转录因子TCP调控植物生长发育的研究进展

杨丽萍,李一荻,丁晓月,闵 菲

(吉林师范大学 生命科学学院,吉林 四平 136000)

0 引言

植物在生长发育过程中,精密的基因表达调控着细胞及组织的代谢、器官的形成与发育,并应对着复杂且多变的环境条件.在植物的基因表达过程中,主要影响因素包括转录因子与顺式作用元件间的相互作用效率以及microRNAs(miRNAs)对转录因子的靶向调控水平.TCP家族(Teosinte branched 1/Cycloidea/Proliferating cell factor)是植物特有的一类转录因子[1].根据组成的氨基酸序列不同,分为Ⅰ类PCF亚家族和Ⅱ类CINCINNATA(CIN)-like TCP(简称CIN)及CYC/TB1-like TCP两种亚家族[2].

MiRNA通过碱基互补配对原则来结合相应mRNA序列并介导其发生降解,这在生物和非生物应激反应、代谢循环、激素信号调控和生长发育等方面起着重要的作用[3].拟南芥中存在三个miR319的同源基因:miR319a,miR319b和miR319c[4],其最典型的作用靶点就是TCP转录因子,包括TCP2、TCP3、TCP4、TCP10和TCP24[5].上述TCP隶属于Ⅱ类CIN亚家族,在植物叶形态、根的生长、花瓣生长、植物育性以及胁迫应答等方面具有重要调控作用[6-7].

近年来,miRNAs靶向的TCP分子调控下游基因表达的分子机制研究已取得较大进展.转录因子TCP如何调控植物的生长发育和胁迫应答等有关研究也备受关注.本研究综述了受miR319靶向的5种TCP转录因子的生物学功能,并对其调控下游基因表达的分子机制进行总结,以期为植物的生长调节和逆境下优良品种的选育提供参考.

1 转录因子TCP参与调控植物生长发育

1.1 下胚轴伸长与配子体发育

植物幼苗在破土过程中的转变是为了光形态建成,包括子叶颜色的变化等转变.其中,下胚轴向下伸长与转录因子TCP的调控息息相关.拟南芥中转录因子TCP4激活体内有关生长素合成的基因,使植物幼苗的下胚轴能够正常伸长.并且,转录因子TCP4的调控作用还依赖于YUCCA5基因的表达,作为连接因子调控着下胚轴伸长的进度[8].其次,当拟南芥植株中其他Ⅱ类TCP因子过表达时,会促进下胚轴及子叶表皮细胞的分化.

迄今为止,只有少数研究阐述了转录因子TCP在配子体发育过程中所发挥的功能及作用.当拟南芥TCP4基因低水平表达时会影响早期胚胎的发育.虽然TCP4基因的过表达植株不能产生可育的种子,但是花粉成熟等过程未受影响[9].当其与野生型拟南芥杂交后,尽管花粉的成熟程度、花粉管的发育及与柱头的相互作用均正常,却不能产生有繁殖活力的种子.此外,TCP16基因的异常表达也会导致花粉粒形状及数量的改变,从而影响植物的配子体发育.以上研究结果证明了转录因子TCP参与植物的配子体发育,但所靶向的下游基因及调控的具体机制仍需要进一步的研究.

1.2 叶片的形成

植物的光合作用受其主要器官叶片发育的影响,从而调控了植株的生长发育.而叶片大小和形状的形成受叶片细胞的分裂和扩张协调作用的影响.TCP2、TCP3、TCP4、TCP10、TCP24参与调控拟南芥叶边缘细胞的增殖与分化.其发挥作用的途径之一是转录因子TCP能直接激活miR369b,从而调节叶片细胞的增殖[10].研究者通过tcp2、tcp3、tcp4、tcp10的四突变体和野生型拟南芥两者叶片的比较,证明了在叶片发育过程中miR319通过作用于TCP转录因子导致转录因子的部分功能缺失,从而产生波状或锯齿状的叶片[11].在拟南芥幼叶的远端检测基因TCP4的表达情况,当其含量高时会限制叶分生组织的活动,导致子叶、叶片和花器官持续边缘生长[12].而在当检测miR319a过量表达时,5个靶基因AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4、AtTCP10和AtTCP24表达下调,叶片同样出现皱缩卷曲的表型,此时叶表皮细胞数量增多,面积减小.当在上述植株中诱导TCP4的基因表达,细胞能够从过度增殖状态进入分化状态[13].此外,拟南芥转录因子TCP也可以通过IAA和CK途径来调控叶片细胞的增殖与分化[14].

1.3 花形态的建成

拟南芥植株具有正常可育性不仅要求花粉发育成熟,花丝生长到适当长度,花药能够开裂并且释放花粉到柱头上,与此同时也要求上述过程与柱头对花粉具有亲和力的时间达成一致.其中,在花形态建成的过程中,花器官的对称性、花瓣形态的形成等都与转录因子TCP的调控有关.当CIN亚类特定的TCP基因表达水平下降时,拟南芥表现出晚开花的表型,此现象同样发生在tcp4突变体中.同理,当TCP4基因过表达时,拟南芥会表现出提前开花的植株表型,缩短植物的花期.转录因子TCP4会与PFT1蛋白结合从而激活转录因子CO转录,促进拟南芥的开花[15].与上述调控叶片发育的机理类似,在花形态建成的过程中,miR319的调控也起到关键作用.研究表明,与野生型拟南芥相比,miR319a功能缺失的突变体花瓣要更窄,但是AtTCP4基因发生过表达时可回补此表型[16].除此之外,拟南芥的花瓣颜色及分布也受转录因子TCP4调控的影响.有关叶绿素合成的关键基因启动子区域存在转录因子TCP4的结合位点,当转录因子TCP4与其结合会抑制其基因表达,从而抑制绿色花瓣的形成[17].

2 转录因子TCP影响植物育性

2.1 TCP影响植物激素的合成

植物的内源激素包括生长素、GAs、细胞分裂素、油菜素内脂、乙烯、JAs、SA 等,在胚珠的发育过程中起重要作用.CIN亚类的转录因子TCP主要通过参与植物体多种内源激素的合成来调控自身的生长发育.转录因子TCP3对于植物生长素的生物合成具有重要作用.转录因子TCP3能够诱导生长素合成的负调控因子CYP83B1/SUR2的表达[18].在对生长素信号的早期响应中,转录因子TCP3参与调控生长素途径中SAUR基因的表达,从而影响拟南芥体内生长素的合成.由于TCP4基因的表达模式受时间及空间的限制,故其触发或拮抗激素合成的可能性有极大程度的提高,且对于茉莉酸的合成途径具有重要的调控作用.LOX2是茉莉酸前体的关键酶合成基因,TCP4转录因子直接结合到功能基因LOX2的顺式作用元件上,影响植物激素茉莉酸的生物合成,从而调控植物的生长发育过程.另一方面,LOX2基因参与由亚麻酸合成茉莉酸途径的叶绿体酶的合成过程,所产生的LOX2蛋白被定位于叶绿体.也就是说,TCP4基因的过度表达能够促进LOX2基因的表达,使茉莉酸积累,从而加速叶片的衰老.在GA信号通路中,叶片中GAI表达水平的升高受转录因子TCP3的调节[19].

2.2 植物激素调控植物的育性

JAs作为一种信号分子,在雄蕊和胚珠的发育过程中起重要作用.当植物受到外伤刺激时,脂氧合酶LIPOXYGENASE(LOX)被激活,诱导JAs 及其衍生物的合成和积累.当茉莉酸含量过高或过低都不利于植物的生长发育,植物表现为不能产生正常花粉的现象,如:花器官的缺失、畸形,雄性器官雌性化或花药未开裂,小孢子发生异常等.非生物胁迫或生物胁迫会造成拟南芥植物体的内源茉莉酸含量升高,且茉莉酸参与拟南芥花粉的发育过程,所以胁迫会通过茉莉酸的积累含量影响到植物的育性.

拟南芥中有4个编码 13-LOXs 家族的基因,包括LOX2、LOX3、LOX4和LOX6[20].LOX2蛋白作为合成茉莉酸的前体结合的次生代谢产物[21],LOX3与 LOX4蛋白能够参与花药特异性茉莉酸的合成及花序的构成[22].有研究表明,lox3或lox4单突变体的拟南芥具有正常育性,而双突变体的拟南芥出现花丝变短、花药不开裂等不育现象,在施加外源的茉莉酸之后即可恢复育性[23],由此可知出现双突变体不育现象的原因是茉莉酸的合成受阻.综上所述,拟南芥的茉莉酸合成异常或是茉莉酸信号转导途径发生异常都会出现植物体的不育现象.

另外,miR319也能通过调控转录因子TCP4和TCP24的表达来调控植物的育性.例如,拟南芥花药中过表达miR319a基因就会表现出与miR159a基因过表达的同种性状,并且在花药中能检测到miR319a的GUS信号.miR319a通过调节TCP24来负调控花药内层次生细胞壁使其增厚,而当TCP24的miR319a结合位点突变后,花药内层次生细胞壁不能正常加厚,导致花粉粒难以释放,从而发生不育现象.

3 转录因子TCP调控植物胁迫应答

植物在生长发育过程中每时每刻都有可能经历各种胁迫,例如病原菌侵染的生物胁迫,干旱、高盐等非生物胁迫.为应对胁迫维持正常生命活动的进行,转录因子TCP会通过直接调控下游抗逆靶基因的表达或影响内源激素合成来发挥作用.这个过程中植物体的各项激素含量将发生变化,这些激素相互交织成网络,共同调节一系列的生理生化反应,从而产生胁迫应答,保证植物体生命活动的顺利进行.

最初的研究表明,在病原菌侵染拟南芥后所攻击的效应目标有Class Ⅰ类的TCP14、TCP15、TCP19、TCP21和Class Ⅱ类CIN亚家族的TCP13,病原体效应物所靶向的上述TCP蛋白会调节细胞信号网络,从而将免疫应答与植物发育相结合,故这些TCP参与拟南芥的防御进程[24].随着研究的深入,越来越多能够参与植物防御进程的TCP因子被发现.当拟南芥异源过表达SAP11蛋白时,植株的性状与tcp多重突变体或miR319基因过量表达的性状相似,如叶片边缘过度生长、育性下降,抑制转录因子TCP4靶基因LOX2的基因表达,导致植物无法迅速合成足够的茉莉酸来抵御病原体入侵[25].除此之外,TCP4还可以与基因WRKY的启动子直接结合,激活其基因表达来提高植株茎腐病的抗性[26].

另有研究表明,转录因子TCP4与植物激素信号转导途径中的多种蛋白相互作用,表明TCP4也许会在植物抵抗非生物胁迫方面发挥作用[27].另外,miR319s所靶向的TCP4参与高盐、干旱等非生物胁迫应答等过程被证实[28].2015年有研究鉴定出TCP4是通过介导茉莉酸合成在逆境防御中发挥作用的,这为深入了解其参与胁迫应答的分子机制提供了新的思路[29].拟南芥异源表达毛竹(Phyllostachys edulis)中的PeTCP10基因,能够增加相对水含量,减少电解质渗出和Na+积累,维持渗透压的稳定,抵抗干旱环境.与此同时,异源表达PeTCP10基因还能提高转基因拟南芥植物的抗氧化能力,转基因植物对过氧化氢等有害物质的耐受性相较于野生型拟南芥大大增强[30].

4 结论与展望

TCP是植物特有的一类转录因子,参与调控植物生长发育、合成内源激素和逆境中的防御等过程.TCP介导的调控作用在基因表达调控网络中发挥关键作用.近年来,关于TCP的功能及作用途径的研究主要集中于单一因素所产生的影响,例如:某一单独的转录因子的缺失或过表达促进或抑制某些下游基因的表达.但实际上,影响基因表达的各种因素相互交织错综复杂,不仅与转录因子的调控有关,还可能与植物为应对外界不良环境所产生的胁迫应答有关.虽然部分TCP的功能及作用途径已经被揭示,但对于其所调控植物生长发育的分子机制、具体下游基因的分析鉴定及其对环境适应的影响,目前研究仍处于初级阶段.

未来研究重点还应放在TCP转录因子之间的特异性区别,这将有利于阐明植物的生长发育、激素的合成和逆境胁迫应答下的分子机制,并为此提供新的切入点.因此研究TCP转录因子的上游调控基因及其下游靶标基因调控的分子机制至关重要,也将进一步为植物的性状改良和优良品种的选育提供参考依据.