱机能的实现要通过对水分胁迫感知、胁迫信号传导及相关基因表达调控等一系列复杂的生理生化过程。从环境刺激到植物对逆境作出反应是一系列复杂的信号传导过程，它包括以下3个环节:一是细胞对环境信号的感知转导，产生胞间信使;二是胞间信使在细胞或组织间传递，并最终到达受体细胞的作用位点;三是受体细胞对胞间信使的接受转导和反应，导致受体组织中生理生化和功能的最优化组合，最终体现为植物对环境刺激或逆境的适应或抗性。尽管从分子水平上还不能完全阐明这些过程，但已有一些研究发现，植物细胞可以通过膨压变化或膜受体的活性变化感知水分胁迫，从而将胞外信号转为胞内信号，触发信号传递途径。在植物中可分为依赖ABA和不依赖ABA的2类途径，参与水分胁迫诱导基因的表达，不同的传递途径之间存在交叉转导作用。已有证据表明调渗蛋白 (OSM)启动子受ABA和乙烯转录水平上的活化。

细胞失水引起的膨压变化或膜受体的活性变化可能是细胞感知干旱信号的原因，并因此发出信号转导途径。随着水分胁迫的进一步加剧，第2级的信号诸如第2体与几种可能的受体 (如受体类的蛋白激酶、组氨酸激酶、与G蛋白相关的膜蛋白受体等)相结合，触发信号转导级联反应。与干旱信号转导相关的第2信使可能有以下几种类型:Ca2+、磷脂、ROS和胞质pH。

植物通过多种途径感受并转导干旱胁迫信号，激发转录因子，转录因子与相应的顺式作用元件结合，激活RNA聚合酶Ⅱ转录复合物，从而启动特定基因的转录表达，诱导产生多种基因表达产物，对内、外界信号做出调节反应，从而增强对逆境的抗 (耐)性［5］。

2 DREB转录因子

DREB转录因子是与DRE顺式作用元件结合的反式作用因子。DREBs转录因子可特异识别并结合DRE，进而参与逆境信号的传递，调控下游逆境应答基因的表达，提高植物在多种逆境条件下的适应性和耐受能力。DREB1A/B/C和DREB2类转录因子分别参与不依赖于ABA的低温、干旱或高盐等胁迫应答途径;而DREB1D/CBF4则参与依赖ABA的干旱或高盐等应答途径。Liu等［6］从干旱处理的拟南芥cDNA文库中克隆到2个与DRE元件结合，在干旱、高盐胁迫下调控报告基因gus表达的转录因子 DREB2A和 DREB2B。Jaglo-Ottosen等［7］利用拟南芥 CBF1基因 (即 DREB1B基因)进行基因转化培育出耐寒性增强的拟南芥植株。李晶等［8］将拟南芥 DREB1A基因分别在组成型启动子CaMV 35S和逆境诱导型启动子rd29A的驱动下转入烟草中，获得的2种转基因烟草，对干旱和低温胁迫的抗性均显著提高。随着对拟南芥DREBs类转录因子研究的深入，其他植物中DREBs类基因家族的研究也得以不断深入。现有研究表明，含DREBP/AP2结构域的转录因子广泛存在于拟南芥、小麦、烟草、水稻、玉米、黑麦和番茄等植物中，分别与细胞发育、激素、抗病、低温以及干旱、高盐等信号有关，在各种基因表达中起重要的调控作用［9-18］

近年来，通过对DREBs类转录因子功能的研究深入，发现DREBs在干旱胁迫适应性及抗性中具有重要作用，1个DREB转录因子可以调控多个与植物干旱、高盐和低温耐性有关的功能基因的表达［19］。Sakuma 等［13］将 35S:AtDREB1A 和 35S:AtDREB2A CA转化拟南芥，干旱处理2周，野生型全部死亡，而转基因植株的存活率分别为60%和83.3%。Chen等［20］从大豆中克隆 GmDREB2转录因子，并将其转化拟南芥，干旱处理19 d，野生型全部死亡，转基因植株的成活率分别为45.9%和21%。Sakuma等［21］通过对 DREB2A-CA过量表达转基因拟南芥中DREB2A的上调基因进行微阵列分析，发现DREB2A-CA不仅可以诱导下游干旱胁迫基因，也可诱导热激和盐胁迫相关基因表达。刘强等［19］报道，在转基因植物中，由于超量表达DREB1，不仅使rd29A、kinl、cor6.6和corl5a基因在正常条件下表达，而且在干旱或低温胁迫条件使rd29A、kinl、cor6.6、corl5a，以及 rd17、rd10 基因的表达显著高于野生型，植物对干旱及低温的耐性也随之显著增强。耿芳等［18］采用同源克隆及cDNA末端快速扩增法 (rapid amplification of cDNA ends，RACE)，从烟草中克隆到 1个新的烟草DREB基因，命名为 NbDREB2a，序列分析表明，该基因具有典型的 DREB转录因子保守的AP2结构域，是植物DREB基因家族的一员，实时定量RT-PCR分析表明，该基因能在烟草的根、茎、叶中表达，受低温、干旱和高盐诱导，说明该基因在植物的抗逆反应中起重要作用;在拟南芥中超量表达NbDREB2a基因能明显提高转基因拟南芥的抗干旱及高盐的能力。于洋等［22］对转 DREB1A基因地被菊进行了耐旱节水性研究，结果表明，在6个转基因地被菊株系中有5个株系的耐旱节水性优于未转基因的野生型植株，而且转基因株系的耐旱能力在高温条件下表现得更为突出，由此说明外源DREB1A基因的导入能激活植物体内与抗逆性相关的基因的表达，从而增强转基因地被菊对干旱的胁迫耐性。

近年来，人们正在进行水稻、棉花、玉米等DREB转录因子的鉴定工作，期望能使DREB转录因子以及DRE元件的启动子在改良植物抗逆性的基因工程中得到应用。Gao等［23］从陆地棉泗棉3号cDNA文库克隆了GhDREB转录因子，GhDREB编码含有保守AP2/EREBP域的蛋白质 (含153个氨基酸)，RNA印迹分析表明，干旱、高盐和冷害诱导GhDREB基因表达，其编码的 GhDREB蛋白质能与DRE核心元件 (A/GCCGAC)特异结合;转GhDREB基因小麦的功能分析显示，转基因小麦与野生型的表型间无显著差异，但耐干旱、盐害和冻害能力显著高于野生型。Wang等［17］从玉米幼苗中分离克隆到ZmDBP3基因，研究显示ZmDBP3合成的CRT/DRE-binding转录因子在改善植物耐旱和耐冷性中具有重要作用，ZmDBP3为CBF/DREB亚族A-1亚组成员，ZmDBP3蛋白包含一个假定的核定位信号和激活区域，低温和盐害激活ZmDBP3高度转录;转基因ZmDBP3超表达拟南芥显著提高植株的耐干旱和低温能力。当水稻遭遇干旱胁迫时个别基因表达发生变化，这些基因包括MAPK(mitogen activated protein kinase)［24］， DREB(drought regulatory element binding)基因［12］，翻译延伸因子［25］和谷胱甘肽还原酶［26］等基因。水稻全基因组保守序列研究显示水稻中存在几个DREB基因，例如:OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1D，OsDREB1F，OsDREB2A，OsDREB4-1和 OsDREB4-2［12，27-28］。转基因水 稻 中 OsDREB 引起胁迫响应基因的强烈表达，结果显著提高抗干旱、盐害和冷冻胁迫能力［29-30］。

3 bZIP类转录因子

植物碱性亮氨酸拉链bZIP转录因子是真核生物转录因子中分布最广、最保守的一类蛋白。目前，在拟南芥、豆科植物和水稻基因组中发现大量的bZIP转录因子。根据植物bZIP转录因子结构的差异，可划分为 A、B、C、D、E、F、G、H、I、S 10个亚族。这些不同家族的bZIP转录因子成员广泛参与种子贮藏基因表达、植物生长发育、光信号转导、病害防御、生物和非生物胁迫应答以及ABA敏感性等各种信号的反应［31-33］。迄今还没有充分的实验数据证实不同bZIP转录因子亚族成员在生理进程中存在功能交叉，但这种分类对功能分析是一个重要的开始，对bZIP基因各家族的鉴定为进一步剖析单个bZIP蛋白的功能奠定了重要的基础。目前，A亚族成员是研究最为广泛的bZIP转录因子，在逆境胁迫诱导下调控下游植物基因的表达。Kang等［34］通过转基因技术系统研究了 bZlP转录因子ABF3/ABF4在干旱和盐胁迫中的作用，结果发现，在拟南芥中组成型表达bZIP转录因子ABF3或ABF4可提高植株耐干旱能力。

ABRE(ABA-responsive element)在依赖ABA的基因表达中作为顺式作用元件，AREB1是在ABA诱导基因的启动子区域与ABRE亚结构域结合的bZIP转录因子，拟南芥AREB1已被证明通过增加对脱落酸的敏感性来提高抗旱性 ［35］。在胁迫条件下，bZIP转录因子可以与ABA诱导基因的启动子区域的ABRE结合来调节下游靶基因的表达。干旱、高盐或外源脱落酸能诱导内源脱落酸的合成，bZIP类型的转录因子也随之被激活，并结合在ABRE上。ABRE存在于许多ABA诱导基因的启动子序列，具有结合bZIP蛋白的结合序列，两者相互作用使下游许多耐盐和耐旱等抗性相关基因得以表达。目前，已经从植物中分离到大量与ABRE相互作用的bZIP类转录因子，如烟草TAF-1、水稻 OsBZ8、TRAB1、拟南芥 ABF1～4、玉米ABP9、大 麦 HvABI5 和 HvVP1 等［21，36-39］。 Choi等［10］用酵母 One-Hybrid的方法，克隆了拟南芥ABF/AREB bZIP类转录因子，其成员分别为:ABF1、 ABF2/AREB1、 ABF3、 ABF4/AREB2。 其中，ABF2/AREB1和ABF4/AREB2主要参与ABA、干旱、高盐、热和氧化胁迫等的应答反应。Class等［40］从水稻胚cDNA文库中筛选到 bZIP蛋白质家族的转录因子OSBZ8基因，其编码的蛋白质能与ABA诱导抗性基因如 Em，Osem，rabI6等 ABRE中的 G-box特异结合。Xiang等［41］研究发现，OsbZIP23转基因水稻，干旱胁迫下体内 (细胞核)ABA依赖型OsbZIP23超量表达，结果其耐旱性显著高于野生型。Lu等［42］报道，转基因水稻过度表达OsbZIP72，表现出对ABA敏感，显著提高LEAs等ABA响应基因的表达水平，并显著增强耐旱能力，表明OsbZIP72对改良水稻耐旱性具有潜在应用价值。这类基因还有大麦 hvABI5，拟南芥ABI3和 ABI5 等［43-44］。

4 小结

从不同水平上了解作物的抗旱机制有助于培育抗旱作物品种，提高干旱条件下作物产量。转录因子在植物防卫反应和逆境胁迫应答过程中扮演着重要的角色，通过揭示转录因子在植物干旱胁迫应答过程中的作用机制，导入或改良一个转录因子，促

使多个功能基因发挥作用，达到提高作物抗逆性的效果。近年来在植物转录因子的基因克隆和功能研究方面取得了很大进展，同时也鉴定出多种与转录因子相结合的顺式作用元件，如 G盒、W盒、CRT/DRE等。在以后的研究中，利用不断发展和完善的基因工程技术，如基因芯片、蛋白互作、突变体分析等，有望对植物 DREBs、bZIP等转录因子在非生物逆境抗性中的作用机理进行深入的研究，许多新功能将被逐步发现，这将促进对它们在基因表达与调控中所起作用的认识，并将有利于DREBs、bZIP等转录因子在基因工程研究中的广泛应用，为外源基因在转基因植物中高效稳定表达拓宽道路，为利用转录因子进行植物抗逆基因工程改良提供理论依据。迄今已有多种植物如水稻、小麦、烟草、地被菊等被转化获得了抗旱转基因植株［8，22-23，45］，随着抗旱分子生物学研究的深入和生物技术的进步，相信不久的将来会有更多的抗旱基因作物应用到生产实践。

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