bHLH转录因子研究进展及其在植物抗逆中的应用

王艳敏等

摘要bHLH（basic helixloophelix）转录因子是一类重要的转录因子，bHLH转录因子在真核生物的生长发育、调控及应对逆境胁迫中起到了重要作用。综述了bHLH转录因子家族在植物抗逆反应中功能研究的最新进展，为进一步研究bHLH转录因子家族基因在植物逆境胁迫应答中的作用提供理论参考。

关键词bHLH转录因子；抗逆；应用

中图分类号S188文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）21-034-02

基金项目黑龙江省属科研院所基本科研业务费专项。

作者简介王艳敏（1981- ），女，吉林镇赉人，助理研究员，博士，从事林木遗传育种工作。*通讯作者，白卉，副研究员，从事林木遗传育种工作；*通讯作者，曹焱，助理研究员，从事森林培育工作。

收稿日期20150602

bHLH（basic helixloophelix）转录因子是广泛存在于真核生物中一类重要的转录因子[1]。bHLH蛋白最早是在小鼠的肌肉中被发现，之后被发现存在于酵母、动物、植物等所有主要的真核生物中。由于这类蛋白共同含有保守性很高的 bHLH 区域，所以命名为bHLH 蛋白[2]。笔者综述了bHLH转录因子家族在植物抗逆反应中功能研究的最新进展，为进一步研究bHLH转录因子家族基因在植物逆境胁迫应答中的作用提供理论参考。

1bHLH转录因子的结构特点

bHLH家族转录因子都含有一个高度保守的DNA结合结构域，由约60个氨基酸构成，这个高度保守的结构域分为2个功能不同的区域：在N端的区域含有13～17 个氨基酸，能够识别Ebox元件（5′CANNTG3′）。bHLH结构域至少含有5个基本的氨基酸区域和一个保守的HER元件（His5–Glu9–Arg13），这些区域在50%的植物bHLH中被发现，它能够与DNA相结合[3-5] 。近期研究发现一些新杆状线虫（Caenorhabditis elegans）的bHLH转录因子能够与非标准的Ebox元件（CACGCG 和 CATGCG）相结合。HLH区域主要由2个含有疏水性氨基酸的偶极性α螺旋组成，第一个α 螺旋也称识别螺旋，与识别蛋白结合特异的 DNA 序列有关；第二个α 螺旋位于第一个α螺旋之上，基本上平行于双螺旋链，这种结构有利于氢键形成和范德华力作用[6]。这2个α螺旋之间被一个相对狭小的折叠所间隔，称为螺旋-转角-螺旋（HTH）结构。

2bHLH转录因子与植物的抗逆性

研究显示，bHLHs能够参与多种生物进程，包括不对称的细胞分化、气孔分化、结节血管模式、花器官发生、腋分生组织的形成，近年来研究显示，bHLHs能够调节植物响应非生物胁迫[7]。目前为止，bHLH是植物内发现的第二大转录因子家族，拟南芥中有167个编码bHLHs蛋白的基因被报道，在水稻中则有162个bHLH基因被发现。bHLH 转录因子在植物抗逆方面的作用非常显著，但相对于其他植物逆境抗性相关的转录因子家族而言，bHLH 转录因子家族在植物抗逆中的研究则相对滞后[8-9]。

2.1bHLH参与植物适应缺铁胁迫反应

铁离子是植物生长发育中不可缺少的微量元素之一，植物中调节铁离子平衡机制复杂，涉及到一系列的转录因子[10]。在拟南芥中，2个调控网络FIT（FERLIKE IRON DEFICIENCY INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR）和PYE（POPEYE），被明确用以调节缺铁胁迫反应[11]。FIT和PYE是bHLH家族成员，bHLH蛋白在维持铁离子平衡中具有重要作用。第一个克隆得到的番茄FER基因属于bHLH 家族，是FIT的同源基因，能够调控植物适应缺铁胁迫[12]。FIT突变体fit1在苗期，不施加外源鐵离子时是致死状态，在fit1突变体的根部几乎50%的铁缺失诱导基因解除控制[13]。拟南芥中的FIT1基因与AtbHLH38和AtbHLH39互作以调节铁吸收基因的表达，维持铁离子平衡。与野生型植株相比，FIT/bHLH38和FIT/bHLH39的过表达植株能够积累更多的铁离子[14]；第二个缺铁胁迫调节系统由PYE类bHLH蛋白介导调节pye1突变体对铁缺失敏感，3个与铁离子转运基因NAS4（NASYNTHASE4）、FRO3和ZIF1 （ZINCINDUCED FACILITATOR1）在pye1突变体缺铁条件下上调表达，这3个基因为PYE的目标基因[15]。

在水稻中，一系列bHLH转录因子参与调节铁离子平衡，与拟南芥bHLH38 和bHLH39同源基因IRO2（IRONRELATED TRANSCRIPTION FACTOR2）在缺铁条件下，能够正向调节麦根酸生物合成，IRO2过表达能够提高铁离子吸收和转运[16]。近期研究表明，水稻bHLH133在从根到嫩叶的铁离子转运过程中具有重要的调节作用，进一步阐明了bHLH蛋白在铁离子平衡中的重要作用[17]。bHLH104属于bHLH 家族中的IVc亚家族，在缺铁胁迫下具有正向调节作用，拟南芥中的bhlh104缺失降低了铁缺失的抗性，而bHLH104过表达植株在土壤生长条件下积累了过量的铁离子[10]。

2.2bHLH参与植物耐低温胁迫反应

近期研究显示，一些植物中的bHLH转录因子能够响应非生物胁迫。ICE1（inducer of CBF expression1）也被称为诱导CBF表达基因，它编码一个类似转录激活基因（MYC）的bHLH 转录因子，在常温下钝化，在低温情况下能够特异地结合CBF3启动子中的MYC作用元件，诱导CBF3的表达，CBF3进一步结合到其下游目的基因启动子的DRE序列，诱导下游一系列冷诱导基因以及其他在植物寒冷适应中起作用的基因的表达，继而提高转基因植株的抗寒性。Chinnusamy 等[18]首次采用化学诱导基因突变的方法分离出低温诱导的组成型突变体ice1，发现突变体ice1 极大地抑制了CBF3的表达以及降低了一些受CBFs 调控的下游基因的表达，而且突变体的耐寒力明显下降。进一步采用图位克隆法分离了ICE1 基因，它编码类似MYC 的bHLH 转录因子，可特异地结合到CBF3启动子的MYC 作用元件，并诱导CBF3 调控的下游基因的表达。另外，ICE1 基因是组成型表达，但其超表达可在低温下增强CBF3 的转录表达并提高转基因植株的耐寒能力。因此，ICE1 基因在拟南芥的抗寒中起着关键性的调控作用。Lee等[19]采用基因芯片的方法从整个转录组水平上研究了ICE1 在拟南芥耐寒及其在基因表达调控中的作用，ice1 突变体影响了一些低温胁迫早期应答基因以及受ABA 或生长素调控基因的表达，进一步验证了ICE1 在植物低温胁迫应答中起着关键性的核心作用。Wang 等[17]采用Race 法从芥菜（Capsella bursapastoris） 中分离到一个新的ICE1基因Cbice53，与拟南芥ICE1 基因高度同源，低温和盐胁迫处理可提高Cbice53 的表达。Huang等[20]首次将拟南芥ICE1 通过农杆菌介导法成功转入柠檬（Citrus limon）。 Huang等[21-22]从枸橘中克隆得到PtrICE1基因，PtrICE1受低温诱导表达，在受到低温驯化或低温胁迫时，转PtrICE1基因烟草和柠檬抗寒性提高。林元震等[23]从赤桉克隆到桉树的第一个ICE1基因。EcaICE1基因表达分析结果显示，EcaICE1在赤桉根、茎、叶中均表达，且表达水平不受低温胁迫处理时间的影响，表明EcaICE1是组成型表达。此外，EcaICE1的超表达可以提高转基因烟草的耐低温能力。苹果中的MdClbHLH与低温胁迫相关，在35S：：ICE1（a MYClike bHLH transcriptional activator）转基因植株中，在低温胁迫下增强CBF调节子的表达，因此提高了拟南芥的抗冻性[24]。

2.3bHLH參与其他非生物胁迫反应

在干旱胁迫中，水稻OsbHLH148能够与OsJAZ蛋白互作通过调节茉莉酮酸酯信号转导途径提高抗旱性。拟南芥中的bHLH122在干旱胁迫、NaCl胁迫和渗透胁迫中都起到正向调节作用，GUS分析显示，bHLH122在维管组织和保卫细胞。与野生型植株相比，bHLH122过表达植株显示更强的抗干旱、抗盐和抗渗透能力。相比之下，bhlh122突变体与对照植株相比，对盐及渗透胁迫更加敏感[7，23]。在胡杨中克隆得到PebHLH35基因，表达分析显示，PebHLH35受干旱和ABA诱导，亚细胞定位研究表明PebHLH35GFP定位在细胞核中，在拟南芥中的异源表达显示，在正常生长条件下与野生型相比，过表达植株主根较长，叶面积较大。在缺水条件下，PebHLH35过表达植株抗性提高，PebHLH35在干旱胁迫下起到正调控作用[25]。西红柿中SlICE1受低温、盐胁迫、渗透胁迫诱导表达，SlICE1的过表达烟草植株中脯氨酸、可溶性糖、LEA蛋白含量增加，从而提高抗寒性、抗渗透性、抗盐胁迫能力[26]。拟南芥AtbHLH112是一个核蛋白，它受盐、干旱和ABA诱导表达，拟南芥AtbHLH112通过调节P5CS基因的表达、降低P5CDH和ProDH基因的表达来提高脯氨酸含量。AtbHLH112通过提高POD和SOD基因的表达来提高活性氧清除能力[27]。JAM1（ABAinducible bHLHtranscription factor/jasmonic acid （JA）associated MYC2like1）作为一个抑制剂，能够负向调节茉莉酮酸酯信号途径，在茉莉酮酸酯介导的胁迫响应和植物生长中起到关键作用[28]。

3展望

近年来，对植物bHLH转录因子结构、分类、起源、功能等方面研究都有了很大进展，但由于bHLH家族成员多，调控机制复杂，还需要对其进行更为系统的研究。目前随着基因组测序技术及重测序技术的发展，为更深入分析植物转录因子在抗逆境反应中的作用机理提供了有利条件，进一步揭示bHLH转录因子功能及其调控表达网络，仍是分子生物学的一个重要研究方向。

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