植物B、C类热激转录因子研究进展

李红颖　王凤德　邱念伟等

摘要：热激转录因子（HSFs）在调控植物生长发育和胁迫响应中具有重要的作用。根据结构的不同，植物HSFs可分为A、B和C三类。由于B类和C类HSFs缺少AHA转录激活结构域，因此人们对HSFs的研究重点放在了A类。但近年来越来越多的证据表明B类和C类HSFs在调控植物生长发育和响应逆境胁迫的过程中也具有重要的作用，并日益得到人们的重视。本文综合了近几年的研究结果，对植物B类和C类HSFs的结构、组成以及生物学功能作了简要综述，以期为其研究和利用提供参考。

关键词：植物B、C类热激转录因子；结构；组成；生物学功能

中图分类号：Q74 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2015）01-0144-05

Abstract Heat shock transcription factors play an important role in regulating plant growth， development and stress response. Plant HSFs could be divided into three classes， class A， B and C， according to their structure. Because of the class B and C HSFs lack of AHA transcription activation domain， researchers formerly focused on the study of class A HSFs. But in recent years， more and more evidences indicated that the class B and class C HSFs also played an important role in regulating plant growth， development and stress response， and attracted more and more attention. In this review， the structures， compositions and biological functions of plant class B and C HSFs were summarized to provide references for related researches.

Key words Plant class B and C HSFs； Structure； Composition； Biological function

热激转录因子（Heat shock transcription factors， HSFs）是存在于细胞内、在热胁迫下可以激活热激基因表达的一类转录调节基因。它们是高等植物转录水平上热胁迫响应基因的中心调控因子，在植物响应热胁迫反应过程中起着关键性的作用[1]。根据HSF结构的不同可将其分为A、B和C三类[1，2]。

植物HSFs基因最早是在番茄中克隆发现的[3]。目前，已在番茄、水稻、拟南芥、大豆、小麦等植物中被广泛研究。以前的研究认为，B类和C类HSFs由于缺少AHA基元而不具备激活功能[2，4]，因此人们对植物HSFs的研究重点放在了A类。但越来越多的证据表明植物B类和C类HSFs在植物响应逆境胁迫的过程中也发挥着重要作用，并逐渐引起人们的重视。到目前为止，已有多篇关于HSF基因的综述发表，但都主要针对A类HSFs[5～11]，尚未见关于B类和C类HSFs基因研究进展的综述。鉴于此，有必要将近年来关于植物B类和C类HSFs的研究结果作简要综述，以期为全面了解和进一步利用植物HSFs基因提供参考。

1 植物B类和C类HSFs结构

植物B类和C类HSFs与A类HSFs一样都含有以下几个重要结构域（图1）：N端的DNA结合域（DBD）、与DBD相邻的寡聚域（OD）以及核定位信号（NLS）。在上述结构域中，DBD和OD是最保守的，其中DBD负责识别并结合HSE（Heat shock element）的保守基序（5′-nGAAnnTTCnnGAAn-3′）[12～14]；而OD是由两个疏水七肽重复区域A和B（HR-A/B）组成，负责HSFs在逆境下形成有活性的同源三聚体[15]；NLS位于HSFs的C-末端，负责HSFs的亚细胞定位[16]。B类和C类HSFs与A类HSFs的主要区别在于OD结构域，正是基于该结构域的差别将植物HSFs分为A、B、C三类，其中A类在HR-A和HR-B之间存在21个氨基酸的插入，C类在此区域存在7个氨基酸的插入，而B类在此区域无氨基酸插入[2]。B类和C类HSFs与A类HSFs的另一个区别是在A类的C-末端具有激活域（CTAD），而B类和C类HSFs则缺少此结构域。在CTAD结构域中存在一些AHA短肽基序，主要负责HSFs与一些基础转录复合体进行结合[17～19]。

2 植物B类和C类HSFs家族基因组成

近年来，随着越来越多的植物种类全基因组测序，人们对植物HSFs基因家族的组成有了更深入的了解。利用生物信息学的方法对部分已测序物种的基因组进行扫描发现，不同物种B类和C类HSFs家族基因的组成存在较大差异，如表1所示，拟南芥B类HSFs仅有5个成员，而大豆的B类HSFs有22个成员。造成这种差异的原因可能是拟南芥在进化过程中虽然经历了两次全基因组复制事件，但发生的时间较早，分别为6 000万～7 000万年和2 300万～4 300万年，而后在进化过程中大量的重复基因被丢失[21]；而大豆在进化过程中经历的两次全基因组复制事件的时间较晚，分别为5 900万年前和1 300万年前，复制发生后没有发生大量的基因丢失[22]。有趣的是，单子叶植物C类HSFs成员的数目普遍多于双子叶植物，双子叶植物中C类HSFs一般由1～2个成员组成，而单子叶植物一般由3～5个成员组成，可能C类HSFs在单子叶植物中具有更重要的作用。另外，通过比较发现，在植物基因组中，A、B、C三类HSFs的成员组成呈依次递减的趋势，其中A类最多，C类最少，这可能反映了不同类别HSFs在植物中作用的大小。endprint

3 植物B类和C类HSFs家族基因功能

3.1 B类HSFs与植物胁迫抗性

3.1.1 B类HSFs与植物耐热性 研究发现，B类热激因子可抑制正常生长条件下耐热基因的转录表达[24]，这种抑制活性是由位于其C-末端的BRD（B3 repression domain）结构域调控的。对拟南芥、番茄、大豆、棉花、向日葵、水稻等HsfB1蛋白的分析发现，其C-末端都存在一个保守的BRD结构域，其核心序列是L/VR/KLFGVXM/V/L[25～27]。当HsfB1蛋白C-末端BRD结构域中的LKLFGVWL短肽序列被突变为AGAAGAWA时，HsfB1的抑制活性便消失了，这充分说明BRD结构域是HsfB1蛋白抑制活性所必需的。虽然B类热激因子可抑制正常生长条件下耐热基因的转录表达，但B类热激因子在调控植物获得耐热性过程中也是必不可少的。Ikeda等[27]的研究发现，在拟南芥幼苗萌发后7 d，先32℃热激30 min，23℃恢复生长2 h，然后43℃热处理100 min，最后23℃恢复生长15 d，统计幼苗的成活率发现，hsfb1-1/hsfb2b-1双突变体的成活率仅是野生型的50%，这充分表明HSFB1和HSFB2b基因是植物获得耐热性所必需的。另外，Zhang等[28]从小麦中克隆了一个HSFs B2亚家族的基因TaHSF3。对其表达模式分析发现，TaHSF3的转录表达可被42℃高温和4℃低温处理显著诱导。在拟南芥中过量表达TaHSF3基因可提高拟南芥HSP70的表达水平并显著提高转基因植株的耐热性和耐冷性。

3.1.2 B类HSFs与植物耐旱、耐盐性 属于B类HSFs的大麦HvHSFB2c、小麦TaHSF3以及水稻OsHSFB2b的转录表达均受到干旱胁迫以及NaCl胁迫的诱导[28～30]。但对OsHSFB2b的研究发现，在干旱胁迫之前，转基因植株和野生型对照之间的相对电导率（relative electrical conductivity， REC）、丙二醛含量（malondialdehyde， MDA）以及脯氨酸含量无明显差别；干旱胁迫之后，过量表达OsHSFB2b植株的REC和MDA含量显著高于野生型对照，脯氨酸含量低于野生型对照；而OsHSFB2b RNAi植株的REC和MDA则明显低于野生型对照，而脯氨酸含量高于野生型对照。另外，在含有150 mmol/L NaCl的MS培养基上，过量表达OsHSFB2b植株的萌发率仅为20%，而野生型对照和OsHSFB2b RNAi植株的萌发率分别为66%和85%。这些结果表明OsHSFB2b基因负调控植物对干旱和NaCl的抗性，并且进一步的研究发现这种负调控作用需要其位于C-末端的BRD结构域参与[30]。

3.1.3 B类HSFs与植物抗病性 Pdf1.2a和Pdf1.2b基因在植物体内编码一种小的多肽，它们的转录表达受到茉莉酸甲酯和坏死型病原菌Alternaria brassicicola的诱导，在植物抵抗病原菌侵染过程中具有重要的作用[31～33]。Kumar等[34]的研究发现，在hsfB1/hsfB2b双突变体植株中，Pdf1.2a和Pdf1.2b基因的基础转录水平上调，并且hsfB1单突变体和hsfB1/hsfB2b双突变体植株都表现出对A. brassicicola抗性的增强。利用EMSA技术对Pdf1.2a启动子区进行检测发现，野生型和hsfB1/hsfB2b突变体之间并无差别，都检测不到与Pdf1.2a启动子区特异结合的蛋白。但是利用人工合成的HSE顺式响应元件作为探针进行检测则发现，热胁迫后60 min时，在hsfB1/hsfB2b突变体中即可检测到与HSE特异结合的蛋白，并且这种信号持续到热胁迫4 h时；而在野生型植株中热胁迫120 min时才检测到与HSE特异结合的蛋白，并且在热胁迫4 h时这种信号便消失了。这些结果表明，HsfB1/B2b可能通过与A类HSFs的相互作用来调控胁迫响应的开关。

3.2 C类HSFs与植物胁迫抗性

对OsHSFC1b的表达模式分析发现其转录表达不仅受到热胁迫的诱导[35，36]，还受到NaCl、甘露醇和ABA的诱导[37]。Ma等[23]对大白菜C类HSF基因BraHSF039进行表达模式分析也发现，BraHSF039的转录表达受到38℃高温、4℃低温以及干旱胁迫和NaCl胁迫的诱导。这些结果表明，C类HSFs可能参与植物对多种逆境胁迫的响应。Schmidt等[37]利用T-DNA插入OsHSFC1b基因的突变体（hsfc1b）和针对OsHSFC1b基因的人工microRNA抑制表达突变体（amiRNA）研究了OsHSFC1b基因的功能，发现hsfc1b和amiRNA植株的耐盐性和耐渗透胁迫抗性都明显低于野生型对照，并且突变体植株提高了对ABA的敏感性。这些结果表明，OsHSFC1b在ABA介导的耐盐性和耐渗透胁迫抗性中发挥了重要的作用。另外，研究发现hsfc1b和amiRNA植株的长势明显低于野生型对照，可能OsHSFC1b也参与了非胁迫条件下水稻的生长发育过程。

Xue等[38]对小麦HSFs基因的研究发现，过量表达TaHSFC2a基因可激活非胁迫条件下ProTaHSP∶GFP报告基因的表达，但是过量表达TaHSFB1b和TaHSFC1b基因却不能激活非胁迫条件下ProTaHSP∶GFP报告基因的表达。进一步的研究发现，这种激活活性需要HSE顺式反应元件（GAACATTTTGGAA）的存在。对TaHSFC1b蛋白的氨基酸序列进行分析发现，在其C-末端存在一个类似于AHA基序的氨基酸序列（LLLDGDFGNVSAFGPDAVDFAGFYTDDAFANAPVPVE），并且这一序列是TaHSFC1b蛋白发挥转录激活活性所必需的。至于其它C类HSFs是否具有类似的序列并发挥转录激活活性还需要进一步深入的研究。endprint

4 展望

植物热激转录因子在植物的生长发育以及响应逆境胁迫的过程中发挥了重要的作用。目前， 在数量众多的HSFs中，功能明确的只占很少一部分，且主要集中在对A类HSFs的研究上。虽然，B类和C类热激转录因子缺少转录激活结构域，但通过上述综述可以看出它们在生物生长发育、抗逆胁迫中发挥重要作用。目前，大部分B类和C类热激转录因子的研究尚处于基因克隆、结构鉴定和表达分析等层面上，该领域的研究还比较薄弱，不够系统和深入。主要存在以下几方面的问题：①对B类和C类热激转录因子的研究主要集中在模式生物拟南芥和水稻上，在其它非模式生物上的研究较少；②虽然对某些B类和C类热激转录因子的生物学功能进行了研究，但是对其作用机制和参与的分子调控网络等还不明确，例如下游调控靶基因、上游作用因子、与靶标DNA元件结合时的协同调控因子等。相信随着植物功能基因组学和蛋白质组学研究的不断深入，将会进一步明确B类和C类热激转录因子的生物学功能，其调控网络也会逐渐清晰，对植物耐热性及抗逆性研究将具有重要意义。

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