植物bZIP转录因子及其耐盐性调控研究进展

陈祥福，潘阳露，魏娟娟，崔萌，陈梦莹，李金华，潘宇，张兴国

（西南大学园艺园林学院，南方山地园艺学教育部重点实验室，重庆市蔬菜学重点实验室，400715）

盐分是影响植物生长发育的一个重要因素，高浓度盐能导致植物死亡。土壤盐碱化会严重影响农业的安全生产和健康发展，是当今世界较为严重的生态环境与社会经济问题之一。目前，全球盐碱土壤面积约为9.6亿hm2，我国约有1亿hm2，而且由于近年来全球气候的变化、对环境保护的力度不够以及对土地的不合理使用，全球土壤盐碱化日趋严重[1]。解决土壤盐碱化问题，除了加强环境保护、合理利用土地、采用水利改良和化学改良等方法之外，培育耐盐碱的植物品种，尤其是明确植物的耐盐机制，并利用分子生物学技术来提高植物的耐盐能力，显得尤为重要。本文就植物耐盐反应及bZIP转录因子在高盐逆境下的作用与响应作一综述。

1 植物在盐胁迫条件下的反应

在盐胁迫下，植物体内被迫积累盐离子，盐离子过量造成毒害，植物细胞内自由基平衡被打破，改变了植物细胞膜的成分、通透性、运输能力，导致细胞膜的功能和结构受到损伤[2～4]，严重影响植物细胞和组织的正常功能。植物体内基因表达也发生了变化，植株会随着环境的变化产生相应的胁迫蛋白，对胁迫环境产生一定的适应能力[2]。

土壤中盐分过多时，高浓度盐降低了土壤的水势，产生了渗透胁迫，直接影响细胞的代谢和植物对营养物质的吸收[5]，最终导致酶合成受抑制、有毒物质积累等，严重影响植物的正常生长发育。此时，细胞通过积累一些渗透调节物质来提高溶质浓度[2]，从而降低植株体内水势。

在高盐条件下，植株体内因缺水而致叶片气孔关闭、光合作用受阻，使得呼吸作用与光合作用无法达到平衡[6]，呼吸作用会短暂增强，之后减弱[7]。

2 bZIP转录因子

转录因子（Transcription factors，TFS）是一类参与真核细胞转录调控的，存在于动、植物细胞核内的蛋白分子。它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，并且能激活或抑制转录过程。根据转录因子结构域的特点，转录因子可以分为碱性亮氨酸拉链（Basic region/leucine zipper motif，bZIP）、MADS－Box、MYB、AP2/EREBP 等[8]。 当植物受到外界刺激时，其体内会产生一系列的信号传导，最后通过转录因子对植物抗性基因和相关防御体系的诱导，改变植物对环境的适应[9～13]。

bZIP转录因子是一类真核生物中分布最广，也是最保守的一类蛋白。在人类、植物、动物以及微生物中均有发现[14]。bZIP家族成员参与植物生长[15]、衰老[16]、损伤[17]、花发育[18，19]、种子成熟[20]等植物生理过程。目前，已经从高等植物中分离出了调控植物耐盐、耐寒、抗旱、耐病原胁迫以及植物生长发育等相关的转录因子。bZIP转录因子具有共同的特点：①含有能与特异DNA相结合的碱性结构域[21]；②bZIP转录因子的N末端含有酸性激活区；③bZIP转录因子以二聚体的形式结合DNA，亮氨酸拉链区与碱性区相连，共同参与寡聚化作用[8]；④bZIP转录因子识别核心为ACGT作用元件，如TACGTA的A盒，GACGTC或CACGTG的C盒等。

3 bZIP转录因子的分类

Jakoby等[21]通过对拟南芥中发现的大量bZIP转录因子分析，根据bZIP转录因子的碱性结构域以及其他保守结构域，将75个拟南芥的bZIP转录因子基因家族成员分为 10 个亚家族：A、B、C、D、E、F、G、H、I和 S 类。B、F 亚家族报道很少，A、C、D、E、G、H、I、S亚家族都各有各的特点，但同一类亚家族成员具有相同的结构域和其他保守结构域，因此，它们具有类似的功能。

根据与DNA结合的专一性，Izawa等[22]将植物的bZIP蛋白分为4个基本类型：①选择G框的植物bZIP蛋白；②选择C框的植物bZIP蛋白；③对G框和C框同样有选择的植物bZIP蛋白；④不能与DNA构成二聚体的植物bZIP蛋白。

4 bZIP在植物高盐逆境下的作用及响应

研究表明，bZIP转录因子对高盐逆境中植物的生理过程有积极的响应，能显著提高植物的耐盐能力。目前，通过对拟南芥、番茄、烟草、水稻、大豆等植物的研究均发现bZIP具有抗盐作用。

Choi等[23]首次从拟南芥中克隆得到了bZIP转录因子 ABF/AREB，其成员分别有：ABF1、ABF2/AREB1、ABF3、ABF4/AREB2， 其中 ABF2/AREB1、ABF3和ABF4/AREB2主要参与高盐、干旱、热、ABA以及氧化胁迫的应答反应。

bZIP转录因子通过在分子水平上的响应，通过减少毒害物质积累，保护膜的完整性来提高植株的耐盐能力。在Hsieh等[24]的研究中，在高盐浓度条件下，与野生型番茄相比，只有含SlAREB1的转基因番茄能正常生长及开花结果，转基因番茄植株内的丙二醛含量明显低于野生型对照。大豆中已经鉴定出的bZIP基因中，1/3以上的基因能对高盐、干旱、ABA、低温中的至少一种植物逆境有响应。其中，大豆的GmbZIP132[25]和GmbZIP1[26]基因能显著提高转基因植株的耐盐能力。玉米的ABP9[27]和ZmbZIP72基因也可显著提高耐盐能力，Ying等[28]将玉米ZmbZIP72转录因子转到拟南芥中，提高了拟南芥的耐盐性。将辣椒基因CAbZIP1转入拟南芥中[29]，转基因植株的耐盐性和抗旱性均得到提高。

刚毛柽柳是一种根系发达、生命力极强、极耐盐碱、耐干旱瘠薄的柽柳科树种，它的bZIP基因有很强的抗盐能力。Wang等[30]将刚毛柽柳的ThbZIP1基因转入烟草，在不同高盐浓度条件下，转基因植株的长势、POD和SOD活性及可溶性糖含量均高于野生型植株。Ji等[31]将刚毛柽柳的ThbZIP1基因转入拟南芥，在正常条件下生长，转基因植株与野生型植株并没有差异，但是，在干旱胁迫、高盐和甘露醇的胁迫下，含ThbZIP1的转基因植株的根部长势、鲜质量、种子萌发均明显比野生型植株提高，并且，在盐胁迫条件下，转基因植株参与正、负调控的基因也明显增加，研究表明，高盐条件能高度诱导ThbZIP1基因的表达，它通过有效清除活性氧自由基和积累可溶性渗透物质来提高植物耐盐能力。

在水生植物中，bZIP基因也有一定的抗盐作用。Xiang等[32]发现，水稻基因OsbZIP23的超表达能显著提高水稻的耐盐性、抗旱性和ABA敏感性，在对照植株中，水稻的耐盐性、抗旱性和ABA敏感性也随之明显降低，这表明OsbZIP23基因在水稻的耐盐、抗旱过程中起到了非常重要的作用。水稻中OsABF1[33]和OsABF2[34]也能大大提高植株在高盐条件下的适应能力。Cheng等[35]的研究表明，莲藕中对盐有隔离和功能性特征响应的转录因子LrbZIP能提高植株耐盐能力，它的表达能让植株在250 mmol/L NaCl处理下正常生长长达18 h。在高盐处理条件下，通过对转基因植株和对照植株的根部生长、叶绿素含量和电解质渗出率的比较发现，转基因植株表现出更高的承受能力。

另外，植物在逆境中对bZIP转录因子的超表达可提高植物光合作用的能力，通过提高植物的光合作用，从而提高植物的抵抗能力，间接地增强植物对高盐等逆境的抗性。如拟南芥的ABP9在植物光合过程中起着重要的作用[36]。植物在不同的发育阶段，bZIP转录因子对耐盐性的调控也有所不同。在苗期和抽薹期，对大豆GmbZIP44、GmbZIP62、GmbZIP78超表达能提高植株耐盐能力[37]。

5 展望

植物耐盐机制相当复杂，在盐胁迫条件下，植物能有效协调自身调节机制来达到抗盐、拒盐的功能，但由于土壤盐碱化加重，植物自身的调节体系已经无法满足正常生长的要求。通过对植物耐盐机制的了解和研究，结合bZIP转录因子对植物抗性的研究，可以得到bZIP类转录因子的转基因耐盐作物，从而提高作物的耐盐能力。近年来，对bZIP转录因子的基因克隆及其功能研究和对bZIP转录因子在抗逆过程中的作用机理的研究进展明显，bZIP转录因子在植物耐盐性方面取得的进展已经有效增强了作物耐盐的效果。但目前bZIP转录因子中各个基因的具体功能及其作用强度没有突破性进展。在今后的研究中，在全基因组层面上寻找更多的bZIP转录因子，并对其进行基因克隆和功能分析。将各类抗逆境基因有机地结合起来，共同转入植物体内，有望得到具有综合抗逆能力的作物新品种。随着基因工程技术的不断完善和进步，相信会有更多、更安全、更实用的转基因抗性品种被广泛应用，从而推动农业生产前进的脚步。

[1]李彦，张英鹏，孙明，等.盐分胁迫对植物的影响及植物耐盐机理研究进展[J].中国农学通报，2008，24（1）：258－266.

[2]Moran J F,Becana M,Iturbe－Ormaetxe I,et al.Drought induces oxidative stress in pea plants[J].Planta,1994,94:346－352.

[3]吕庆，郑荣梁.干旱及活性氧引起的膜脂过氧化与脱脂化[J].中国科学（C 辑），1996，26（1）：26－30.

[4]翁森红，李维炯，刘玉新，等.关于植物的耐盐性和抗盐性的研究[J].内蒙古科技与经济，2005（10）：15－18.

[5]杨少辉，季静，王罡宋，等.盐胁迫对植物影响的研究进展[J].分子植物育种，2006，4（3）：139－142.

[6]利容千，王建波.植物逆境细胞及生理学[M].武汉：武汉大学出版社，2002：236－284.

[7]杨晓慧，蒋卫杰，魏珉，等.植物对盐胁迫的反应及其抗盐机理研究进展[J].山东农业大学学报：自然科学版，2006，37（2）：302－305.

[8]Landschulz W H,Johnson P F,Mcknight S L.The leucine zipper:a hypothetical structure common to a new class of DNA binding proteins[J].Science,1988,240（4 860）:1 759－1 764.

[9]Liu L,White M J,MacRae T H,et al.Transcription factors and their genes in higher plants[J].Eur J Biochem,1999,262（2）:247－257.

[10]Després C,DeLong C,Glaze S,et al.TheArabidopsis NPR1/NIM1 protein enhances the DNA binding activity of a subgroup of the TGA family of bZIP transcription factors[J].Plant Cell,2000,12（2）:279－290.

[11]Gu Y Q,Wildermuth M C,Chakravarthy S,et al.Tomato transcription factors Pti4,Pti5,and Pti6 activate defense responses when expressed inArabidopsis[J].Plant Cell,2002,14（4）:817－83.

[12]Li J,Brader G,Palva E T.The WRKY70 transcription factor:anode of convergence for jasmonate－mediated and salicylate－mediated signals in plant defense[J].Plant Cell,2004,16（2）:319－331.

[13]Singh K,Foley R C,Onate －Sánchez L.Transcription factors in plant defense and stress responses[J].Curr Opin Plant Biol,2002,5（5）:430－436.

[14]Rodriguez－Uribe L,O'Connell M A.A root－specific bZIP transcription factor is responsive to water deficit stress in tepary bean （Phaseolus acutifolius）and common bean （P.vulgaris）[J].Exp Bot,2006,57（6）:1 391－1 398.

[15]Heinekamp T,Kuhlmann M,Lenk A,et al.The tobacco bZIP transcription factor BZI－1 binds to G－box elements in the promoters of phenylpropanoid pathway genes in vitro,but it is not involved in their regulationin vivo[J].Mol Genet Genomics,2002,267（1）:16－26.

[16]Lee S C,Choi H W,Hwang I S,et al.Functional roles of the pepper pathogen－induced bZIP transcription factor,CAbZIP1,in enhanced resistance to pathogen infection and environmental stresses[J].Planta,2006,224（5）:1 209－1 225.

[17]Stankovic B,Vian A,Henry－Vian C,et al.Molecular cloning and characterization of a tomato cDNA encoding a systemically wound－inducible bZIP DNA binding protein[J].Planta,2000,212（1）:60－66.

[18]Strathmann A,Kuhlmann M,Heinekamp T,et al.BZI－1 specifically heterodimerises with the tobacco bZIP transcription factors BZI－2,BZI－3/TBZF and BZI－4,and is functionally involved in flower development[J].Plant J,2001,28（4）:397－408.

[19]Sreenivasulu N,Sopory S K,Kavi Kishor P B.Deciphering the regulatory mechanisms of abiotic stress tolerance in plants by genomic approaches[J].Gene,2007,388 （1－2）:1－13.

[20]Zou M,Guan Y C,Ren H B,et al.A bZIP transcription factor,OsABI5,is involved in rice fertility and stress tolerance[J].Plant Mol Biol,2008,66（6）:675－683.

[21]Jakoby M,Weisshaar B,Dr ge－Laser W,et al.The family of bZIP transcription factors inArabidopsis thaliana[J].Trends Plant Sci,2002,7（3）:106－111.

[22]Izawa T,Foster R,Chua N H.Plant bZIP protein DNA binding specificity[J].J Mol Biol,1993,230:1 131－1 144.

[23]Choi H,Hong J,Ha J,et al.ABFs,a family of ABA－responsive element binding factors[J].J Biol Chem,2002,275:1 723－1 730.

[24]Hsieh T H,Li C W,Sur C,et al.A tomato bZIP transcription factor,SlAREB,is involved in water deficit and salt stress response[J].Planta,2010,231:1 459－1 473.

[25]Liao Y,Zhang J S,Chen S Y,et al.Role of soybean GmbZIP132 under abscisic acid and salt stresses[J].Journal of Integrative Plant Biology,2008,50（2）:221－230.

[26]Gao S Q,Chen M,Xu Z S,et al.The soybeanGmbZIP1 transcription factorenhances multiple abiotic stress tolerances in transgenic plants[J].Plant Molecular Biology,2011,75（6）:537－553.

[27]Zhang X,Wang L,Meng H,et al.MaizeABP9 enhances tolerance to multiple stresses in transgenic Arabidopsis by modulating ABA signaling and cellular levels of reactive oxygen species[J].Plant Molecular Biology,2011,75（4－5）:365－378.

[28]Ying S,Zhang D F,Fu J,etal.Cloning and characterization of a maize bZIP transcription factor,ZmbZIP72,confers droughtand salttolerance in transgenicArabidopsis[J].Planta,2011,235（2）:253－266.

[29]Asada K.The water－watercycle in chloroplasts:scavenging of active oxygen and dissipation of excess photons [J].Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol,1999,50:601－639.

[30]Wang Y C,Gao C Q,Liang Y N,et al.A novelbZIPgene fromTamarix hispidamediates physiological responses to salt stress in tobacco plants[J].Journal of Plant Physiology,2010,167（3）:222－230.

[31]Ji X,Liu G,Liu Y,et al.The bZIP protein fromTamarix hispida,ThbZIP1,is ACGT elements binding factor that enhances abiotic stress signaling in transgenic Arabidopsis[J].Plant Biology,2013,13:151.

[32]Xiang Y,Tang N,Du H,et al.Characterization of OsbZIP23 as a key player of the basic leucine zipper transcription factor family for conferring abscisic acid sensitivity and salinity and drought tolerance in rice[J].BMC Plant Physiology,2008,148:1 938－1 952.

[33]Amir H M,Lee Y,Cho J I,et al.The bZIP transcription factorOsABF1 is an ABA responsive element binding factor that enhances abiotic stress signaling in rice[J].Plant Molecular Biology,2010,72（4－5）:557－566.

[34]Amir H M,Cho J I,Han M,et al.The ABRE－binding bZIP transcription factorOsABF2 is a positive regulator of abiotic stress and ABA signaling in rice [J].Journal of Plant Physiology,2010,167（17）:1 512－1 520.

[35]Cheng L,Li S,Hussain J,et al.Isolation and functional characterization of a salt responsive transcriptional factor,LrbZIPfrom lotus root （Nelumbo nuciferaGaertn）[J].Mol Biol Rep,2013,40（6）:4 033－4 045.

[36]Zhang X,Wollenweber B,Jiang D,et al.Water deficits and heat shock effects on photosynthesis of a transgenic Arabidopsis thalianaconstitutively expressingABP9,a bZIP transcription factor[J].Journal of Experimental Botany,2008,59（4）:839－848.

[37]Liao Y,Zou H F,Wei W,et al.SoybeanGmbZIP44,GmbZIP62 andGmbZIP78 genes function as negative regulator of ABA signaling and confer salt and freezing tolerance in transgenicArabidopsis[J].Planta,2008,228（2）:225－240.