AT-hook基因及其在植物开花调控中的研究进展

李津璇，郭 敏，王加峰，杨瑰丽

（华南农业大学国家植物航天育种工程技术研究中心，广州510642）

0 引言

植物的营养生长向生殖生长的转变是极为重要的过程，植物营养生长达到一定阶段后，受到环境因素与自身遗传因素的相互作用，例如光周期途径、春化途径、自主途径、赤霉素途径等的调控，叶片产生的成花物质或成花信号被运输到茎尖，刺激并启动顶端分生组织细胞内决定开花的诱导基因表达，从而促进形成花原基，最终完成开花[1-2]。拟南芥(Arabidopsis thaliana)作为双子叶模式植物，其开花调控机制的研究已非常深入，目前已有119个涉及开花诱导的基因被克隆[3-4]。随着越来越多的开花调控基因被克隆，植物的开花调控途径也越来越清晰，但仍有很多细节需要进一步研究。研究表明，AT-hook基因编码产物能够通过改变染色质状态和招募蛋白复合体在表观水平上调控植物开花基因的转录，从而影响植物开花。AT-hook参与水稻的光周期调控的开花过程，并影响成花素基因的表达，但其如何参与水稻开花调控的分子机理尚不清楚，调控途径上很多基因之间的作用方式、作用位点等还不完全清楚，尤其是在水稻等重要农作物中。本文对近年来AT-hook基因的功能及其在拟南芥、水稻(Oryza sativa)等高等植物的生长发育调控，尤其是开花调控中的作用进行简要的综述。

1 AT-hook基因的特点及其功能研究

AT-hook是一种小的DNA结合蛋白基序，具有以甘氨酸-精氨酸-脯氨酸(GRP)三个残基为中心的结构特征，最先在哺乳动物高迁移性非组蛋白类的染色质蛋白HMG-I(Y)中发现。该类DNA结合蛋白基序能形成“C”型结构，与双链DNA小沟中富含AT碱基的序列区特异性结合，以单拷贝或多拷贝形式广泛存在于明显的核定位特征中或DNA结合蛋白中，常与染色质蛋白和DNA结合蛋白中的已知功能域相关联（如组蛋白折叠、同源异型结构域和锌指结构等）[5]。Bishop等[6]研究表明，在18个(62%)拟南芥AHLs的PPC域中所发现的Gly-Arg-Phe-Glu-Ile-Leu残基也在12个(48%)水稻、19个(51%)玉米、12个(46%)高粱的AHLs中存在；在不同植物物种中发现近一半的AHL蛋白中存在这些功能残基，支持了AHLs在进化和分化过程中的保守功能。PPC域在其余AHLs中的分化可以使蛋白质复合物的形成具有灵活性，从而扩大AHLs的生物学作用。

根据AT-hook基序两侧序列的特点、序列的相似性、PPC结构域和AT-hook基序的组合，以及其与DNA结合的亲和力大小，可将AT-hook基序分为3种类型。I型基序在核心序列GRP的C端，存在一些极性氨基酸，尤其是在C端的第二位置极大概率是一个甘氨酸(G)，含该类基序的AT-hook蛋白与DNA的亲和力最高；Ⅱ型基序则是核心基序C端第二个氨基酸常出现赖氨酸(K)，含该类基序的AT-hook蛋白与DNA的亲和力较低；III型AT-hook同时兼具前面两种类型的特点，在C端下游的第4位高度保守的位置为赖氨酸(K)，与DNA的亲和力介于上面两种类型之间，即比Ⅰ型AT-hook基序对DNA的亲和力小而比Ⅱ型的大[5]。Zhao等[7]分析发现，AHL基因在胚芽中出现，并进一步演变成两个不同的分支，Ⅰ型AHLs形成一个分支(Clade-A)，Ⅱ型和Ⅲ型一起分化成另一分支(Clade-B)；AHL基因中属于Ⅰ型的基因数量最多，属于Ⅱ型和Ⅲ型的基因数量较少。通过对玉米AHL基因结构的分析发现，AHL中存在数量不等的内含子和外显子，在前人研究的基础上得出了Ⅰ型AHL是由Ⅱ型和Ⅲ型AHL进化而来的祖先AHL的结论[6]。AT-hook蛋白可与靶基因或启动子中富含AT碱基的区域结合，或影响转录因子与DNA序列的结合，间接参与目标基因转录活性的调控[8-9]；有的甚至直接作为共转录因子，影响染色体构象[10]。

2 AT-hook基因对植物生长发育的调控与影响

AT-hook基因在很多植物中被发现，比如拟南芥，水稻，大豆(Glycine max)，小麦(Triticum aestivum)，番茄(Solanum Lycopersicum)等，在植物的生长发育、器官构建及逆境胁迫与激素信号应答等各方面起着重要的作用。

作为模式植物，拟南芥中AT-hook基因研究较为清楚，目前已发现29个AHL家族蛋白，均定位在细胞核，且每种AHL蛋白具有不同的功能，它们对拟南芥的生长发育调节起着重要作用[11]。Favero等[12]的研究成果证明，AHL通过与PIFs(Phytochrome-Interacting Factors,PIF)对应靶点结合来减少PIFs与这些区域的结合从而抑制促生长基因的转录激活，AHL转录因子通过拮抗植物生长的关键调控因子PIF从而抑制叶柄的伸长。SOB3/AHL29和ESC/AHL27过量表达影响拟南芥的下胚轴发育，抑制下胚轴伸长，导致下胚轴变短[13]。拟南芥AHL4与AHL3通过紧密结合，可自主从形成层转移至木质部，调控根部的木质部和形成层间区域的组织模式[14]。Froese等[15]发现过量表达的AHL11和AHL12，会导致植株生长弱小，表明AT-hook基因可能参与调控植物株型以及活力。AHL18参与调节根尖分生组织中增殖结构域的长度和分裂细胞的数量，从而调节细胞的产生，初生根长和侧根发育均与AHL18转录水平相关。敲除AHL18基因的植株由于主根较短、侧根数量减少，根系数量减少；AHL18过量表达产生大量的根系、更长的主根，以及侧根密度增加。AHL18通过调节根尖分生组织的活性、侧根的萌发和生长来参与根系构型的调控[16]。

AT-hook基因还可以参与激素调控。ORE7/ESC基因编码的AT-hook蛋白，通过与染色体的结合改变染色体结构，间接延缓了脱落酸(Abscisic Acid,ABA)或茉莉酸甲酯(Methyl Jasmonate,MJ)等激素参与的叶片衰老进程，从而延长了叶片的寿命[17]。AGF1通过与赤霉素(Gibberellins,GA)合成关键基因AtGA3ox1顺式作用元件的结合来负反馈调节GA，从而调控GA的动态平衡[18]。TEK/AHL16基因编码的AT-hook蛋白，特异性调控阿拉伯半乳糖蛋白(AGPs)的表达，从而影响拟南芥花粉外壁内层的发育，是控制花粉外壁内层发育的关键基因[19]。有研究发现OsAHL1具有较强的抗旱性和避旱性，其在干旱条件下调节根系发育以增强抗旱性，参与氧化胁迫应答，还调节水稻叶片中叶绿素的含量，显著提高水稻的抗旱性能[20]。

AT-hook基因在其他多种植物中也起着各种调控作用。长春花(Catharanthus roseus)中ORCA3与AT-hook结合蛋白专一性结合，参与茉莉酸(Jasmonic Acid,JA)介导的抗病过程[21]。番茄AT-hook基因主要在根和花中表达较高，在受ABA、水杨酸(Salicylic Acid,SA)、盐、高温和低温诱导表达后，基因表达显著上调或下调，广泛参与番茄逆境胁迫下的防御应答反应[22]。棉花(Gossypium hirsutum)的AT-hook转录因子GhAT1含有2个AT-hook基序，通过结合在FSltp4基因的启动子区域，抑制该基因的表达，从而影响棉纤维的正常生长[23]。在杨树(Populus przewalskii)和拟南芥中发现，ET304编码的AT-hook蛋白参与侧根的生长[24]。大豆中发现的5个AT-hook基因均为非组成型表达，受到外源氮素和根瘤菌处理后诱导或抑制，表明这类基因参与外界环境响应[25]。水稻中通过序列分析共鉴定出45个AT-hook蛋白，在水稻各发育时期的组织器官中都有表达，在幼穗中表达水平最高，很可能广泛参与水稻的生长发育过程[26]。OsARID3能直接与KNOXI基因家族OSH71、生长素合成基因OsYUC1和OsYUC6和细胞分裂素合成基因OsIPT2和OsIPT7的蛋白结合，从而参与顶端分生组织的形成与维持[27]。

3 AT-hook基因在拟南芥、水稻等高等植物开花中的调控作用

AT-hook蛋白影响植物生长发育、逆境响应等各个方面，几乎在植物的各个组织器官中均有表达，但是在花器官组织的表达量最高，暗示其对花器官的形成以及在植物开花中起着重要的调控作用[26,28]。DP1为水稻中报道的第1个AT-hook基因，DP1参与调节水稻的颖片和小穗的发育[29]，该基因缺失后导致内稃发育异常，是水稻成花过程中一个必不可少的发育调控基因[28,30-31]。拟南芥AT-hook基因AtAHL27过量表达，抑制拟南芥FT基因的表达而促进FLC基因表达，致使不论在长日照还是短日照条件下均会延迟拟南芥的开花时间[11,32]。

AT-hook基因通过组蛋白修饰、改变染色体构象，在表观水平参与植物的开花调控。GIK编码的AT-hook蛋白，通过直接与控制花器官发育的MADS家族转录因子AG结合，GIK蛋白具有AT-hook DNA结合基团的基质结合蛋白的作用，可以通过改变H3K9的甲基化修饰状态调控生殖相关基因ETT、CRC、JAG和KNU等的转录和表达，从而调控拟南芥花器官的发育[33]。拟南芥ATPase SPLAYED蛋白含有2个AT-hook基序，主要参与花器官同源异型基因的激活、分生组织功能的维持和开花调控等过程[34]。拟南芥AtAHL22是一种染色质调节蛋白，能够与组蛋白去乙酰化酶(HDACs)和组蛋白甲基化转移酶(Histone Methyltransferases)相互作用来影响FT、AP1(APETALA1,AP1)和LFY(LEAFY,LFY)等基因的MAR区域的组蛋白H3甲基化和乙酰化水平，改变FT染色质结构，从而调控上述开花相关基因的转录和表达[35]。在水稻中，光周期途径是调控水稻开花的关键途径，成花素基因Hd3a和RFT1在该途径中处于核心地位；在短日照条件下，水稻开花主要存在两条促进途径：由Hd1介导、OsGI-Hd1-Hd3a(GIGANTEA,OsGI)组成的起主要作用的保守途径和水稻特有的Ehd1介导的Ehd1-Hd3a/RFT1途径；而在长日照条件下，水稻开花主要存在两条抑制途径和一条促进途径，即OsGI-Hd1-Hd3a抑制途径、Ghd7-Ehd1-RFT1抑制途径和Ehd1-RFT1促进途径[4,36-43]。在以上途径中，表观遗传调控对水稻开花也起着重要的作用[44-49]，如组蛋白的表观修饰就可以直接影响水稻光周期调控相关基因的表达[44,50-51]。AT-hook蛋白可能也参与水稻开花的表观调控之中。笔者鉴定出一个水稻AT-hook基因家族成员OsATH1，该基因敲除突变体无论是在短日照还是长日照条件下，突变体均表现出花期延迟，并且其表达具有一定的昼夜节律性，白天的表达量要高于夜间。同时，OsATH1敲除突变体中成花素基因Hd3a和RFT1的表达水平均受到影响。亚细胞定位和转录激活检测结果表明，OsATH1定位于细胞核且不具备转录激活功能。OsATH1能够影响成花素基因及其相关调控基因的表达，可能与转录激活因子或表观修饰蛋白相结合来调控水稻开花相关基因的表达，参与水稻的开花调控。Yin等[29]的发现可能揭示了禾本科植物花和花序发育的新的分子机制，在水稻中DP1可与TCP转录因子REP1(RETARDED PALEA1,REP1)发生物理相互作用,并且这种相互作用在禾本科植物很保守，它们可能在富含AT的染色质区域形成核大分子复合物，从而发挥其生物学作用。

4 展望

AT-hook基因的编码蛋白具有DNA特异序列的结合功能，不仅参与植物的生长发育及逆境胁迫与激素信号应答，同时在花器官的形成以及植物开花中也起着重要的调控作用。已有研究表明，AT-hook蛋白能够和其他重要转录因子相结合来发挥其调控作用。这也暗示该类基因很可能是通过改变染色质状态或招募蛋白复合体，在表观水平来调节植物开花相关基因的转录，从而影响植物开花。虽然越来越多的研究表明AT-hook基因通过结合其他转录因子在表观水平参与植物的开花调控，但仍有很多细节需要进一步研究，例如AT-hook蛋白在植物开花的表观调控中究竟如何起作用？其表观调控的下游目的基因是什么？最终通过影响开花调控网络中的哪个节点参与开花调控？以上问题，有待进一步深入研究，最终揭示AT-hook在植物开花调控中的分子机制，从而更加丰富植物开花的调控网络，提高我们对水稻开花调控网络的认知，为利用遗传途径调控农作物花期提供理论依据。