WRKY转录因子在植物生长发育中的调控作用

张婷婷，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）

WRKY转录因子是近年来在植物中发现的新的转录调控因子，因其N端含有由WRKYGQK组成的保守氨基酸序列而得名。SPF1是第一个WRKY转录因子，由Ishiguro等[1］于1994年从白薯中得到。随着研究的深入，相继从烟草、拟南芥、水稻、坚果等植物中克隆到了更多WRKY转录因子。目前，又分别在葡萄和长春花中发现多达59个和47个WRKY转录因子[2－3］。WRKY转录因子与植物的各种生命进程紧密相关，在植物抗逆、抗病、生长发育等方面均起着重要的调控作用[4］。

作者在此综述了WRKY转录因子在植物种子萌发、根茎叶的发育、繁殖以及衰老等过程中的作用及机理。

1 WRKY转录因子的结构

WRKY转录因子由2部分组成：含WRKY结构域的N端和含一个锌指结构域的C端[5］。其中，N端的WRKY结构域能特异性识别下游靶基因的W－box域（含 TTGACC／T 序 列）。实 验 证 明：W－box 是WRKY与DNA特异结合的最小共有序列，其核心序列是TGAC；改变核心序列TGAC中的任意一个碱基，WRKY的识别能力迅速降低甚至失去[4，6］。C端的锌指结构域主要有2种类型：C2－H2（C－X4－5－C－X22－23－H－X1－H）型 和 C2－HC（C－X7－C－X23－H－X1－C）型[5］。锌指结构的N端有2个胱氨酸残基，C端有2个组氨酸残基，这4个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个锌离子，由于锌离子可稳定模体重α－螺旋结构，致使此α－螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合。

WRKY转录因子主要是通过特异性识别下游靶基因的W－box域或者通过调控靶基因的表达，来实现植物生长发育调控及各种生理应答。

根据锌指结构域的类型，可以将WRKY转录因子分成3大类，见图1。

第Ⅰ类WRKY转录因子有2个WRKY结构域，其锌指结构域为 C2－H2型，包括 AtWRKY33、At－ZAP1、CsSE71、PcWRKY1和SPF1等转录因子；第Ⅱ类WRKY转录因子含有1个WRKY结构域，其锌指结构域也为C2－H2型，包括AfABF2、AtWRKY1、AtWRKY17、AtWRKY18和PcWRKY3等转录因子；第Ⅲ类WRKY转录因子含1个WRKY结构域，其锌指 结 构 域 为 C2－HC 型，包 括 AtWRKY53、At－WRKY70、NtWRKY3和NtWRKY4等转录因子。第Ⅲ类WRKY转录因子仅存在于高等植物体中，且几乎所有这类转录因子都与生物胁迫应答反应相关，这也说明第Ⅲ类WRKY转录因子是植物在胁迫环境下通过适应进化产生的[7］。

图1 WRKY转录因子的主要结构类型Fig.1 Structure types of WRKY transcription factors

2 WRKY转录因子在植物生长发育中的调控作用

研究发现，WRKY转录因子家族能在植物的众多生理过程中起到至关重要的作用，并且众多影响因子能对其进行诱导。

表1 为部分与植物生长发育相关的WRKY转录因子。

2.1 在种子萌发中的调控作用

研究表明，WRKY转录因子对植物种子的形成、种子的萌发及胚胎发育等一系列生长发育过程具有调控作用。

种子萌发是指种子从吸胀开始的一系列有序的生理过程。在种子的萌发过程中，早期胚乳会扩散形成胚囊或种子腔，之后胚乳将被胚胎取代，WRKY转录因子可通过招募SHB1触发胚乳扩散和种子腔的扩大，从而影响种子的萌发[32］。

水稻 OsWRKY78 能够调控种子的萌发[8］；Sc－WRKY1虽然在发育中的种子内不表达，但在受精后的鱼雷期胚胎中有强烈的瞬时表达，从而影响到植物体细胞或毛状体的发育[9］。另外，一些 WRKY转录因子在调控种子萌发的过程中受到ABA的影响[33］：AtWRKY2基因调控ABA依赖型的种子萌发和萌发后的早期生长发育，其T－DNA插入突变株在种子萌发和萌发后的早期生长阶段对ABA反应是高敏感的[10］；在ABA存在条件下，小麦TaWRKY71基因过表达植株能够提高种子萌发率，说明TaWRKY71基因能够调控种子萌发[11］。

2.2 在植物根、茎、叶形成发育中的调控作用

研究发现，在植物根、茎、叶的形成发育方面，WRKY转录因子家族起到了不可或缺的作用。

Ishida等[12］通过酵母单杂交实验发现，TTG2转录因子在拟南芥根的形成中起重要作用：抑制TTG2在植株中的表达，导致根毛不能正常发育；AtWRKY75作为一个受病原菌诱导表达的转录因子，主要调控侧根和根毛的生长，不仅参与调控植物叶片的衰老过程，还调控植物根的生长发育过程[14］；At－WRKY68在嫩叶、根和老荚果中都有表达，其中在根中的表达量最高，实验发现AtWRKY68可能参与生长素和温度调控的植物形态建设及发育过程[15］；另外，植物生长素梯度对于维持根分生组织的活动至关重要，植物生长素的合成需要大量的黄酮醇，WRKY23在黄酮醇合成和根的生长过程中起重要作用[16］。

表1 与植物生长发育相关的WRKY转录因子Tab.1 WRKY Transcription factors related with plant growth and development

Zhang等[8］研究表明，OsWRKY78能够调控茎的伸长：实时RT－PCR分析发现，OsWRKY78在伸长的茎中表达量最丰富，抑制OsWRKY78表达将导致植物中体细胞长度的缩短。

于延冲[17］研究发现，AtWRKY71能调控拟南芥的分枝发育。另外，某些与抗病能力相关的 WRKY转录因子也与植物生长发育密切相关，如棉花Gh－WRKY15基因编码的WRKY转录因子不仅有助于植物抵抗病毒和真菌感染，还能影响植物茎的伸长[18］。

2.3 在植物繁殖过程中的调控作用

植物的有性繁殖包括花的发育、果实和种子的形成。

开花是植物生命周期中的关键步骤，WRKY转录因子主要的调控作用表现为影响植物开花时间，且这种调控可能主要通过影响开花相关基因（FLC、FT、SOC1和CO）和花分生组织特征基因（AP1、SEP3、AP3、PI和AG）的表达来实现的。

Yu等[19］研究证实，WRKY转录因子能够调控开花相关基因的表达：芒草MlWRKY12蛋白为一个核蛋白，属于Ⅱ类WRKY转录因子，主要存在于维管束鞘和薄壁细胞中，其过表达植株出现提前开花的特性，定量RT－PCR分析发现MlWRKY12的过表达对CO的表达水平有显著影响。

王芳秀等[20］研究表明，WRKY转录因子很可能通过调控花分生组织特征基因的表达来影响开花：过量表达WRKY25的转基因拟南芥在长光照下比野生型植株提前开花，且AP1基因的表达量在培养21d和27d的WRKY25过表达植株中均有上调，由此推测WRKY25很可能通过增强AP1的表达来影响开花。

Luo等[21］研究证实，大豆GsWRKY20的表达株系在各种处理条件下都能比野生型株系提早开花，GsWRKY20加速植物开花可能主要是通过调控开花相关基因和花分生组织特征基因的表达来实现的。另有研究表明，AtWRKY71也能介导高盐诱导下拟南芥的开花提前[17］。

种子是由胚珠经过传粉授精形成的。种子通常由种皮、胚和胚乳3部分构成，少数植物的种子只有种皮和胚2部分。拟南芥种子的大小是由IKU路径调节，它包括KU2和MINI3，其中由MINI3编码的At－WRKY10 具 有 调 控 胚 乳 增 殖 的 功 能[22］；Johnson等[13］在拟南芥突变体中发现一种被Tag1内源性转座子标记的TTG2基因，该基因表达的蛋白能影响种皮的生长发育进程（即种子的形成）；拟南芥AtWRKY10（MINI3）和AtWRKY44（TTG2）基因能调控种皮的发育和种子的大小；麻疯树JcWRKY04基因（与MINI3和TTG2直接同源）在种子的早期发育中起调控作用[23］；玉米ZmWRKY116.2、－116.3 基因（与TTG2直接同源）编码的WRKY蛋白能调控单宁酸产量和种皮发育[24］。

2.4 在植物衰老过程中的调控作用

衰老是植物生长发育中的一个过程，衰老过程涉及到很多转录因子和相关基因。其中植物特异性转录因子WRKY家族中的部分成员在这个过程中起到了至关重要的作用，包括单个 WRKY转录因子的调控作用以及WRKYs转录因子之间直接或间接的相互调控作用。

植物叶片的衰老过程受到衰老相关基因（SAGs）的调控。叶片衰老数据库中SAGs候选基因的功能性分析显示WRKY转录因子中的拟南芥AtWRKY75在叶片衰老过程中起正调控作用，AtWRKY75功能的缺失将延缓叶片衰老[34］；拟南芥中，AtWRKY6 和AtWRKY18都与叶片衰老有关[25－26］；通过对小麦旗叶衰老的芯片信息分析发现，WRKYs转录因子的表达水平有明显上调，证明WRKY转录因子具有调控小麦旗叶衰老的功能[35］。

WRKY转录因子的植物生长发育调控能力和抗病能力之间存在着某些密切的联系。Murray等[29］研究发现，AtWRKY53的缺失突变体更易受到感染，说明AtWRKY53是一个具有抗病性的调控因子；Miao等[30］研究表明，AtWRKY53具有加速叶片衰老的功能，在插入失活的AtWRKY53表达植株中，叶片衰老时间明显延迟；AtWRKY70不但是病原防御转录因子，还是植株衰老的负调控因子，AtWRKY70的功能缺失将加速突变株衰老[31］。

WRKY转录因子对植物生长发育的调控还可以通过直接的相互作用或者形成网络信号途径来实现。拟南芥中，AtWRKY54和AtWRKY70负调控叶片的衰老，且表现出相互作用及部分功能冗余现象。酵母双杂交实验显示，AtWRKY54、AtWRKY70 和At－WRKY53能够单独地与AtWRKY30发生相互作用，通过这些相互作用可以招募到更多其它相关蛋白参与衰老途径，形成以AtWRKY30为中心的叶片的衰老调控网络[28］。之前的研究表明，拟南芥AtWRKY6与叶片衰老有关[25］，Zhou等[27］通过进一步的实验表明：AtWRKY22不仅能够参与调控黑暗诱导的植物叶片细胞衰老过程，还可以分别与AtWRKY6、At－WRKY53和AtWRKY70相互调控。

3 展望

WRKY转录因子能够参与植物的生长发育和生理进程，并在这些过程中发挥着至关重要的作用，但其中的众多作用机理尚不明确。近期的研究发现，相关的WRKY转录因子不仅可以发生相互作用，还能构建更为复杂的调控网络，从而实现调控植物生长发育等各方面的功能。确定WRKY转录因子之间、WRKY转录因子与其它蛋白之间的相互作用机理将进一步阐述WRKY转录因子的调控模式和作用方式，有助于建立完善的 WRKY转录因子的信号转导途径和调控网络。同时，WRKY转录因子的抗病能力和调节植物生长发育之间的关系也是一个研究热点。今后的方向不仅仅是研究WRKY转录因子的功能多样性，更多的是要探寻其调控植物生长发育过程的作用机理和模式。随着基因学、生物信息学、蛋白质组学等多学科的成熟，WRKY转录因子家族对植物生长发育的作用机理将更加清晰。

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