MYB类转录因子调控植物耐逆机制的研究进展

杨晶婷，余 艳，高晓蓉，皮二旭

(杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江 杭州 311121)

植物在其生长过程中受到的生物或非生物胁迫会严重限制其品质和产量.因此，植物逐渐进化出一系列的调控机制以应对上述逆境，这些应答反应往往通过调控相关基因的表达而产生.MYB转录因子作为植物中数量最多的转录因子家族之一，在植物逆境胁迫应答中发挥着重要的作用.高盐、干旱、极端温度、营养缺乏、生物胁迫等逆境均可诱导MYB蛋白与其下游相关靶基因启动子区的顺式元件特异性结合，激活或抑制靶基因的转录表达，从而调控植物的抗逆性.

1 MYB类转录因子的分布

MYB类转录因子是真核生物中分布最广泛的转录因子家族之一.ZmMYBC1是首个在植物中被鉴定的MYB类转录因子，其被证实与玉米花青素的生物合成密切相关[1].近年来，大量的MYB家族成员在植物中被发现，其中在香蕉、刺梨、大枣、毛竹、苜蓿中分别存在305、163、171、85、265个MYB转录因子[2-6].

2 MYB类转录因子的结构特征以及分类

MYB转录因子因其N端高度保守的MYB结构域而著称[7].该结构域一般由1～4段串联且不完全重复的子结构(R1、R2、R3和R4) 组成螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix, HTH)结构[8].不同的子结构发挥着各自的功能，R1仅与部分DNA大沟区域结合，识别序列的能力有限，R2是转录因子与DNA大沟结合的基础，R3则具有识别靶基因的功能，而R4的功能尚不明确[9-10].MYB结构域一般由50～53个氨基酸组成，包含由规则分布的三重色氨酸残基组成的3个α-螺旋，其中第2、3个螺旋形成一个HTH结构[7].在大部分MYB转录因子的C端，包含有一段富含酸性氨基酸的转录调控结构域，通常折叠成两亲性α-螺旋，调控相关靶基因的表达.

MYB转录因子家族根据其N端子结构的数量不同分为4类：仅含1个重复子结构的1R-MYB/MYB-related，含有2个重复子结构的R2R3-MYB，含有3个重复子结构的3R-MYB/R1R2R3-MYB，以及含有4个重复子结构的4R-MYB[7].其中1R-MYB是一类端粒结合蛋白，主要调控染色体结构的稳定性与细胞形态的建成[11].R2R3-MYB蛋白是植物中分布最广泛的一类MYB转录因子，在植物生长发育的各个过程发挥重要的作用，例如调控次生代谢物质的生物合成、参与各种逆境胁迫响应、响应植物的激素应答等[12].3R-MYB蛋白广泛分布于动物以及真菌细胞中，在植物细胞中的含量相对较少，主要参与细胞周期和细胞分化，同时也参与部分逆境胁迫响应[13].4R-MYB目前仅在拟南芥、杨树、葡萄中有少量的发现，但其功能尚不明确[14].

3 MYB对靶基因的转录调控机制

能够被MYB类转录因子识别的顺式作用元件称为MBS (MYB-binding sites)，一般富含腺嘌呤和胞嘧啶残基，如[(T/C)AAC(G/T)G(A/C/T)(A/C/T)]、[(C/T)NGTT(A/G)]、ACC(A/T)A(A/C)(T/C)、ACC(A/T)(A/C/T)(A/C/T)[8,15].

[(T/C)AAC(G/T)G(A/C/T)(A/C/T)] 序列在各种胁迫响应基因的启动子中广泛存在.Shukla等[16]发现SbMYB44可与许多胁迫应答基因启动子上的TAACTG基序结合激活相关基因的表达.Zhang等[17]研究发现，水稻胁迫响应基因OsIMP的启动子区域有MYB结合位点TAACTG.Yang等[18]研究发现，水稻OsMYB5P通过识别并结合下游靶基因OsPT5启动子上的CAACTG基序，可以调控基因的转录表达.Liu等[19]在桑树中发现MYB3R1蛋白可通过与多酚氧化酶1基因 (MnPPO1) 启动子区域的CAACGG序列结合，促进MnPPO1的表达.

研究表明，MYB转录因子还可以与 [(C/T)NGTT(A/G)] 序列结合，参与调控某些次生代谢物质的生物合成.Zhou等[20]发现苦荞麦FtMYB11可直接与其靶基因启动子区域的AATAGTT序列结合，抑制苯丙烷类物质的生物合成.Wei等[21]研究菊苣发现，CiMYB5和CiMYB3通过识别1-FEH启动子中的 [(C/T)NGTT(A/G)] 序列，正调控果聚糖降解.在葡萄中，VqMYB35可以与VqERF114互作，结合下游靶基因VqSTSs启动子上的核心序列CAGTTA，调控二苯乙烯的生物合成[22].柑橘CiMYB42可以与CiOSC启动子中的TTGTTG序列结合，促进CiOSC的表达，正向调控类柠檬素的生物合成[23].

顺式作用元件ACC(A/T)A(A/C)(T/C)与ACC(A/T)(A/C/T)(A/C/T)被称为AC-box，其中ACC是核心识别基序[24].AC-box被发现与苯丙烷代谢途径密切相关.研究表明，PtMYB4和EgMYB2均可与AC-box结合来调控木质素的生物合成[15].Guo 等[25]发现BplMYB46蛋白可以直接与下游靶基因启动子的ACCACCT基序结合，促进木质素沉积和次级细胞壁的生物合成.Jian等[26]研究发现SlMYB75能结合于靶基因启动子的ACCTACCC基序，有效诱导花青素在番茄各组织中的积累.

除此之外，一部分植物的MYB转录因子还可以与E-box (CANNTG)、I-box (GATAAG)等顺式作用元件结合.例如，番茄LeMYBI可与I-box结合[27]，橡胶树HbMYB17和HbMYB77能与GCC-box (GCCGCC) 结合[28]，白桦BplMYB46能与E-box (CANNTG)、TC-box [T(G/A)TCG(C/G)]和GT-box [A(G/T)T(A/C)GT(T/G)C]结合[29].

除了通过直接结合顺式作用元件调控基因表达外，部分MYB转录因子还可以利用其R3子结构内的一个[D/E]Lx2[R/K]x3Lx6Lx3R基序与bHLH转录因子互作，共同调控下游靶基因的表达[30].另外，MYB、bHLH、WD40这3种转录因子还可以结合形成三元复合物MYB-bHLH-WD40 (MBW)，参与调控花青素的生物合成[31].

4 MYB参与植物耐逆境胁迫响应

前人研究发现，MYB转录因子在植物的多种逆境胁迫响应中扮演着重要的角色.

1)参与盐胁迫应答.MYB转录因子主要通过参与植物的ABA信号通路、调控活性氧(ROS)平衡和提高渗透胁迫抗性来响应植物的耐盐胁迫.Fang等[32]研究发现，AtDIV2通过激活ABA信号通路从而负调控拟南芥盐胁迫响应.最近在蓖麻中发现的MYB转录因子——RSM1也被认为其参与ABA信号介导的盐胁迫响应[33].Zhang等[34]发现盐胁迫下，拟南芥AtMYB49可以激活下游过氧化物酶基因的表达来提高植株的耐盐能力.Zhang等[35]研究发现，SlMYB102基因的过量表达有助于积累大量的活性氧清除酶，减缓ROS的生成速率，从而提高番茄对盐胁迫的耐受性.Zhao等[36]研究发现棉花GhMYB73通过激活下游AtNHX1、AtSOS3和AtP5CS1等渗透胁迫应答基因的表达来响应盐胁迫.

2)参与低温胁迫应答.Wang等[37]研究发现在烟草中异源表达MdSIMYB1可以激活其下游冷胁迫应答基因NtDREB1A、NtERD10B和NtERD10C的表达，增强植株对冷害的耐受能力.Lv等[38]发现OsMYB30转录因子在低温应激反应中负调控下游低温响应基因的表达.Xie等[39]发现苹果MdMYB88和MdMYB124能正向调控抗冻和冷应答基因的表达.Wang等[40]还发现MdMYB108L可通过上调MdCBF3基因的表达增强苹果的耐寒性.Li等[41]在研究玉米时发现，ZmMYB31通过正向调控CBF基因的表达，增强玉米对低温的抗性. Meng等[42]研究发现过表达玉米ZmMYB-IF35基因可以增强转基因拟南芥对低温和氧化胁迫的抗性.

3)参与干旱胁迫应答.Lee等[43]发现，MYB94和MYB96可以促进植物表皮蜡的生物合成，提高植物对干旱的耐受性.FtMYB9作为一种转录激活子，可激活不同的应激响应信号通路以提高苦荞麦对干旱和盐胁迫的耐受性[44].Huang等[45]还发现苦荞麦中的FtMYB13可以响应植物ABA和干旱胁迫反应.Alexander等[46]发现在干旱胁迫的强烈诱导下，过表达HvMYB1的大麦植株表现出明显的抗旱性.在干旱胁迫下，异源表达玉米ZmMYB3R基因的拟南芥植株存活率明显提高，对ABA的敏感性增强，气孔孔径调节能力增强，过氧化氢酶 (CAT)、过氧化物酶 (POD) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性都有所提高[47].杨树PtrMYB94被发现其依赖ABA信号通路参与干旱胁迫响应[48].

4)参与生物胁迫应答.异源表达PacMYBA的转基因拟南芥植株不仅耐盐性增强，对假单胞菌的抗性也有所增强[49].Noman等[50]在辣椒中发现的一种MYB转录因子——CaPHL8，通过直接或间接激活下游相关基因的表达，从而激活对雷氏单胞菌(RSI)的防御.R2R3-MYB类蛋白SlTHM1和SlMYB52依赖生长素信号通路负调控毛状体的形成，从而提升番茄对蜘蛛螨的敏感性[51].

5)参与营养缺乏胁迫应答.将MdMYB58在拟南芥中异源表达，可以促进铁离子在植株根部的积累[52].Du等[53]研究发现，转录因子MYB59通过调节拟南芥硝酸盐转运蛋白1.5 (NRT1.5)/硝酸盐转运蛋白/肽转运蛋白家族7.3 (NPF7.3)的转录来响应低钾压力.Fasani等[54]进一步研究发现，MYB59在缺钙时被诱导，负调控钙稳态和信号，从而影响植物生长和应激反应.

可见，MYB转录因子在植物的逆境过程中起着十分重要的作用，在植物抗逆机理研究中具有重要的研究价值.

5 MYB调控类黄酮的合成参与植物耐逆境响应

类黄酮在植物生长发育过程中扮演着重要的角色.它具有改变植物的花色[55]、影响果实发育成熟[56]、调控种子休眠[57]等作用.另外，在提高植物耐逆境胁迫能力方面，类黄酮也发挥着重要的作用.近期发现在UV-B辐射[58]、机械损伤[59]、芽孢杆菌QV15以及炭疽病菌侵染[60]等逆境胁迫作用下，类黄酮的水平会有较大的波动.研究发现类黄酮提升植物耐逆能力的关键在于其具有较强的抗氧化能力.金鱼草Delila基因在烟草中的过度表达，提高了花青素生物合成相关基因和抗氧化胁迫相关基因的转录表达水平，从而增强植物对胁迫的耐受性[61].Yildiztugay等[62]研究发现，黄酮类化合物柚皮素可以通过调节光系统Ⅱ(PSⅡ)的光化学效率和叶绿体的抗氧化代谢，提高菜豆对短期渗透压胁迫和高盐胁迫的抵御能力.

MYB转录因子家族可以通过调节类黄酮合成途径中关键酶基因的表达实现对类黄酮的代谢调控，最终提高植株耐逆境胁迫能力.苹果的两个R2R3-MYB转录因子MdMYB88和MdMYB124，通过促进花青素的积累和H2O2的清除，正向调控冷胁迫下苹果的耐寒性和冷应答基因的表达[39].Pi等[63]研究发现，盐胁迫诱导GmMYB173蛋白的磷酸化，使其与GmCHS5启动子的亲和力增加，促进GmCHS5的转录表达，此过程可能通过促进二羟基B环类黄酮的积累，提高大豆的耐盐性.Chen等[64]研究盐胁迫发现，在烟草中NtMYB4作为盐胁迫响应抑制因子负调控NtCHS1的表达，导致盐胁迫下烟叶中类黄酮积累减少，ROS清除能力减弱.

MYB转录因子还可以与bHLH转录因子相互作用，形成MYB-bHLH蛋白复合物，在调控植物类黄酮的合成代谢与耐逆胁迫方面发挥着重要的作用[65].机械损伤和茉莉酸甲酯(MeJA)处理可明显诱导PdMYB118的表达，并且bHLH转录因子PdTT8可直接与PdMYB118互作，显著增强PdMYB118对花青素生物合成基因(ABGs)的激活[66].An等[65]发现，MdMYB308L通过与MdbHLH33相互作用，对苹果的耐寒性和花青素积累起到正向调控作用.

许多与耐逆胁迫相关的类黄酮在其生物合成的晚期通常由一个三元复合物MYB-bHLH-WD40 (MBW)调控[31].水杨酸类似物苯并噻唑预处理可以激活MBW复合物的表达，增加黄烷-3-醇的积累，进而减少叶锈真菌的增殖[67].Hoseinzadeh等[68]推测MBW复合物通过调控花青素生物合成基因的表达，增强大豆对红蜘蛛取食的耐受性.

6 展望

由于MYB转录因子在植物忍受各种胁迫方面的重要作用，学者们对其进行了较为全面的研究，掌握了其结构、分类和靶基因的调控机制.然而，至少有一个有趣的问题值得进一步研究：MYB转录因子是否通过调控黄酮类化合物的合成来调控植物的抗逆性.

迄今为止，大量的文献表明MYB转录因子参与植物对各种非生物胁迫，如低温、干旱和高盐的耐受性调控.同时，大量研究也已证实MYB转录因子在类黄酮化合物的合成中发挥重要作用.MYB转录因子尤其是R2R3-MYB转录因子亚家族，可单独调控相关下游基因的表达，也可以与bHLH蛋白或bHLH-WD40复合体形成二元或三元复合物调控类黄酮的生物合成，从而参与到植物抗逆境胁迫响应中.这一发现将为后续探究植物耐逆境胁迫的研究提供新的思路.