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大豆抗旱相关转录因子研究进展

2014-03-26李雁杰浙江师范大学化学与生命科学学院浙江金华321004浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所浙江杭州310021

长江大学学报(自科版) 2014年5期
关键词:逆境拟南芥抗旱

李雁杰 (浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江 金华 321004; 浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所,浙江 杭州 310021)

朱丹华,董德坤 (浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所,浙江 杭州 310021)

在自然条件下,植物常常遭受干旱、冻害和高盐等非生物胁迫因素的危害[1],进而影响其正常生长发育和生产。在长期进化过程中,植物体已经形成了一套复杂的调控体系,从而减弱外界不利环境所带来的影响[2]。干旱是影响作物产量的重要因素之一,由于全球范围内的可用水资源日趋匮乏,干旱耕地面积扩张迅速,大豆等粮食作物的生产安全受到了严重的威胁[3]。干旱环境下,植物细胞失水,渗透势发生变化,细胞代谢进程随之改变,植物体内就会形成一系列复杂的进程来应对干旱胁迫的影响,包括前期的信号识别和后期的各种分子、生化和生理反应,使细胞能够适应新的环境[4]。随着现代分子生物技术的迅猛发展,基因芯片技术、数量性状定位技术 (QTL)、RNA-seq测序等技术[5-6]帮助人们发现了大量参与干旱胁迫应答的基因。根据这些基因的功能,可以分为2类:一类是调控性基因,主要包括信号传递和基因表达调控的转录因子、感应和传导信号的蛋白激酶以及信号传递过程中的蛋白酶[7];另一类是功能性基因,该类基因表达的产物直接参与对干旱胁迫的抵御,主要包括保护细胞免受干旱胁迫伤害的功能蛋白、渗透调节因子的相关酶类等,在维持细胞的正常生理代谢、维护细胞膜、叶绿体膜、减缓干旱胁迫伤害的过程中具有重要的功能,已被人们广泛研究和认知[8]。然而,干旱胁迫下的植物细胞是如何感应、传递逆境信号并调控下游基因的机制尚不明确。因此,研究干旱胁迫下的转录相关因子对大豆的抗旱反应机制以及抗旱大豆品种的培育具有重要的意义。为此,笔者重点综述了干旱胁迫发生时,大豆中参与干旱胁迫调控的转录因子基因的研究进展。

1 转录因子的结构和功能

转录因子 (Transcription factor,TF),又称反式作用因子,是一类能够跟真核生物启动子区域的顺式作用元件序列发生结合的蛋白分子[9],其作用是抑制或激活下游基因的转录,保证目的基因在特定条件下的表达。转录因子的结构一般由4个功能区构成:识别、结合DNA顺式作用元件的DNA结合区 (DNA-binding domain);调控下游基因表达的转录调控区 (Activation domain);调控其进入细胞核的寡聚化位点 (Oligomerization site);核定位信号位点 (Nuclear localization signal)[10]。各类转录因子功能区上的差异直接决定了转录因子的特性和功能。根据转录因子的表达特点,可以将其分为2种类型,一种是组成型转录因子,即正常情况下和逆境条件下转录因子基因都会表达,但是在逆境条件下转录因子空间结构会发生变化,增强与下游受调控基因的结合能力;另一种是诱导型的转录因子,该类转录因子的基因被逆境条件诱导表达,从而调控其下游基因的表达[11]。

2 抗旱相关转录因子

干旱胁迫下,植物体内代谢发生改变,被激活的逆境相关转录因子参与到干旱信号的传递和下游基因的表达调控中,帮助植物体降低不利环境所带来的伤害。在植物基因组研究中,人们发现植物体内存在着大量的转录因子,仅模式植物拟南芥的基因组中就至少含有5.9%的转录因子基因[12]。自1987年Paz-Ares等[13]首次从玉米中克隆到转录因子以来,人们已经在大豆、棉花、水稻、小麦、玉米等作物中发现了许多逆境相关的转录因子。目前,借助各种生物技术方法,人们从大豆中克隆出了许多参与干旱胁迫调控的转录因子。经研究发现,这些转录因子可以根据DNA结合域特点分为5大家族:乙烯应答元件结合因子家族 (APETALA2/ethylene-responsive element binding proteins,AP2/EREBPs)、碱性亮氨酸拉链家族 (Basic region/leucine zipper motif,bZIP)、MYB家族、WRKY家族和NAC家族[14]。

2.1 AP2/EREBPs家族转录因子

AP2/EREBPs家族转录因子为植物所特有,其成员庞大,据植物转录因子数据库记录 (http://plntfdb.bio.uni-potsdam.de/v3.0/),在 拟 南 芥 (Arabidopsis thaliana) 中 有 147 个 成 员, 水 稻(Oryza sativa)中有196个,玉米 (Zea mays)中有330个,高粱 (Sorghum bicolor)中有161个转录因子属于AP2/EREBP家族。AP2/EREBPs转录因子含有一个约60个氨基酸的DNA结合域[15]。该DNA结合域高度保守,包括YRG和RAYD 2个区,其中YRG区位于DNA结合域的N端,主要负责各类顺势作用元件的识别和结合;RAYD区位于结合域的C端,可能跟其他转录因子和DNA发生相互作用[16]。在模式植物拟南芥中,Feng等[17]根据DNA结合域的数量将AP2/EREBPs家族转录因子分为了4个亚家族:AP2(APETALA2)亚家族、RAV (Related to ABI3/VP1)亚家族、DREB (Dehydration-responsive element binding protein)亚家族和 ERF (Ethylene-response factor)亚家族,其命名则是根据首字母组合而来。此外,AP2/EREBPs家族中还有一些转录因子不能根据DNA结合域数量归类到这4个亚家族中,因而这些无法归类的转录因子成为第5亚家族[18]。

在大豆中,DREB和ERF是AP2/EREBPs家族转录因子中参与非生物胁迫响应的2个主要亚家族,都含有1个AP2结构域。DREB转录因子主要特异结合DRE/CRT (dehydration-responsive element/C-repeat)元件,含有DRE/CRT元件的基因就会受到DREB基因的调控。目前人们在大豆中发多个DREB亚家族基因[19],分别为GmDREBa、GmDREBb、GmDREBc、GmDREB1、GmDREB2、GmDREB3、GmDREB4、GmDREB5,这些基因通过识别细胞的脱水信号来参与大豆植株对干旱胁迫的调控。2007年,Chen等[20]从大豆中克隆得到了GmDREB2基因,研究发现该调控因子参与了依赖脱落酸和不依赖脱落酸信号途径,并且能够诱导下游基因Rd29A和cor15a的表达,从而增强大豆对干旱和高盐环境的抵抗能力。2010年,Chu等[21]从越南大豆栽培品种 ‘Xanh Tiendai’中克隆了长为924bp的GmDREB5基因,经序列比对发现与中国大豆栽培种的GmDREB5序列有90.4%相似,经验证后将用于大豆的抗旱性试验。此外,Junya等[22]发现新的大豆基因GmDREB2A:2,该基因可有效减少由低温和高温造成的脱水伤害。

ERF转录因子目前仅在植物中发现,含有1个58或59个氨基酸残基的DNA结合域以及DRE/CRT区,主要特异结合GCC-box元件。截止2010年,大豆中只有3个ERF转录因子的功能确定跟抗旱性相关,分别是2002年Mazarei等[23]发现的GmEREBP1,Zhang等在2009年发现的GmERF3[24]和2010年发现的GmERF4[25]。2011年,Zhai等[26]从大豆中克隆出了1个新的ERF转录因子基因GmERF6,该转录因子具有1个AP2/ERF区,两个核定位信号位点 (Nuclear localization signalsNLSs)以及1个关联ERF的两性分子抑制中心 (ERF-associated amphiphilic repression,EAR)。在实验中,他们对大豆苗进行干旱处理,然后提取RNA进行了荧光定量PCR检测,发现干旱处理下的GmERF6表达量增加;同时,将该基因转入拟南芥中,转GmERF6的拟南芥跟野生对照相比,耐旱能力也显著增加了。

2.2 bZIP家族转录因子

bZIP转录因子在所有的真核生物中均有存在,含有1个碱性DNA结合域和1个亮氨酸拉链二聚体,在植物逆境信号传递、种子成熟、成花过程和抗病反应中具有重要的作用。在非生物逆境胁迫下,植物中的脱落酸 (Abscisic acid,ABA)含量就会发生变化,bZIP转录因子就会发挥作用,使得植物能够躲避干旱、高盐等逆境的影响。逆境环境下的植物体内,存在着依赖ABA和不依赖ABA这2条调控途径,其中ABRE(ACGTGG/TC)转录因子存在于依赖ABA途径中,DRE/CRT存在于不依赖ABA途径中,bZIP通过操纵ABREs对植物的逆境相关基因进行表达调控[27]。在拟南芥中,bZIP家族转录因子有123个,许多能够跟ABRE结合参与干旱胁迫应答,如AREB1/ABF2,AREB2/ABF4,AREB3/DPBF2,ABF1,ABF3/DPBF5,ABI5/DPBF1,EEL/DPBF4,DPBF2,AT5G42910等[28]。在大豆中,人们已经发现了有131个bZIP家族的转录因子跟干旱、高盐、冻害等胁迫相关。Liao等[27]对大豆中克隆出的GmbZIP44、GmbZIP62和GmbZIP78进行研究,发现这3个基因能够通过调控磷酸酶2C蛋白的2个基因ABI1和ABI2的表达,降低拟南芥对ABA的敏感性,提高植物对高盐和干旱耐力。2011年,Gao等[29]从大豆品种Tiefeng 8克隆出了1个新的bZIP基因GmbZIP1,转入拟南芥和烟草中进行过表达,结果发现在干旱、高盐和ABA诱导环境下,叶片气孔大量关闭,细胞失水量下降,对抵抗干旱具有一定的效果。

2.3 MYB家族转录因子

MYB家族转录因子是植物中数量最多,功能最多的一类转录因子之一,广泛参与植物对环境胁迫的应答、次生代谢调控和植物形态的建成。MYB转录因子中含有1~3个不完全的螺旋-转角-螺旋(Helix-turn-helix)重复结构,能够跟DNA双螺旋结构中的大沟识别和结合,激活目的基因的表达,只有少数是负调控因子[30]。在拟南芥中,根据MYB结构域,可以将MYB家族转录因子分为4个亚家族:R1-MYB、R2R3-MYB、R1R2R3-MYB和4R-MYB[31]。在干旱胁迫作用下,MYB转录因子通过调控叶片气孔、细胞的分生水平以及根系发育等方式发挥作用[32]。近些年来,人们对于MYB转录因子的抗旱功能研究,大多是在模式植物拟南芥上进行的,如1993年Urao等[33]发现的AtMYB002,2005年Cominelli等[34]发现的2个AtMYB060/AtMYB094,以及2008年Jung等[35]发现的3个AtMYB070/AtMYB073/AtMYB077,2009年Seo等[36]发现的AtMYB096,这些基因都不同程度地提高了拟南芥对干旱条件的忍耐力。MYB家族部分转录因子对植物遭受干旱的调控能力,已经在拟南芥中有所验证,但是在大豆抗旱的研究中报道很少,这可能跟大豆中庞大的基因组相关。2008年,Liao等[37]从前人报道的56147个大豆基因中获得了156个MYB家族基因,然后他们用酵母单杂交方法 (Yeast one-hybrid assay)对这些基因进行基因功能分析,筛选出了43个跟ABA、盐害、干旱、冻害相关的基因,将这些基因转入拟南芥进行功能验证,发现转GmMYB76、GmMYB92、GmMYB177的拟南芥对ABA的敏感性下降了,但是提高了对干旱、盐害和冻害的耐性。

2.4 WRKY家族转录因子

WRKY类转录因子是一类在植物的干旱和冻害胁迫响应、生长发育及抗病防御过程中起重要作用的转录因子。早期的研究中,该类转录因子只有在植物中发现,认为植物所特有,但是最近的研究显示,在原生动物梨形鞭毛虫 (Giardia lamblia)[38]和属于真菌的盘基网柄菌 (Dictyostelium discoideum)中均有发现[39]。WRKY蛋白含有1个60个氨基酸组成的 WRKY保守区,其N端是含WRKYGQK序列的保守区,C端为锌指结构;另外还有1个与 W-box(C/TTGACT/C)特异结合的DNA结合区[40]。根据WRKY区的数量和锌指结构的特征,WRKY家族转录因子分为3个亚家族:第一亚家族含2个分别具有DNA结合活性和不具DNA结合活性的WRKY结构域以及1个锌指结构;第二家族和第三家族成员的都只含有1个WRKY结构域和1个锌指结构[41]。目前已经在拟南芥和水稻中分别发现了74个和109个 WRKY转录因子[42]。2009年,Wu等[43]和Qiu等[44]分别将OsWRKY11和OsWRKY45转入水稻中进行超表达,结果发现OsWRKY11能够提高水稻耐旱和耐热能力,Os-WRKY45则提高了水稻的耐旱、耐盐能力,还增强了抗病性。Zhou等[45]则从大豆中克隆了3个WRKY家族转录因子基因GmWRKY13、GmWRKY21和GmWRKY54,转入烟草中过表达后发现GmWRKY21提高了拟南芥的耐寒性,转GmWRKY13的拟南芥植株的抗旱和抗盐性能得到增强,转GmWRKY54的则提高了拟南芥对盐和甘露醇的敏感性。2013年,Luo等[46]人从野生大豆 (Glycine soja)中克隆了GsWRKY20基因,发现该基因能够抑制ABA途径中的正调控因子;然后他们把GsWRKY20转入野生大豆植株中过表达后显示,野生大豆的失水能力和气孔密度显著降低,植株的抗旱能力有所增强,这也是首个WRKY家族基因在豆科植物抗旱性研究的报道。

2.5 NAC家族转录因子

NAC家族转录因子是发现最晚的一类植物所特有的转录因子,在植物的生长发育、干旱等逆境胁迫应答等过程中具有重要的作用。NAC类转录因子N端含有一段150个氨基酸组成的NAC保守结构域,可能具有DNA结合域功能;C端为非保守性的转录调控区,是植物转录激活结构域[47]。1992年,Yamaguchi-Shinozaki等[48]首次在拟南芥中发现了跟脱水相关的NAC转录因子基因RD26,之后ERD1、ANAC019、ANAC055等大量干旱相关基因在拟南芥中克隆出来并得到了功能验证。近些年来,在大豆中人们发现了大约200个NAC家族的转录因子[49]。2007年,Meng等[50]在大豆中鉴定到了6个干旱胁迫下调节细胞渗透基因的NAC类转录因子,根据编号分别为GmNAC1、GmNAC2、GmNAC3、GmNAC4、GmNAC5、GmNAC6。2009年,Tran等[51]以大豆幼苗为材料,用高通量筛选方法获得了31个GmNAC家族基因,其中有9个GmNAC基因跟干旱脱水、高盐胁迫的响应相关。2011年,Le等[52]从大豆中获得了152个GmNAC转录因子的全序列基因;次年,他们又从中筛选出38个可能跟干旱胁迫相关的GmNAC转录因子,转入大豆中进行表达分析,根据荧光定量PCR结果,发现干旱作用下有25个GmNAC基因发生了上调,另有6个GmNAC基因的表达量则下降了。2013年,Nguyen等[53]同样以Le发表的152个GmNAC基因中筛选出了17个上调和6个下调的干旱相关基因,以大豆抗旱品种DT51和干旱敏感品种MTD720作为材料筛选组织特异性抗旱相关转录因子基因。在抗旱大豆品种DT51的根中,他们发现有9个基因的表达上调,1个基因下调;而在干旱敏感品种MTD720中,8个基因表达上调。由此可以看出大豆植株在的干旱胁迫作用下,GmNAC基因的表达情况跟作物品种紧密相关,筛选出大豆各品种中通用且高效的GmNAC抗旱基因的任务仍然很艰巨。

2.6 其他家族抗旱转录因子

Trihelix家族转录因子是最近才引发关注的一类基因家族[54-59],在DNA结合结构域含有3个串联的螺旋结构,富含碱性和酸性氨基酸、谷氨酰胺和脯氨酸。因其保守结构域能特异的与DNA序列上的光应答元件GT元件结合,所以又称GT因子[60-61]。除在模式植物拟南芥 (Arabidopsis thaliana)和水稻 (Oryza sative)中有部分Trihelix转录因子家族被克隆外,在大豆 [Glycine max (L.)Merr.]和烟草 (Nicotiana tabacumL.)等作物中也被克隆到。研究表明,Trihelix基因家族成员在盐胁迫、干旱胁迫和冷胁迫等生物胁迫与非生物胁迫中表现出应答反应[62]。AtGT-3b属于GT-1亚家族,通过与基因SCaM-4启动子上GT元件结合来调控ScaM-4的表达,AtGT-3b和SCaM-4基因的表达量均可在植株受到病害处理和NaCl处理后提高[63]。AtGT-3b可与合成甜菜碱的2个关键酶胆碱单加氧酶(Choline monooxygenase,CMO)基因和甜菜碱醛脱氢酶 (Betaine aldehyde dehydrogenase,BADH)基因启动子中的GT-1顺式作用元件相互作用,而甜菜碱是一种在植物耐盐中起重要作用的小分子渗透调节物质[64-66]。GmGT-2A和GmGT-2B属于GT-2亚家族,两者在大豆幼苗受到不同盐、冷、干旱等胁迫时表达量升高,在拟南芥中过量表达可提高植物对冷胁迫、干旱胁迫、盐胁迫等的耐受性[62]。此外,Trihelix家族基因在植物形态建成、营养器官的生长和生殖器官的发育都起着重要的作用。

生长素响应因子ARF在调控植物生长发育、细胞分裂和应对环境刺激中扮演重要的角色。大量研究证实,在大豆基因组中存在51个GmARFs基因。CHIEN等[67]通过对大豆和拟南芥的ARFs的系统发育分析后发现,二者在2个ARF家族 (ARF和Aux/IAA)之间存在一定的相似性和差异性,且GmARF基因具有良好的组织特异性和胁迫应答能力。这将对提高转基因大豆抗旱能力具有巨大的应用潜力。

3 展望

干旱胁迫是影响大豆生长和产量的重要环境因素之一。近些年来,人们借助各种先进的生物技术方法发现并克隆出了许多干旱诱导的基因,为选育抗旱作物品种奠定了分子基础。在这些抗旱相关的基因中,有一大部分是转录因子,参与调节下游功能基因的表达,提高植物的抗逆性。然而,植物体对逆境的响应是一个复杂的调节系统,大量的转录因子参与到了调控网络中,各调控因子之间也存在着交叉影响。目前,人们对于一些植物的抗旱响应和调节机制有了初步的认识,但是对于这些抗旱相关转录因子的研究仍处于发掘阶段,实验对象也主要是以模式植物为主,鲜有转基因大豆的大田试验报道。因此,从庞大的转录因子库中筛选出大豆特异的抗旱转录因子并进行功能验证,对解开大豆等作物的抗旱调控机制,是一项具有挑战性的难题,而选育出高产的优质的大豆抗旱品种,还有很长的路要走。

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