NAC转录因子在植物生长发育中的调控作用

杨晓娜，田 云，卢向阳

(1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省农业生物工程研究所，湖南 长沙 410128)

NAC转录因子是近10年来新发现的具有多种生物功能的植物特异转录因子，为植物中最大的转录因子家族之一，该家族最主要的结构特点是其N端含大约150个高度保守的氨基酸组成的NAC结构域。2004年，Ernst等[1]通过实验证明NAC结构域是一种新的转录因子折叠结构，其不含经典的螺旋-转角-螺旋结构，而是由几个螺旋环绕一个反向平行的β-折叠而成。目前，在拟南芥、水稻、葡萄、白杨、大豆和烟草等植物材料中分别鉴定了117、151、79、163、152和152个NAC转录因子新成员[2]。NAC转录因子在植物生物和非生物胁迫应答、激素信号途径的转导、机体的凋亡等方面发挥着重要的作用。作者在此综述了NAC转录因子在植物细胞次生壁的形成、植物的衰老、侧根的发育、茎、叶和种子的形成等生长发育过程中的重要调控作用及机理，指出了今后NAC转录因子研究的方向。

1 NAC转录因子的主要结构特点

NAC转录因子由两部分组成：N端的NAC结构域和C端的转录调控域。NAC结构域是该转录因子最主要的特点，具有DNA/蛋白质结合能力以及二聚化等作用；C端为高度变异的转录调控区，该端的共同特点是一些简单氨基酸重复出现的频率较高，同时富含丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷氨酸等[3]，具有转录激活或阻遏作用。

NAC转录因子的主要结构类型见图1。

典型的NAC转录因子在其N端具有一个NAC结构域，并在C端含有一个多变的转录调控(transcription regulatory，TR)结构域(图1a)[2]。另外，还有一些非典型的NAC转录因子，主要包括以下5种类型[2]：NAC结构域中含有1个负调控域且C端的转录调控域中含有1个跨膜模体(图1b)；只含NAC结构域(图1c)；含有2个串联重复的NAC结构域(图1d)；NAC结构域的前面含有1个N端延伸(N-terminally extended，NTE)区域(图1e)；NAC结构域在C端，转录调控域在N端，且中间含有1个保守DNA结合域功能的锌指模体(图1f)。

NAC结构域可进一步分为A、B、C、D、E等5个亚结构域(图1a)，其中高度保守的亚结构域C和D主要与DNA结合，从而决定NAC转录因子的特性；亚结构域A可能参与功能二聚体的形成；亚结构域B和E与NAC转录因子的功能多样性有关。

2 NAC转录因子在植物生长发育中的重要调控作用

2.1 NAC转录因子在植物细胞次生壁形成过程中的重要调控作用

研究表明，NAC转录因子可通过影响植物次生壁各组分的分化、沉积、自溶以及与其它合成、修饰等相关基因的相互作用[4]，来影响植株的开花、结实等生长发育过程。

2005年，Mitsuda等[5]首次发现NAC转录因子对次生壁的增厚起调控作用：拟南芥NST1和NST2可协同调节次生壁的加厚，并影响花粉的开裂。进一步研究表明，NST1和SND1/NST3不仅能够促进次生壁的沉积，还能调控拟南芥长角果的形成，但这一过程不涉及细胞程序性死亡[6-7]。拟南芥SND1、SND2能上调次生壁合成相关基因、细胞壁修饰、木质素多聚化等转录因子的表达[8-9]；而ANAC012基因的超表达，强烈抑制木质纤维中次生壁的沉积、减少植物细胞壁中的纤维素成分[10]。另外，在蒺藜苜蓿的生长发育过程中，nst1突变体中MtNST1蛋白功能的丧失，影响了花药的开裂和保卫细胞壁中酚醛自体荧光物质的形成，主要通过阻遏木质素、纤维素及半纤维素合成相关基因的表达，降低了木质素和多糖的含量[11]。

次生细胞壁中木质素的沉积，能使植株变得坚硬牢固，增强植株的支撑力。拟南芥中XND1、VND7、VNI2蛋白通过直接/间接调控其它相关基因的表达，影响植物根和茎中木质部的分化[12-15]。另有研究表明，白杨木材形成过程中NAC转录因子也起着重要作用：PtrWND2B/6B蛋白中的WND区域能够与SNBE元件相互结合，激活启动子与次生壁生物合成、细胞壁修饰以及程序性细胞死亡相关基因的表达，影响次生壁的形成[16]；PtVNS/PtrWND基因在白杨中的超表达也能够诱导树叶中异常次生壁的加厚[17]。

2.2 NAC转录因子在植物衰老过程中的重要调控作用

研究发现，NAC转录因子既能直接或间接地延缓植物衰老，又有加速植物衰老的作用。

植物衰老最主要的表观体现是叶片，叶片是高等植物进行光合作用的主要器官，其发育主要受到遗传基因的支配。NAC转录因子在叶片的衰老过程中起着重要的调控作用。微阵列分析发现，拟南芥NAC转录因子ANAC092/AtNAC2/ORE1能够调控植物叶片的衰老：拟南芥ANAC092(ORE1)诱导的170个上调基因中有46%的基因与衰老相关[18]。NAC转录因子能够加速植物叶片的衰老：随着拟南芥莲座叶的衰老，AtNAP基因的表达逐渐增强，nap突变株系中叶的衰老进程明显延迟，将NAP转化至该突变体中，表型得到恢复[19]；在拟南芥中超表达金丝慈竹基因BeNAC1能够引起拟南芥早熟，将BeNAC1转入至能够延缓植物衰老的拟南芥nap突变体中，可以使突变体恢复至野生型表型[20]；拟南芥ORE1通过与GLKs结合，加速叶绿体的退化，从而加速了叶片的衰老进程[21]。Yang等[22]研究发现，AtVIN2基因在延缓叶片的衰老过程起重要作用，且这一过程受到盐和ABA的调控：AtVIN2基因超表达使拟南芥叶片的衰老程度明显降低；vni2-1突变体中叶片的衰老进程明显加速；进一步研究发现，VNI2能够与COR(COR15A、COR15B)和RD(RD29A、RD29B)基因的启动子相互作用，在转录水平上促进这些基因的表达，提高植物的耐逆性并延缓植物叶片的衰老；最终证明VNI2是通过调节高盐环境下叶片的寿命，从而成为整合发育信号和环境信号的一个重要调控因子。

NAC转录因子在植物果实和根瘤的衰老过程中也具有重要调控作用。果实的衰老与植物体内多种激素的作用相关，如与乙烯信号途径网络密切相关：AtNAP基因对拟南芥长角果的衰老过程具有促进作用，表现在nap突变体中长角果的衰老推迟了4～5 d，且AtNAP对于乙烯所激发的呼吸跃变是必需的[23]；Shan等[24]通过酵母双杂交和双荧光互补等实验发现，香蕉MaNAC1/2蛋白能够与乙烯信号途径中的重要组分MaEIL5蛋白相互作用，推测MaNAC1/2可能通过乙烯信号途径参与香蕉果实的成熟过程。另外，植株的衰老还表现在体内蛋白酶的变化上：MtNAC969是根瘤形成过程中的重要转录调控因子，在MtNAC969 RNAi植物中，根瘤的衰老标志基因半胱氨酸蛋白酶基因(MtCP2)的表达量增加，植株表现为早衰[25]。

2.3 NAC转录因子在植物侧根发育过程中的重要调控作用

研究发现，NAC转录因子通过影响生长素信号相关基因的表达来促进侧根的发育。例如：拟南芥NAC1的反义表达，能够阻断TIR1蛋白诱导的侧根发育，且tir1突变体中NAC1的超表达能够恢复侧根的形成[26]；AtNAC2在拟南芥中超表达也能够促进侧根的发育[27]，这些研究表明NAC转录因子在侧根的发育过程中起促进作用。de Zélicourt等[25]研究发现，MtNAC969在苜蓿侧根发育过程中是一个负调控因子：MtNAC969基因超表达植株中侧根的密度减小；而RNAi转基因植物中侧根的密度增大，但根瘤的数目没有受到影响。另外，Hao等[28]研究也表明，大豆GmNAC20能够通过影响生长素信号相关基因的表达，从而参与植物侧根的发生与发育过程。

根冠是覆盖于根顶端分生组织的冠状细胞团，被认为是根感受重力的部位。Bennett等[29]发现NAC转录因子成员SMB、BRN1和BRN2在植物根冠的成熟过程中具有冗余的调控作用：SMB能单独参与侧根冠中无分裂、细长且具有液泡的细胞成熟过程以及根冠柱中刚性、长方形且无分裂的细胞成熟过程，smb-3突变体的侧根冠成熟延迟，且不能从根上脱离；BRN1和BRN2在影响根冠成熟过程中与SMB具有功能冗余作用；另外，SMB、BRN1和BRN2能够激活6个VND/NST靶基因(CESA8、IRX9、4CL1、XCP1、SND2和SND3)和3个根冠成熟相关基因(CEL3、CEL5和QUA1)的转录。

2.4 NAC转录因子在植物其它生长发育过程中的重要调控作用

NAC转录因子在细胞的分裂和分化、茎、叶及种子等器官的形成过程中也起着重要调控作用。

Kim等[30]通过实验证明了膜结合蛋白NTM1能够通过蛋白裂解从膜上释放出来，经过活化的NTM1进入细胞核并诱导一系列细胞周期蛋白依赖性激酶抑制基因的表达，阻遏组蛋白H4基因的表达，从而减少细胞的分裂；Takeda等[31]也研究证明了CUC1蛋白能够抑制边界区域的器官分化，它通过直接激活核因子基因LSH4/3的转录来进行调控。更多的研究表明NAC转录因子广泛参与了植物茎、叶和种子的形成过程：Vroemen等[32]研究表明CUC3与CUC1、CUC2在调节器官分化方面具有功能冗余，而CUC3在边界与茎分生组织的形成过程中具有重要作用；番茄的GOB蛋白通过影响番茄小叶的发生及其分离，最终影响了番茄叶片的叶型[33]；水稻OsNAC2的超表达能够影响水稻分蘖芽的生长，调控分枝的发育[34]；ANAC036蛋白通过影响植株叶和茎中细胞的大小，调控叶片、叶柄和茎的长度，引起植株半矮化表型[35]；Kunieda等[36]分别分析nars1、nars2单突变体和双突变体种子的形态，发现NARS1和NARS2蛋白能够调控种子的形态，并具有功能冗余，进一步研究发现NARS1和NARS2是通过调节胚珠外皮的发育和退化而影响植物胚胎的形成。

32种已鉴定的与植物生长发育相关的重要NAC转录因子见表1。

3 展望

NAC转录因子是植物所特有的一类转录调控因子，其不仅在植物干旱、高盐、低温等非生物胁迫应答过程中具有调控作用，也在植物病虫害等生物胁迫应答反应中具有调节作用，并且在植物细胞次生壁形成、植物衰老与侧根发育、植物株型建成及器官分化等生长发育过程中均具有重要调控作用。今后将主要围绕以下方面开展相关研究工作：一是进一步克隆鉴定新的NAC转录因子新成员，并对其生物学功能进行验证，以期发现NAC转录因子的新功能；二是深入探讨NAC转录因子的调控作用机理及调控网络。通过挖掘NAC转录因子在植物体内的上下调控因子及其相互关系，阐明NAC转录因子在植物体内的调控作用机理，尤其是探讨NAC转录因子在不同信号途径和/或不同生理过程中的协同调控作用机理及调控网络。

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表1植物生长发育相关的NAC转录因子

Tab.1The NAC transcription factors and their functions in plant growth and development

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