TGA转录因子在植物氧化胁迫应答中的调控作用
2015-12-28罗秀云李园园卢向阳
罗秀云,李园园,周 赓,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)
植物体内各组织器官(如根、茎、叶、花、果)时刻都在发生生理代谢,在代谢过程中会产生活性氧(ROS)。环境胁迫(如干旱、低温、高温、盐害、外源H2O2等)会导致植物体内积累大量的ROS,破坏机体内ROS氧化还原的平衡,从而产生氧化胁迫。氧化胁迫会使植物体内ROS的清除能力减弱,造成植物伤害甚至死亡[1-2],在很大程度上影响植物的生长发育、作物品质和产量[3]。
目前,氧化胁迫的研究主要集中在两方面:一是病毒、微生物引起的植物机体抗氧化应答机理;二是外源H2O2和光照等条件诱导产生的植物抗氧化调控[4]。ROS是氧化胁迫研究的关键信号分子,主要存在于线粒体、内质网等膜系统中,植物体内清除过量的ROS途径主要有两类:抗氧化酶系统(NADPH 酶、脂氧合酶等)和抗氧化剂(GSH、Vc等)[5]。此外,植物机体内ROS的信号转导途径易受机体自身激素的影响[6]。在植物ROS信号途径中,硫基类蛋白,尤其是半胱氨酸蛋白对ROS的信号转导途径起关键作用。目前,在ROS信号转导途径的研究中,主要有NPR1/TGA 和Rap2.4两类关键蛋白[7]。作者主要综述了植物TGA转录因子的分类、结构和作用,重点介绍了TGA 转录因子在植物ROS应答途径中的调控作用。
1 植物TGA转录因子
转录因子是由DNA 结合结构域和转录激活结构域构成的能与DNA 分子相互作用的蛋白质,根据DNA 结合位点的不同可分为多类,如bZIP 类转录因子、MYC类转录因子等[8]。植物TGA 转录因子是能够识别TGACGT 特异性结合序列且含有一个典型的锌指结构域和2个谷氨酰胺转录激活位点的一类转录因子,属于bZIP 转录因子家族中的一个亚家族。TGA 转录因子中锌指结构域是螺旋-旋转-螺旋类的DNA 结构域,且在DNA 结构域的C 端含有一个亮氨酸拉链和碱性结构的二聚体,此外,其谷氨酰胺激活结构域是一类酸性转录激活域。
1.1 植物TGA转录因子的分类与结构
1989年,利用花椰菜花叶病毒(CaMV)35S 启动子,首次在烟草中发现了TGA1a转录因子并确定其能识别TGACGT 特异性结合序列[9]。之后在水稻、拟南芥中陆续发现了TGA 转录因子。
根据TGA 转录因子的结构差异,植物TGA 转录因子可分为6 类:TGA1a、TGAⅠ、TGAⅡ、TGAⅢ、TGAⅣ、TGAⅤ,见表1。
根据植物TGA 转录因子的DNA 结构域和转录激活域的结构特征,可明显地比较这6类转录因子的结构异同[10],见图1。
表1 植物TGA转录因子的分类Tab.1 Classification of TGA transcription factors in plant
图1 植物TGA转录因子的结构Fig.1 Structures of TGA transcription factors in plant
有研究表明,在拟南芥中发现了10个TGA 转录因子,根据其结构的不同可以分为5类:TGAⅠ、TGAⅡ、TGAⅢ、TGAⅣ、TGAⅤ。其中TGAⅠ包括TGA1(At5g65210)和TGA4(At5g10030),其调控作用类似于烟 草 中 的 TGA1a;TGA Ⅱ 包 括 TGA2(At5g06950)、TGA5(At5g06960) 和 TGA6(At3g12250),相对其它类别而言,其DNA 结构域含有较短的N 端序列,是TGA 转录因子中研究最多的一类;TGA Ⅲ包括TGA3(At1g22070)和TGA7(At1g77920);TGAⅣ主要包括TGA9(At1g08320)和TGA10(At5g06830)[17];TGA Ⅴ 包 括 PAN(At1g68650)。
1.2 植物TGA 转录因子的作用
TGA 转录因子参与调节植物根系的生长、胁迫应答、开花调节等多种生理代谢过程。目前,主要通过拟南芥研究TGA 转录因子的功能,对水稻、烟草中TGA 转录因子的研究较少。
TGAⅠ类转录因子参与植物根系的生长调节。Alvarez等[18]利用免疫共沉淀及生物信息学分析法研究了拟南芥中TGA1和TGA4转录因子,结果表明,TGAⅠ作为关键调节因子参与拟南芥根系中硝酸盐的调节。
TGAⅡ类转录因子参与植物胁迫的应答。Stotz等[19]研究表明,拟南芥TGA2转录因子参与环境胁迫诱导的氧化胁迫途径及ROS的氧化还原调控途径,恢复植物生长发育,避免外界不利条件对植物产生影响。此外,丁香假单胞菌会侵染拟南芥,产生生物胁迫,激活机体内细胞分裂素途径,促使TGA3 转录因子与ARR2互作形成复合物启动pr1基因表达,从而调节拟南芥的生长发育[14]。
2 植物ROS应答途径
氧化胁迫信号转导的关键是植物机体内ROS的氧化还原途径,植物TGA 转录因子因其螺旋-折叠-螺旋的DNA 结构域,通过特异性识别并结合TGACGT序列而参与氧化胁迫[20]。Chen等[21]报道了as-1 顺式元件能结合bZIP 类转录因子PIF1/PIF3与HY5/HYH 互作的复合物,激活ROS 相关基因的表达,调控ROS应答途径。作为ROS应答途径的关键调节蛋白as-1顺式元件与TGAⅠ、TGAⅡ转录因子相互作用,激活ROS 相关基因的表达,调节机体内ROS 水平,使ROS达到氧化还原平衡状态,从而恢复植物的正常生长发育[12]。ROS的氧化还原途径主要有两条:一条是活性电子物质(RES)途径,另一条是茉莉酸(JA)途径,见图2。
图2 植物ROS的调控过程Fig.2 Regulation process of ROS in plant
2.1 TGA转录因子通过介导RES途径调控植物体内ROS水平
植物抗氧化实质是植物机体中光系统控制植物ROS的去氧化过程,且ROS主要通过植物光合作用产生[22]。当植物体内积累过量的ROS,就会打破机体内ROS的氧化还原平衡态,导致ROS 转变成RES,RES在SCL14蛋白的作用下,激活TGAⅡ类转录因子,启动RES相关基因的表达,调控ROS途径中产生的脂质胁迫,达到ROS 的氧化还原平衡态[12,23]。此外,在外源物质诱导产生的植物ROS 信号途径中,SCL14蛋白结合TGAⅡ类转录因子形成复合物TGA/SCL14后,与MYC2 转录因子相互作用,诱导Cyp81D11基因的表达,响应机体内脂质胁迫,达到ROS去氧化的目的[24]。
Rojas等[25]报道了光合作用中光反应会干扰植物光系统中氧化激发态,作为光反应中的关键酶乙二醛酶(GLO)催化乙醇酸产生ATP和H2O2[26-27]。H2O2是ROS的一种形态,当其浓度超过机体适宜浓度时,GLO 会抑制H2O2以达到植物正常生长的浓度。在烟草中,GLO 参与Pro/AurPto防御反应,使NADPH氧化成NADP+,促使TGA 转录因子和NPR1蛋白相互作用并识别TGACGT 特异性序列,激活pr1 基因表达,响应植物ROS途径[28]。在水稻信号转导途径中,谷氧还蛋白(GST)与GLO 互作形成复合物后,与TGA 转录因子相互作用,介导NPR-1的调节,此外,NH1/NH3蛋白通过与TGA 转录因子互作形成复合物后与阻遏调控蛋白NRR 结合,使植物获得氧化胁迫抗性[29]。
2.2 TGA 转录因子通过介导JA 途径调控植物体内ROS水平
植物响应氧化胁迫途径需依赖JA[30],其JA 信号转导途径与外源物质诱导机体内JA 信号转导途径类似[31]。目前,对植物体内JA 信号转导的机制尚不清楚,还需深入研究[32-33]。
在植物ROS途径中,茉莉酸-亮氨酸途径(JA-Ile)与RES途径具有协同作用,都能恢复机体内ROS的氧化还原平衡。脂氧合酶(LOX)能催化植物机体ROS去氧化,在LOX 的催化下,COI1与JAZ蛋白的复合物与MYC转录因子相互作用,激活JA 相关基因的表达,调控ROS 的氧化还原,恢复机体正常生长[34]。有研究表明,TGA 转录因子调控的JA/ET 途径与ROS 的去氧化过程息息相关,EINs 蛋白如EIN2、EIN3 在内质网中磷酸化后进入核内,激活GRX 与TGA2 相互作用,诱导ORA59、ERF1 的表达[13,35-36]。ORA59 会下调JA 的靶基因PDF1.2 和MYC2、MYC3、MYC4的表达[37-38],参与ROS的氧化还原过程。此外,NPR1 蛋白与TGA 转录因子(如TGA2、TGA3、TGA5、TGA6)相互作用,激活JA 相关基因的表达,参与ROS水平调控[39-40]。
2.3 TGA 转录因子通过SA 的参与调控植物体内ROS的水平
SA 作为阻遏因子不仅在植物机体内RES的去氧化途径中起拮抗作用,在JA 途径中亦然。有研究表明,机体内SA 阻遏TGA 转录因子与NPR1蛋白相互作用,弱化ROS去氧化相关基因的表达,抑制植物机体内ROS 氧化还原态的恢复,影响植物的生长发育[17]。
拟南芥中,用SA 处理野生植物和AtTTM 突变株,部分突变株获得SA 抗性,获得抗性的植物在胁迫应答中依赖SA、PAD4、NPR1 激活相关蛋白的合成[41-43]。无SA 诱导时,TGAⅢ类转录因子TGA3参与HopMⅠ的胁迫应答激活pr1基因的表达,参与调控植物ROS水平,减少胁迫对植物伤害[44-47]。
3 展望
植物转录因子调控作用的研究一直是生物学研究的热点。目前,主要从生物胁迫信号转导调控方面来研究植物TGA 转录因子,而对TGA 转录因子介导氧化胁迫调控的研究非常有限。TGA 转录因子中,研究较多的是TGAⅡ类转录因子,对其它TGA 转录因子研究较少。此外,相对其它转录因子而言,植物TGA转录因子的功能研究有限,除了在拟南芥中研究较多,在其它植物中研究甚少。
针对目前植物TGA 转录因子的研究现状,今后主要从以下几方面对TGA 转录因子展开研究:(1)研究TGA 转录因子在氧化胁迫中的复杂的调控网络;(2)从不同植物材料、不同生理途径中研究TGA 转录因子的调控作用;(3)在植物非宿主防御反应方面对TGA 转录因子的调控研究较多,在氧化胁迫应答机制方面研究较少,尤其在ROS应答机制方面的研究还有待进一步加强。
可以预见,随着分子生物学和细胞生物学的发展,对TGA 转录因子在氧化胁迫应答中的作用将会剖析得更加详细。
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