bZIP 转录因子提高植物抗逆性研究新进展

郝红燕，桑慧彤，吕山花，樊颖伦，李海云

（聊城大学农学院，山东 聊城 252059）

植物在生长发育过程中经常遭遇干旱、高盐、高温、低温、营养缺乏等非生物胁迫以及病害、虫害、杂草等生物胁迫[1]，造成作物根系活力降低、细胞膜透性增加、叶绿素含量下降、光合作用变弱、抗氧化酶活性下降等，使得作物生长受到抑制，最终导致产量和品质下降[2⁃4]。为应对这些逆境胁迫，植物在分子、细胞、生理和生化水平上进化出了不同的调节机制，其中利用转录因子调控逆境相关基因的表达，从而抵御胁迫伤害是一种最重要的防御机制[5⁃6]。研究者已在植物中发现64 种转录因子[7]，其中，很多转录因子家族参与植物逆境胁迫响应，调控植物的抗逆性，例如：MYB（v⁃myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）[8]、bZIP（Basic leucine zippers）[9]、bHLH（Basic helix⁃loop⁃helix protein）[10]、NAC（No apical meristem，ATAF1/2 and cup⁃shaped cotyledon）[11]、WRKY[12]等。其中，bZIP 转录因子是高等植物中数量庞大，并且十分保守的基因家族之一。在不同植物中，bZIP 转录因子成员数量有所差异，其中，拟南芥（Arabidopsis thaliana）中发现了78 个成员[13]，在玉米（Zea maysL.）[14]、小麦（Triticum aestivumL.）[15]、大豆（Glycine maxL.）[16]、陆地棉（Gossypium hirsutumL.）[17]中分别发现了125、187、160、151 个成员。研究发现，bZIP 转录因子参与多种生物学过程，如调控植物生长发育，包括种子的萌发[18]，植物根、茎等各个器官的生长和发育[19⁃22]，植物衰老[21⁃22]，光信号传导[23]；参与植物对生物[24⁃26]和非生物胁迫[27⁃28]的响应等。超表达[29⁃30]或者沉默其表达[31]可以提高植物对非生物和生物胁迫的抗性。对bZIP转录因子的结构、分类及其提高植物对非生物胁迫（干旱、高温、低温、高盐、营养缺乏等）和生物胁迫抗性等方面的最新研究进展进行了较全面地综述，以期为bZIP转录因子的应用及植物抗逆遗传改良提供参考。

1 bZIP转录因子的结构及分类

1.1 bZIP转录因子的结构

bZIP 转录因子的保守结构域由60～80 个氨基酸残基组成，包含碱性氨基酸区和亮氨酸拉链区，这2 个区域在结构和功能上是不同的[32]。碱性氨基酸区域的序列高度保守，由大约16个氨基酸残基组成，基序不变，为N-X7-R/K-X9，负责识别启动子上的特定序列并与之结合[33]。亮氨酸拉链区域是由1个或多个含有7 个氨基酸残基的重复区组成，其中，每个重复区的第7位是亮氨酸，其余的氨基酸包括异亮氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸等，该区域可介导bZIP蛋白的同源或异源二聚体的形成，具有转录激活或抑制功能[5，34]。

1.2 bZIP转录因子的分类

JAKOBY 等[9]根据bZIP 碱性氨基酸区的序列相似性，将拟南芥75 个bZIP 基因分为10 个亚家族（A—I 和S）[9]。DRÖGE-LASER 等[13]在此基础上添加了bZIP76—bZIP79，并排除了1 个假基因（bZIP73），根据bZIP 和其他保守序列的相似性进行分组，增加了3 个亚家族，即M、K 和J。后来，参照拟南芥bZIP 基因家族的分类标准，将大豆的160 个bZIP基因分为12个亚家族（A—K 和S）[16]，陆地棉的151 个bZIP 基因分为12 个亚家族（A—I、K、N 和S）[17]，甘薯（Ipomoea batatasL.）的87 个bZIP 基因分为12 个亚家族（A—K 和S）[35]，高粱（Sorghum bicolorL.）的92 个bZIP 基因分为10 个亚家族（A—I 和S）[36]，核桃（Juglans regiaL.）的88 个bZIP 基因分为13 个亚家族（A—K、M 和S）[37]，油菜（Brassica napusL.）的247 个bZIP 基因分为10 个亚家族（A—I 和S）[38]，马铃薯（Solanum tuberosumL.）的56 个bZIP 基因分为10 个亚家族（A—J）[39]，番茄（Solanum lycopersicumL.）的76 个bZIP 基因分成16 个亚家族（A—O 和S）[40]，杨树（Populus trichocarpaL.）的86 个bZIP基因分为12个亚家族（A—J、M和S）[41]等。

2 bZIP转录因子提高植物抗非生物胁迫研究新进展

植物在生长发育过程中会遇到各种非生物胁迫，包括干旱、高盐、高温、低温、营养缺失等，这些不利的环境条件会严重影响植物的生长发育。在长期进化过程中，植物形成了一套响应和防御逆境胁迫的机制。研究发现，超表达[26，42⁃43]或者沉默[44⁃45]bZIP 基因可以提高植物对上述非生物胁迫的抗性。

2.1 干旱胁迫

干旱胁迫是降低作物产量的主要因素之一。过表达葡萄（Vitis labruscaL.）VlbZIP36基因使拟南芥在种子萌发、幼苗和成熟阶段表现出脱水耐受性，这主要是因为超表达VlbZIP36基因减少了拟南芥植株的细胞死亡量，降低了电解质渗漏率，提高了抗氧化酶活性和调控了脱落酸（Abscisic acid，ABA）相关基因的表达量，说明VlbZIP36 通过提高植株抗氧化能力和调控ABA 相关基因的表达量来增强拟南芥的抗旱性[46]。干旱胁迫下，过表达OsbZIP42基因使水稻（Oryza sativaL.）中对ABA 敏感的LEA3（Late embryogenesis abundant group 3）和Rab16（Ras⁃like in rat brain 16）基因表达量提高，进而增强了水稻对干旱胁迫的耐受性[47]。与野生型相比，过表达小麦TabZIP174基因使拟南芥植株在干旱胁迫下的失水率降低，叶片脯氨酸、可溶性糖和叶绿素含量升高，且干旱胁迫响应基因的表达量提高[48]。在干旱胁迫下，沉默SlbZIP1基因导致番茄植株中ABA 生物合成和信号转导相关基因的表达量降低，表明SlbZIP1正调控植物的抗旱性[49]。过表达CsbZIP50基因使黄瓜（Cucumis sativusL.）植株耐旱性增强，主要表现在抗氧化酶活性升高，活性氧（Reactive oxygen species，ROS）和 丙 二 醛（Malondialdehyde，MDA）含量下降，对外源ABA 的敏感性增强，应激相关基因的表达量提高，说明CsbZIP50 通过提高植株抗氧化能力和调控ABA 相关基因的表达量来增强黄瓜对干旱胁迫的耐受性[50]。苹果（Malus domestica）C/S1 bZIP 网络（包括MdbZIP2、MdbZIP39 和MdbZIP80）直接抑制了MdIPT5b（Isopentenyl transferase 5b）基因的表达，进而使转基因苹果愈伤组织和番茄幼苗的耐旱性提高[51]。上述研究结果不仅表明bZIP 转录因子在植物抗旱响应过程中具有重要作用，也为通过基因工程技术利用bZIP 转录因子提高作物的抗旱能力提供了参考。

2.2 盐胁迫

土壤高盐胁迫被认为是一种主要的环境胁迫，其限制植物生长，降低作物产量[52⁃53]。因此，提高植物的耐盐性迫在眉睫。过表达蓝莓（Vacciniumspp.）VabZIP12基因提高了拟南芥植株中抗氧化酶活性和氧化应激相关基因的表达量，进而提高了拟南芥植株的耐盐性[54]。过表达大豆GmbZIP2基因拟南芥植株在盐胁迫下的存活率显著高于野生型，转基因拟南芥叶片的MDA含量和相对电导率降低，进而增强了转基因植株的耐盐性[55]。在盐胁迫下，过表达辣椒（Capsicum annuumL.）CabZIP25基因使拟南芥发芽率、鲜质量、叶绿素含量和根长均高于野生型，沉默CabZIP25基因使辣椒在盐胁迫下叶绿素含量低于野生型，可知CabZIP25 正调控植物的耐盐性[56]。过表达甘薯IbbZIP1基因提高了盐胁迫下拟南芥植株中ABA、脯氨酸合成和ROS 清除系统相关基因的表达量，进而提高了拟南芥植株的耐盐性[57]。在盐胁迫下，过表达苦荞（Fagopyrum tataricumL.）FtbZIP5基因提高了拟南芥植株中ABA 响应基因（RD29A、RD29B、RAB18、RD26、RD20和COR15）的表达水平，进而提高了拟南芥植株的耐盐性[58]。过表达TabZIP15基因使小麦植株在300 mmol/L NaCl处理20 d 后萎蔫程度明显低于野生型；通过双分子荧光互补试验发现，TabZIP15与烯醇化酶TaENO-b相互作用，参与糖酵解和糖异生途径的调控，从而提高小麦的耐盐性[59]。同样，过表达马铃薯StbZIP65基因使拟南芥的耐盐性也有所提高[60]。

2.3 高温胁迫

高温抑制作物的生长，并在世界范围内造成巨大的产量损失。过表达小麦TabZIP60s基因提高了拟南芥植株中内质网应激相关基因的表达量，进而提高了植株的耐热性[61]。同样地，过表达bZIP60基因也使玉米[62]和番茄[63]的耐热性提高。过表达小麦TabZIP28基因提高高温胁迫下拟南芥植株的成活率和种子发芽率，提高了拟南芥的耐热性[64]。小麦中bZIP 成员TaOBF1-5B（Ocs⁃element binding factor 1⁃5B）与细胞核中的TaHSP90（Heat shock protein 90）以及核仁和内质网中的TaSTI（Stress⁃induced protein）相互作用，提高了应激反应基因的表达量，从而提高了植物的耐热性[65]。

2.4 低温胁迫

低温胁迫会破坏细胞膜，增加体内ROS 含量，从而影响植物的生长和生理状态。过表达小麦TaABI5（TabZIP96）基因提高了拟南芥中冷响应基因的表达量，进而提高了拟南芥的抗冻性[66]。小麦TabZIP6 通过与CBFs（C⁃repeat binding factors）的启动子结合，降低下游COR（Cold⁃regulated）基因的表达，增强对低温的敏感性，是冷胁迫反应的负调控因子[67]。玉米ZmbZIP68 也是冷胁迫反应的负调控因子，bZIP68 与MPK8（Mitogen⁃activated protein kinase 8）相互作用，不仅提高了bZIP68 蛋白在4 ℃下的稳定性，而且提高其与DREB1（Dehydration⁃responsive element⁃binding protein 1）基因启动子的结合能力，抑制了冷诱导的DREB1基因的表达[68]。在低温条件下，过表达茶树（Camellia sinensisL.）CsbZIP18基因减弱了拟南芥植株对ABA 的敏感性，提高了相对电解质渗漏率，降低光系统Ⅱ的最大量子效率（Fv/Fm），抑制与ABA 稳态、信号转导和非生物胁迫相关基因RD22（Responsive to dehydration protein 22）、RD26（Responsive to dehydration protein 26）和RAB18（Ras⁃like in rat brain 18）的表达量，说明CsbZIP18 是依赖于ABA 途径的耐冷性负调控因子[69]。在苹果中，MdHY5（Elongated hypocotyl 5）通过与MdCBF1启动子的G-Box 序列结合，正向调控MdCBF1的转录；同时，MdHY5 还调控CBF 冷调控基因的表达量，推断MdHY5 通过依赖CBF 和不依赖CBF 途径正向调节植物耐冷性[70]。在菊花[Dendranthema gradifolium（Ramat）Kitam] 中 ，DgbZIP3 与DgbZIP2 相互作用，调控DgPOD（Peroxidase）的表达，提高抗氧化酶活性，调节ROS平衡，从而提高菊花对低温胁迫的耐受性[71]。

2.5 营养胁迫

植物在生长发育过程中需要各种营养元素，包括大量元素和微量元素。已报道的与营养元素胁迫相关的bZIP 转录因子较少，主要集中于磷（Phosphorus，P）、氮（Nitrogen，N）、铁（Ferrum，Fe）和锌（Zinc，Zn）方面。研究发现，bZIP44基因参与植物缺铁胁迫应答，可直接调节NAS2（Nicotianamine synthase 2）和MYB10基因的表达量，进而提高植物在缺铁胁迫下的耐受能力[72]。在缺铁条件下，过表达bZIP44基因使拟南芥植株叶片叶绿素含量显著高于野生型，可见bZIP44正调控植物对缺铁的耐受性[72]。在缺锌条件下，过表达AtbZIP19提高了拟南芥植株中参与根系吸收锌的ZIP9等基因的表达量，AtbZIP19缺失突变体对锌胁迫的敏感性明显高于野生型，表明AtbZIP19 正向调控植物对缺锌的耐受性[73]。同样在拟南芥中，AtbZIP19 的同源蛋白AtbZIP23 也正向调控植物对缺锌的耐受性[74]。与AtbZIP19 和AtbZIP23 相似度最高的水稻OsbZIP48也是缺锌响应的关键转录因子[75]。超表达拟南芥AtTGA4基因提高了小麦低磷胁迫条件下茎秆磷含量、茎叶籽粒总磷含量，说明超表达AtTGA4基因可以改善转基因小麦对磷的吸收和运输，增强转基因小麦对低磷胁迫的耐受性，提高低磷胁迫条件下的小麦产量[76]。

3 bZIP转录因子提高植物抗生物胁迫研究新进展

bZIP 转录因子不仅在植物响应非生物胁迫中发挥重要作用，还参与调控植物的生物胁迫。过表达葡萄VvbZIP60基因提高了拟南芥植株中水杨酸（Salicylic acid，SA）的积累量，上调SA 信号通路中病程相关基因PR1（Pathogenesis related 1）的表达量，增强了对白粉病的抗性[77]。通过对盾壳霉（Coniothyrium minitans）中的bZIP 基因家族进行分析，发现CmbZIP基因在非生物胁迫反应、分生孢子形成和应对真菌寄生中起重要作用，进而增强对病原菌的抗性[78]。小麦TabZIP1通过乙烯/茉莉酸甲酯依赖性信号转导途径增强对条锈病病原体（Puccinia striiformisf.sp.tritici）感染的应激耐受性和防御反应[79]。大豆GmbZIP15 通过调节抗氧化防御系统和植物激素信号传导增加了对核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）和疫霉菌（Phytophthora sojae）的抗性[80]。过表达西洋参（Panax quinquefoliusL.）PqbZIP1基因提高了番茄和本氏烟草中茉莉酸（Jasmonic acid，JA）、水杨酸和脱落酸含量，进而抑制了丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）和镰刀菌（Fusariumspp.）的生长，在接种镰刀菌后，PqbZIP1基因的表达量持续增加，表明PqbZIP1 可能介导多种激素信号通路来调节西洋参对根腐病的抗性[81]。过表达辣椒CabZIP1基因增强了拟南芥对丁香假单胞菌的抗性[82]。灰翅夜蛾（Spodoptera littoralis）和草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）的幼虫侵害拟南芥和玉米，导致植株受伤害，过表达向日葵（Helianthus annuus）HD-Zip 转录因子基因HAHB4（Homeobox 4）使拟南芥和玉米植株上的幼虫数量减少，且幼虫的体质量也有所降低，表明过表达HAHB4基因增强了转基因拟南芥和玉米的抗虫能力[83]。过表达拟南芥ATHB13基因使拟南芥植株对病原菌如白粉菌（Oidium neolycopersici）、霜霉菌（Hyaloperonospora arabidopsidis）和昆虫如桃蚜（Myzus persicae）的抗性增强，但其保留了对丁香假单胞菌的易感性，说明ATHB13基因在植物响应生物胁迫应答中可能具有双重作用[84]。

4 展望

bZIP 转录因子是植物中最大的转录因子家族之一，在植物抵御干旱、高盐、低温、高温等非生物胁迫以及病虫害等生物胁迫中具有十分重要的调控作用。目前，已成功利用基因工程技术在多种植物中通过过表达bZIP基因提高了植物抗性，为植物抗逆性改良奠定了坚实的基础。但是，该领域仍存在一些亟待解决的问题。首先，许多学者通过生物信息学手段对多种植物bZIP 家族进行系统分析并对其家族成员中基因结构域、顺式作用元件、染色体分布等进行分析，预测每个成员的生物学功能，但具体功能验证较少。因此，之后可以加强对bZIP基因的功能验证，以便找到提高植物抗逆性的优良基因。其次，目前对bZIP转录因子结构和功能的研究已经取得了一些进展，但具体调控网络不是十分明确，内在联系也需要进一步深入探索，特别是在与其他转录因子（bHLH、WRKY、NAC 和MYB 等）相互作用以共同响应植物胁迫时，是一个转录因子起主要作用还是几个转录因子协同工作。此外，目前对部分bZIP基因功能研究较明确，但对于信号通路之间的调控机制并不十分清楚，例如上游调控信号是什么，如何调控下游基因的表达，互作蛋白如何形成调控网络等问题均有待解决。因此，可以通过基因组学和转录组学手段对其进行深入研究，以期对bZIP 的逆境调控机制进行更细致全面地阐释。除此之外，对bZIP转录因子的研究主要集中在模式植物上，对其他植物的研究较少，特别是濒危植物。因此，需要对bZIP转录因子的调控网络和内在机制进行深入研究，利用基因工程技术增强植物抗逆能力，培育更多抗性新品种，并将其应用于濒危植物中，以应对当前复杂多变的环境。综上所述，研究bZIP转录因子具有重要的理论和现实意义。