水稻耐鹽相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

田蕾 王娜 張銀霞等

摘要轉(zhuǎn)錄調(diào)控是真核生物基因表達(dá)調(diào)控的重要機(jī)制。轉(zhuǎn)錄因子在植物逆境信號(hào)傳遞和調(diào)控功能基因表達(dá)的過程中起著中心調(diào)節(jié)作用。主要概述了水稻耐鹽相關(guān)的4類轉(zhuǎn)錄因子（WRKY轉(zhuǎn)錄因子、NAC轉(zhuǎn)錄因子、bZIP轉(zhuǎn)錄因子和DREB轉(zhuǎn)錄因子）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和部分已克隆的各類轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)特性，重點(diǎn)討論了它們?cè)谒究果}脅迫中的功能，展望了轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆基因工程改良中的應(yīng)用前景，為利用基因工程創(chuàng)制作物抗逆新品種提供參考信息。

關(guān)鍵詞水稻；耐鹽性；轉(zhuǎn)錄因子；表達(dá)調(diào)控

中圖分類號(hào)S332.6；S511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）23-07716-02

基金項(xiàng)目寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目（NZ12120）。

作者簡(jiǎn)介田蕾（1983- ），男，河北保定人，講師，博士，從事水稻抗逆分子育種研究。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事水稻遺傳育種研究。

收稿日期20140707土壤鹽漬化是危害水稻生產(chǎn)的重要非生物脅迫之一[1-2]。鹽堿土在世界范圍內(nèi)廣泛分布，總面積約為10億hm2[3]。近年來，由于化肥的大量施用以及不合理灌溉等農(nóng)業(yè)措施進(jìn)一步加劇了土壤鹽漬化，目前我國(guó)耕地鹽漬化比例已達(dá)6.62%[4]。 寧夏地處我國(guó)西部干旱與半干旱氣候區(qū)，水分蒸發(fā)量大，是土壤鹽漬化最嚴(yán)重的地區(qū)之一[5-6]。銀川平原引黃灌溉區(qū)是寧夏水稻的主產(chǎn)區(qū)，表層土壤屬于中度到重度鹽漬土的面積已達(dá)75.6%，呈現(xiàn)一定的鹽分表聚和局部加重趨勢(shì)[6]，該區(qū)域水稻生產(chǎn)受鹽漬土影響非常明顯。

水稻（Oryza sativa L.）作為主要的糧食作物，是全世界50%以上人口的主要食物來源[7]。水稻屬中等感鹽作物，當(dāng)土壤EC值超過3 dS/m時(shí)即表現(xiàn)出受害癥狀，最終導(dǎo)致顯著減產(chǎn)[8]。研究表明，水稻耐鹽性是受多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀[9-11]，因此，明確水稻耐鹽的遺傳機(jī)制，闡明不同耐鹽基因之間的相互作用機(jī)理，定位、克隆與利用水稻耐鹽相關(guān)基因，是提高水稻耐鹽性的關(guān)鍵[11]。目前，已克隆的水稻耐鹽相關(guān)基因很多，大都采用反向遺傳學(xué)的方法進(jìn)行同源電子克隆，約有83個(gè)位點(diǎn)。這些耐鹽相關(guān)基因大體可以分為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因（14個(gè)）、轉(zhuǎn)錄因子（30個(gè)）、酶編碼基因（25個(gè)）、MicroRNA編碼基因（2個(gè)）、其他功能蛋白編碼基因（12個(gè)）五大類。其中，轉(zhuǎn)錄因子數(shù)目最多，也是近年來水稻耐鹽相關(guān)基因的研究熱點(diǎn)之一。

1轉(zhuǎn)錄因子的定義與分類

轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor，TF）又稱為反式作用因子[12]，是真核生物基因轉(zhuǎn)錄過程中能夠與DNA結(jié)合，通過直接或間接與基因啟動(dòng)子區(qū)域中的順式作用元件發(fā)生特異性相互作用，進(jìn)而參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的一類蛋白質(zhì)的統(tǒng)稱。一般可以分為通用轉(zhuǎn)錄因子（general transcription factor）和序列特異性轉(zhuǎn)錄因子（sequencespecific transcription factor）兩大類。前者也稱為非特異性轉(zhuǎn)錄因子，它們非選擇性地調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，后者則能夠選擇性調(diào)控某種或某些基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。研究表明，轉(zhuǎn)錄因子在植物逆境信號(hào)傳導(dǎo)過程中起中心調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)錄因子已逐漸成為植物抗逆機(jī)理研究的核心內(nèi)容。

2WRKY轉(zhuǎn)錄因子與水稻耐鹽性調(diào)控

WRKY轉(zhuǎn)錄因子，由于其核心序列包括70個(gè)左右的WRKYGQK保守氨基酸序列，故此得名。WRKY結(jié)構(gòu)域的氨基端包含有WRKY核心氨基酸基序，在各物種間的保守性極高[13]，其羧基端具有非典型的鋅指結(jié)構(gòu)。該類轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于高等植物中，參與植物的多種生理生化與生長(zhǎng)發(fā)育過程，在植物應(yīng)對(duì)外界逆境脅迫時(shí)發(fā)揮十分重要的作用[14]。

TAO等[15]報(bào)道了1個(gè)水稻W(wǎng)RKY轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY45，同時(shí)研究了其在水稻中的2個(gè)等位基因OsWRKY451和OsWRKY452在鹽脅迫應(yīng)答和脫落酸（ABA）信號(hào)傳導(dǎo)中的位置和作用。結(jié)果表明，它們對(duì)鹽脅迫和ABA有不同的轉(zhuǎn)錄應(yīng)答。在鹽脅迫應(yīng)答中OsWRKY451的轉(zhuǎn)基因植株與陰性對(duì)照間無(wú)明顯差別。相反，OsWRKY452過表達(dá)株系的鹽脅迫抗性降低，ABA敏感性增加，而OsWRKY452抑制株系的ABA敏感性降低而鹽脅迫抗性增加。這2個(gè)等位基因在ABA信號(hào)傳導(dǎo)和鹽脅迫中的作用可能與它們?cè)诓煌盘?hào)途徑中的轉(zhuǎn)錄中介有關(guān)。

3NAC轉(zhuǎn)錄因子與水稻耐鹽性調(diào)控

NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，是具有多種生物功能的植物特異轉(zhuǎn)錄因子，其最主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是N端含大約150個(gè)高度保守的氨基酸組成的NAC 結(jié)構(gòu)域，在C末端還有一段TAR區(qū)（即轉(zhuǎn)錄激活區(qū)），通過對(duì)已知NAC轉(zhuǎn)錄因子的TAR區(qū)分析表明，其序列在NAC亞家族中具有一定的保守性[12]。

目前，水稻中已克隆的耐鹽相關(guān)NAC轉(zhuǎn)錄因子較多，至少已經(jīng)報(bào)道了4個(gè)。HU等[16-17]報(bào)道了2個(gè)水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子，SNAC1和SNAC2。SNAC1受鹽、干旱和冷脅迫以及ABA處理誘導(dǎo)表達(dá)，DNA芯片分析表明在過量表達(dá)SNAC1的轉(zhuǎn)基因水稻中許多與脅迫相關(guān)的基因表達(dá)上調(diào)，過表達(dá)SNAC1的轉(zhuǎn)基因水稻，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期的耐鹽性和耐旱性顯著提高，同時(shí)生殖生長(zhǎng)期的耐旱性也顯著提高，且產(chǎn)量不下降。SNAC2是從粳型旱稻IRA109中分離的1個(gè)響應(yīng)脅迫的NAC基因，該基因被定位在細(xì)胞核中，具有轉(zhuǎn)錄激活活性和DNA結(jié)合活性，受干旱、鹽堿、冷、機(jī)械損傷和ABA處理誘導(dǎo)表達(dá)。在高鹽條件下，其過表達(dá)轉(zhuǎn)基因水稻的發(fā)芽率和生長(zhǎng)率顯著高于野生型[17]。

OsNAC5編碼一個(gè)由329個(gè)氨基酸組成的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，其cDNA 全長(zhǎng)1 751 bp，包含有3 個(gè)外顯子。其表達(dá)受到高鹽、旱、冷等非生物脅迫和ABA以及茉莉酸甲酯的誘導(dǎo)。過量表達(dá)OsNAC5的轉(zhuǎn)基因植株對(duì)高鹽的耐受性較對(duì)照增加[18]。OsNAC5 可以和OsNAC6[19]、SNAC1互作，OsNAC5 和OsNAC6作為轉(zhuǎn)錄激活子，上調(diào)了如OsLEA3等逆境應(yīng)答基因的表達(dá)，從而提高了水稻對(duì)逆境的耐受性。SONG等[20]利用RNAi和過表達(dá)技術(shù)，進(jìn)一步研究了OsNAC5在鹽脅迫條件下的功能。結(jié)果表明，RNAi植株的耐鹽性與野生型相比明顯降低，而過表達(dá)植株的耐鹽性則顯著增強(qiáng)。其原因是RNAi植株中的脯氨酸和可溶性糖含量明顯下降，MDA和H2O2等質(zhì)膜過氧化產(chǎn)物的含量則明顯增加，同時(shí)植株的鈉鉀比也顯著提高，上述物質(zhì)的含量在OsNAC5過表達(dá)植株中則正好相反。由于過表達(dá)OsNAC5 不抑制水稻的生長(zhǎng)，因此OsNAC5是一個(gè)可以用來改良水稻對(duì)逆境耐受性的有用基因。

4bZIP轉(zhuǎn)錄因子與水稻耐鹽性調(diào)控

植物bZIP蛋白是一類重要的植物轉(zhuǎn)錄因子。它由1個(gè)與DNA結(jié)合的堿性結(jié)構(gòu)域和1個(gè)二聚體化作用的亮氨酸拉鏈區(qū)域組成，這2個(gè)區(qū)域?qū)е缕鋵?duì)DNA的結(jié)合。該類型轉(zhuǎn)錄因子在植物逆境脅迫信號(hào)傳導(dǎo)中發(fā)揮作用，但在水稻中對(duì)其功能知之甚少。目前共報(bào)道了3個(gè)與水稻耐鹽相關(guān)的該類轉(zhuǎn)錄因子，它們通過ABA依賴的信號(hào)通路調(diào)節(jié)鹽脅迫下許多相關(guān)基因的表達(dá)[21]，最終影響水稻耐鹽性。

OsABF1[21]是一個(gè)核蛋白，可以與ABA應(yīng)答元件ABREs結(jié)合，其N末端區(qū)域是反式激活下游報(bào)告基因的必需區(qū)段。OsABF1參與了水稻的非生物脅迫響應(yīng)和ABA信號(hào)傳導(dǎo)。相較于野生型而言，該基因的純合TDNA插入突變體對(duì)干旱和鹽脅迫更加敏感。OSZB8[22]在水稻營(yíng)養(yǎng)組織的轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮重要的作用。當(dāng)用NaCl處理幼苗時(shí)，增加了ABREDNA：蛋白復(fù)合體的形成。OSBZ8在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平都受到調(diào)節(jié)，其表達(dá)量和抗鹽性存在正相關(guān)。OsbZIP23[23]是bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族的成員之一，是ABA依賴型耐鹽、抗旱反應(yīng)中的主要調(diào)節(jié)因子。過量表達(dá)OsbZIP23的轉(zhuǎn)基因水稻植株的耐鹽性和抗旱性顯著提高，同時(shí)對(duì)ABA的敏感性增加；敲除該基因的突變體Osbzip23對(duì)ABA的敏感性降低，耐鹽性和抗旱性也顯著降低，而將OsbZIP23轉(zhuǎn)化到突變體中表型則得到恢復(fù)，說明該基因在水稻耐鹽、抗旱等逆境中具有很重要的作用，在通過遺傳改良提高水稻抗逆性中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

5DREB轉(zhuǎn)錄因子與水稻耐鹽性調(diào)控

DREB 轉(zhuǎn)錄因子是與DRE 順式作用元件結(jié)合的一種反式作用因子，含有1個(gè)保守的AP2/EREBP 結(jié)構(gòu)域、堿性核定位信號(hào)區(qū)和酸性轉(zhuǎn)錄激活區(qū)，在植物脅迫信號(hào)傳導(dǎo)途徑中發(fā)揮重要作用。DREB 轉(zhuǎn)錄因子可特異性識(shí)別并結(jié)合DRE，參與逆境信號(hào)的傳導(dǎo)，調(diào)控下游逆境應(yīng)答基因的表達(dá)，進(jìn)而提高植物在多種逆境條件下的耐受能力和適應(yīng)性。該類型轉(zhuǎn)錄因子在植物體內(nèi)主要通過調(diào)控2類基因的表達(dá)來完成逆境應(yīng)答，一類是在信號(hào)傳導(dǎo)和脅迫誘導(dǎo)基因表達(dá)中起調(diào)控作用的調(diào)節(jié)因子，另一類是在抗逆反應(yīng)中直接起保護(hù)作用的功能蛋白基因，如抗氧化物質(zhì)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及其他功能蛋白等的編碼基因。

DUBOUZET等[24]報(bào)道了2個(gè)與水稻耐鹽相關(guān)的DREB 轉(zhuǎn)錄因子OsDREB1A和OsDREB2A，兩者可與干旱響應(yīng)元件特異結(jié)合，進(jìn)而控制許多脅迫誘導(dǎo)基因的表達(dá)。在擬南芥中，過量表達(dá)OsDREB1A可以誘導(dǎo)脅迫相關(guān)基因的表達(dá)，提高擬南芥對(duì)高鹽、干旱和冷脅迫的耐受性。OsDREB2A的表達(dá)受干旱和高鹽脅迫誘導(dǎo)[25]，其過表達(dá)水稻植株在鹽脅迫和旱脅迫條件下的存活率與野生型和轉(zhuǎn)空載體的CK相比，均顯著提高。WANG等[26]從陸稻中克隆并鑒定了1個(gè)新的DREB轉(zhuǎn)錄因子基因OsDREB1F，該基因受高鹽、干旱、冷脅迫和ABA處理誘導(dǎo)，轉(zhuǎn)OsDREB1F基因的水稻和擬南芥增強(qiáng)了對(duì)高鹽、干旱和低溫的抗性。

6展望

從不同水平上了解水稻的耐鹽機(jī)制有助于培育耐鹽水稻品種，提高其在鹽漬土條件下的產(chǎn)量。轉(zhuǎn)錄因子在水稻逆境脅迫應(yīng)答過程中扮演著重要角色，通過揭示轉(zhuǎn)錄因子在水稻鹽脅迫應(yīng)答過程中的作用機(jī)制，改良或?qū)?個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，促使多個(gè)功能基因充分發(fā)揮作用，從而達(dá)到提高水稻耐鹽性的效果。

近年來在水稻轉(zhuǎn)錄因子的基因克隆和功能研究方面取得了很大進(jìn)展，目前已克隆的水稻耐鹽相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子有30個(gè)，它們?cè)谡{(diào)節(jié)水稻不同生育時(shí)期的耐鹽性方面，發(fā)揮著重要作用。但這些轉(zhuǎn)錄因子的功能和作用機(jī)理大多不是很清楚，需要在今后研究中，充分利用不斷發(fā)展和完善的分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)，對(duì)它們?cè)诜巧锬婢晨剐灾械淖饔脵C(jī)理進(jìn)行深入的研究，進(jìn)一步了解它們?cè)诨虮磉_(dá)與調(diào)控中的地位和作用，實(shí)現(xiàn)其在轉(zhuǎn)基因植物中高效穩(wěn)定表達(dá)，為利用轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行植物抗逆基因工程改良提供理論依據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。加強(qiáng)作物抗逆相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子研究，獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)錄因子基因是實(shí)現(xiàn)作物分子育種自主創(chuàng)新的關(guān)鍵。

進(jìn)程和減少不必要的工作量，降低成本。由于材料數(shù)量較少，還需要擴(kuò)大材料數(shù)量，并通過精確測(cè)定，建立相關(guān)模型，應(yīng)用LEC1基因相對(duì)表達(dá)量對(duì)含油量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

油菜籽油分的形成積累是一系列基因調(diào)控的結(jié)果。隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)的飛速發(fā)展以及對(duì)脂肪酸合成和代謝酶系的研究逐步深入，對(duì)關(guān)鍵酶如DGAT、轉(zhuǎn)錄因子如LEC1的研究一定程度上揭示植物種子油脂形成的普遍機(jī)制，但植物的物質(zhì)代謝是一個(gè)復(fù)雜的過程，酶的作用不是獨(dú)立的，各個(gè)代謝間存在聯(lián)系，生物的基因表達(dá)也是一個(gè)繁復(fù)的過程。目前，對(duì)油菜含油量合成關(guān)鍵酶的研究還未完全、透徹，提高含油量的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子還未對(duì)油菜進(jìn)行實(shí)踐證實(shí)。因此該研究結(jié)果還有待于進(jìn)一步研究、證實(shí)、實(shí)踐。

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