小麦ERF亚族转录因子参与逆境胁迫的研究进展

崔德周 王丽丽 陈祥龙 李永波 黄琛 隋新霞 楚秀生 樊庆琦

关键词：小麦：ERF亚族：转录因子：胁迫响应：研究进展

小麦是世界上最重要的粮食作物之一，是全球三分之一以上人口的主食。中国是世界上最大的小麦生产国和消费国，小麦的高产稳产对保障国家粮食安全至关重要。小麦生长发育周期长，期间干旱、盐碱、低温、高温、重金属、病虫害等生物、非生物胁迫都会不同程度地威胁小麦的高产稳产。近年来，得益于小麦基因组学的飞速发展，小麦响应逆境胁迫的分子调控网络被逐步阐明，转录因子在功能基因表达调控中的关键作用进一步凸显。根据DNA结合域的特性，转录因子可分成若干家族，包括MYB、WRKY、bZIP、NAC、AP2/EREBP等.AP2/EREBP转录因子是植物特有的一类转录因子，广泛参与小麦逆境胁迫应答。ERF转录因子是AP2/EREBP转录因子超家族的一个亚族，最早从烟草中分离得到。本研究综述小麦ERF亚族转录因子在逆境胁迫应答中的作用及可能机制，以期为深入研究小麦ERF亚族的分子功能及其抗逆遗传改良提供参考。

1ERF亚族转录因子的特征

AP2/EREBP是一个庞大的基因家族，因含有60～70个氨基酸组成的AP2/EREBP结构域而得名。在拟南芥中，Sakuma等根据序列相似性和AP2/EREBP结构域的数量，将其分为5个亚族——ERF亚族、DREB亚族、RAV亚族、AP2亚族和其他。AP2亚族含有2个AP2/EREBP结构域，主要在细胞生长发育过程中发挥调控作用：RAV亚族含有1个AP2/EREBP结构域和1个B3结构域，在乙烯、油菜素内酯和胁迫响应过程中发挥重要作用：DREB亚族和ERF亚族均属于EREBP型转录因子，都仅含1个AP2/EREBP结构域，在调控植物细胞发育及对病原菌、干旱、高盐、低温、激素等胁迫的应答反应中发挥作用，但AP2/EREBP结构域的第14位和第19位氨基酸存在差异，DREB亚族分别是缬氨酸和谷氨酸，而ERF亚族则分别是丙氨酸和天冬氨酸。ERF亚族转录因子还可与乙烯诱导顺式作用元件GCC-box结合，抵御植物逆境胁迫

2小麦ERF亚族转录因子鉴定分析

目前正式命名的小麦ERF亚族转录因子基因只有8个，而从全基因组水平分析，符合ERF亚族特征的基因则有上百个之多。Zhuang等在全基因组水平鉴定到47个小麦ERF亚族转录因子成员，根据拟南芥和水稻同源基因分类，将其分为B1、B2、B3、B4和B6五個亚组。随着二代测序技术及小麦基因组学研究的飞速发展，Riaz等鉴定到138个ERF亚族转录因子成员，分为6个亚组，主要定位于细胞核；Magar等鉴定到238个成员，其中，174个基因不含内含子、3个基因含3个内含子，鉴定数量有了质的飞跃。李世姣等利用隐马尔可夫模型文件检索中国春数据库，筛选到229条小麦ERFs，通过分析A/B/D同源关系，将其归为96个ERF亚族成员。此外，Faraji等在硬粒小麦中鉴定到185个ERF亚族成员。

3小麦ERF亚族转录因子参与逆境胁迫的分子机制

3.1非生物胁迫

越来越多的研究表明，大部分小麦ERF亚族成员在对高盐、干旱、低温、重金属等非生物胁迫抗性调控中发挥重要作用（表1）。

位于小麦7A染色体上的TaERF1，通过结合GCC-box和DRE/CRT元件、激活启动子区含GGCC-box的PR蛋白（pathogenesis related pro-tein，病程相关蛋白）、磷酸化TaMAPKI等方式，参与干旱、高盐、低温等代谢途径，过表达TaE-RF1可显著提高转基因拟南芥对干旱、高盐和低温的耐受能力。

TaERF2基因受干旱、高盐、低温和湿害强烈诱导，过表达后可提高转基因拟南芥对干旱、低温等非生物胁迫的抗性。TaERF3通过特异结合GCC-box，正向调控LEA3、GST6等抗逆相关基因表达，过表达TaERF3可增加叶片脯氨酸、叶绿素含量，降低过氧化氢含量，增强小麦对高盐、干旱胁迫的耐受能力：而经病毒诱导基因沉默（VIGS）干扰后的小麦植株则表现为盐和干旱敏感。

TaERF4是一个具有EAR基序的转录抑制因子，过表达TaERF4抑制AtNHX1、AtNHX2等钠离子转运相关基因的表达，通过非ABA依赖的信号通路降低拟南芥耐盐性。TaERF5受高盐、渗透胁迫、乙烯、ABA和茉莉酸甲酯诱导表达，遗传学证据显示，TaERF5-B过表达增强了转基因水稻的耐盐性。叶片TaERF7表达受温度和日照调控，进而影响小麦百农不育系育性。TaE-RF8-2D的表达受高盐胁迫诱导持续上调，其分子机制有待进一步研究。

Zhu等研究发现，TaPIEP1/TaPIE1通过激活乙烯合成基因，增强小麦对冷害胁迫的抗性。TaERFLla受低温、高盐、干旱、ABA等胁迫诱导表达，VIGS干扰该基因降低小麦对干旱胁迫的抗性。Du等研究表明，TaERF87通过与Ta-AKS1互作，协同增强TaP5CS1和TaP5CR1的表达，提高脯氨酸的生物合成，进而增强小麦抗旱性。

此外，在硬粒小麦（Triticum turgidum L．sub-sp. durum）中，TdERF1响应高盐和干旱胁迫，TdSHN1受高盐、干旱、低温、ABA和重金属胁迫强烈诱导表达，过表达TdSHN1可显著提高酵母对非生物胁迫的耐受性。

3.2生物胁迫

小麦生育期遭遇的生物胁迫主要包括病原菌侵染和植食性害虫啃食，而小麦响应生物胁迫的转录因子研究主要集中在前者。研究表明，ERF亚族转录因子可以提高小麦对病原菌的抗性（表2）。TaERF1的表达受白粉病菌侵入的诱导，过表达TaERF1可提高转基因拟南芥对真菌、细菌病害的抗性。病原菌侵染下，TaERF3可激活防御基因表达，其中，在白粉病菌侵染早期主要通过水杨酸途径，而在镰刀菌、纹枯病菌侵染晚期主要通过乙烯／茉莉酸途径。过表达TaPIEP1/TaPIE1可大量激活下游防卫基因的表达，进而提高小麦对纹枯病、根腐病的抗性。Chen等从中间偃麦草中分离了一个新的ERF基因TiERF1，该基因主要通过依赖乙烯的信号转导途径激活病程蛋白相关基因的表达，提高转基因小麦对纹枯病的抗性。

4展望

近年来，极端天气频发，低温、干旱、高盐等非生物胁迫及病原菌侵染等生物胁迫严重制约小麦的安全生产，给粮食安全带来了严峻挑战。作为AP2/EREBP转录因子超家族的一个亚族，ERF类转录因子连接上游信号和下游功能基因，在小麦抵御逆境胁迫中具有关键作用。基因组学分析表明，小麦ERF亚族基因有200余个，但目前只克隆鉴定了部分基因，并且已经投入育种应用的转基因材料也鲜有报道，后续仍需进一步深入挖掘具有重要抗逆功能的ERF亚族基因。此外，目前的研究多集中在转录因子基因的克隆及转录调节功能的鉴定分析上，ERF亚族转录因子自我调节的模式及其同其他转录因子间的相互作用关系尚未完全了解。相信随着基因组学、分子生物学技术的发展，对小麦ERF亚族转录因子的抗逆网络解析会更加深入，从而为小麦抗逆遗传改良提供更坚实的理论依据和更强有力的基因工具。