NAC轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗逆基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

段俊枝 李瑩 趙明忠魏小春 任銀鈴

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002；2河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，鄭州 450002；第一作者：junzhi2004@163.com；#共同第一作者）

NAC轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗逆基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

段俊枝1#李瑩2#趙明忠1魏小春1任銀鈴1

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，鄭州 450002；2河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，鄭州 450002；第一作者：junzhi2004@163.com；#共同第一作者）

水稻經(jīng)常遭遇干旱、高鹽、低溫、病原菌等逆境脅迫，影響其生長(zhǎng)發(fā)育甚至產(chǎn)量。NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的、最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，在水稻生長(zhǎng)發(fā)育及抵御多種非生物及生物脅迫反應(yīng)中具有重要的調(diào)控作用。本文闡述了水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、分類及染色體定位，并闡述了NAC轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗旱、耐鹽、耐冷及抗病等抗逆基因工程中應(yīng)用的研究進(jìn)展，為NAC轉(zhuǎn)錄因子的利用及水稻抗逆遺傳改良提供參考。

水稻；NAC轉(zhuǎn)錄因子；抗旱；耐鹽；耐冷；抗病；基因工程

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，為全球半數(shù)以上人口提供主糧[1]。水稻在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，經(jīng)常遭遇干旱、高鹽、低溫、病原菌等各種非生物和生物脅迫，影響其生長(zhǎng)發(fā)育甚至產(chǎn)量。隨著世界人口急劇增加及環(huán)境變化，提高水稻的抗逆性并保持其產(chǎn)量穩(wěn)定增加是一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。因此，水稻抗逆育種研究刻不容緩。與傳統(tǒng)育種相比，發(fā)掘利用優(yōu)異的抗逆基因資源，然后通過(guò)基因工程技術(shù)提高水稻的抗逆性，是提高水稻抗逆豐產(chǎn)能力最有效的途徑。

當(dāng)植物遭受干旱、高鹽、低溫、病原菌等逆境脅迫時(shí)，植物會(huì)通過(guò)一系列生理、生化、代謝及防御機(jī)制來(lái)適應(yīng)和抵御逆境脅迫。其中，基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控在植物適應(yīng)環(huán)境和抵御逆境脅迫中起重要作用。轉(zhuǎn)錄因子是一類調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平的重要調(diào)控基因，通過(guò)與靶標(biāo)基因啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件結(jié)合，激活或抑制靶標(biāo)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。植物中存在大量的逆境脅迫應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子，如MYB、bZIP（basic region/leucine zipper motif）、DREB （dehydration-responsive element binding protein）、NAC[NAM（No apical meristem）、ATAF1（Arabidopsis transcription activation factor 1）、ATAF2，CUC2（cup-shaped cotyledon 2）]等。其中，NAC 轉(zhuǎn)錄因子是最大的植物特異轉(zhuǎn)錄因子家族之一，水稻中含有151個(gè)NAC轉(zhuǎn)錄因子[2]；其具有多種生物學(xué)功能，不僅參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控[3-6]，而且還參與植物對(duì)干旱、高鹽、低溫等非生物和病原菌侵染等生物脅迫的抗逆反應(yīng)[7-10]。目前，已經(jīng)從水稻中分離獲得了許多NAC轉(zhuǎn)錄因子，有的NAC轉(zhuǎn)錄因子可以提高水稻的單一抗逆性，有的可以提高水稻的綜合抗逆性，有的可以提高營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（多為苗期）水稻的抗逆性，有的不僅可以提高營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期抗逆性還可以提高生殖生長(zhǎng)期（多為抽穗前后）的抗旱性并改良產(chǎn)量性狀，這為水稻抗逆遺傳改良提供了重要的基因資源，尤其是后者。本文闡述了水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、分類及染色體定位，并闡述了NAC轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗旱、耐鹽、耐冷及抗病等抗逆基因工程中應(yīng)用的研究進(jìn)展，以期為NAC轉(zhuǎn)錄因子的利用及水稻抗逆遺傳改良提供參考。

1 水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子家族成員結(jié)構(gòu)、分類及染色體定位

NAC是矮牽牛NAM、擬南芥ATAF1/2和CUC2首字母的縮寫。水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子的N端高度保守，由約160個(gè)氨基酸組成[2]，被稱為NAC結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)與DNA和其他蛋白結(jié)合[11-12]。NAC結(jié)構(gòu)域可分為A、B、C、D、E 5個(gè)亞結(jié)構(gòu)域，其中，A、C、D亞結(jié)構(gòu)域高度保守，C、D亞結(jié)構(gòu)域中含有核定位信號(hào)，主要與DNA結(jié)合，從而決定NAC轉(zhuǎn)錄因子的特性；而B、E亞結(jié)構(gòu)域的保守性不強(qiáng)，與NAC轉(zhuǎn)錄因子的功能多樣性有關(guān)[11-12]。NAC轉(zhuǎn)錄因子的C端是具有高度多樣性的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域，具有轉(zhuǎn)錄激活或轉(zhuǎn)錄抑制活性[11-13]。

水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子家族包含151個(gè)NAC基因，主要分為A、B兩組[2]。其中，A組包含65個(gè)NAC基因，主 要 分 為 NAC4、ONAC5、ONAC2、ONAC3、ONAC7、ONAC1、ONAC6 等 7 個(gè)亞組，分別含有 14、3、16、17、5、8、2個(gè)NAC基因；B組包含86個(gè)NAC基因，主要分為SNAC （stress-responsive NAC）、ANAC34、NEO、SND、NAC22、NAC1、NAM/CUC3、OMNAC （Oryza membrane NAC）、TIP（turnip crinkle virus interacting protein）等 9個(gè)亞組，分別含有 14、13、2、14、5、6、17、1、14 個(gè) NAC基因。各亞組均是根據(jù)所包含的已知NAC基因命名。

在水稻的151個(gè)NAC基因中，有135個(gè)可以定位到12條染色體上，其在12條染色體上的分布不均勻，且可分布在染色體的各個(gè)位置（長(zhǎng)臂、短臂、著絲粒附近）[2]。其中，3號(hào)染色體分布最多（17個(gè)），其次是1號(hào)染色體（15個(gè)），2、7、11號(hào)染色體上均分布有 13個(gè)NAC基因，8、10、12號(hào)染色體上均分布有11個(gè)NAC基因，4、5、6、9號(hào)染色體上分布的NAC基因數(shù)目均少于10個(gè)。另外，有的NAC基因成簇分布，有的單個(gè)分布。在12條染色體上共發(fā)生了9個(gè)片段重復(fù)事件，涉及18個(gè)NAC基因；12個(gè)串聯(lián)重復(fù)事件，涉及32個(gè)NAC基因。

2 NAC轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗非生物脅迫基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

大部分NAC基因的功能鑒定都是在室內(nèi)（一般為人工氣候室或溫室）營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（苗期）進(jìn)行的，這主要是因?yàn)槭覂?nèi)條件可控、受外界環(huán)境影響較小且苗期鑒定周期短。另外，NAC家族基因功能各異，抗非生物脅迫程度各不相同，在苗期表現(xiàn)出抗非生物脅迫能力，在生殖生長(zhǎng)期尤其是在田間條件下未必能表現(xiàn)出抗非生物脅迫能力，并最終提高產(chǎn)量，這主要是由于一方面田間環(huán)境條件復(fù)雜不好控制，另一方面大部分NAC基因抗非生物脅迫功能不夠強(qiáng)大，單靠1個(gè)NAC基因難以提高生殖生長(zhǎng)階段抗非生物脅迫能力并最終提高產(chǎn)量，所以將此部分基因歸為能夠提高營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期抗非生物脅迫能力的NAC基因。而在生殖生長(zhǎng)期尤其是在大田條件下提高抗非生物脅迫能力并提高產(chǎn)量的NAC基因很少，將這部分基因歸類為能夠提高生殖生長(zhǎng)期抗非生物脅迫能力的NAC基因，本文主要指的是能夠提高生殖生長(zhǎng)期抗旱能力的NAC基因。

2.1 提高生殖生長(zhǎng)期水稻抗旱能力的NAC基因

目前，只發(fā)現(xiàn)了5個(gè)NAC基因不僅可以提高苗期水稻的抗非生物脅迫能力，還可以提高生殖生長(zhǎng)期的抗旱能力，進(jìn)而改善產(chǎn)量性狀。它們分別是SNAC1[14]/OsNAC9[15]、OsNAC10[16]、OsNAC5[17]、OsNAP[18]、SNAC3[19]。其中，SNAC3基因的抗旱性鑒定是通過(guò)盆栽試驗(yàn)進(jìn)行的，其余4個(gè)基因的抗旱性鑒定均是在田間條件下進(jìn)行的。

研究[14-15]表明，SNAC1基因和后來(lái)發(fā)現(xiàn)的OsNAC9基因是同一個(gè)基因，其受干旱、高鹽、脫落酸（ABA）誘導(dǎo)表達(dá)，且主要在葉片保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)。目前，關(guān)于過(guò)量表達(dá)該基因能否提高轉(zhuǎn)基因水稻抗旱性的報(bào)道結(jié)果不太一致。Hu等[14]研究發(fā)現(xiàn)，使用組成型啟動(dòng)子（CaMV 35S）驅(qū)動(dòng)該基因在水稻（Nipponbar，日本晴）中過(guò)量表達(dá)，提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)ABA的敏感性，并使葉片氣孔關(guān)閉數(shù)增多，蒸騰速率降低，但光合速率無(wú)明顯變化。苗期，轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出相對(duì)較高的抗旱、耐鹽性；開花期，在田間分別進(jìn)行中度、重度干旱處理，轉(zhuǎn)基因后代的結(jié)實(shí)率分別比陰性或非轉(zhuǎn)基因植株（NT）、野生型植株（WT）提高了17.4%～22.3%、23.0%～34.6%。而Redillas等[15]研究發(fā)現(xiàn)，使用根特異啟動(dòng)子（RCc3）驅(qū)動(dòng)該基因在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)，改變了轉(zhuǎn)基因植株的根系結(jié)構(gòu)，使根粗較NT增加了30%；增強(qiáng)了大田條件下轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性，使結(jié)實(shí)率較NT提高了18%～36%，籽粒產(chǎn)量提高了28%～72%。但值得注意的是，使用組成型啟動(dòng)子（GOS2）驅(qū)動(dòng)該基因在水稻中過(guò)量表達(dá)，僅僅使轉(zhuǎn)基因植株根粗增加了7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RCc3：OsNAC9轉(zhuǎn)基因植株根粗增加的效果，最終在田間干旱條件下未能提高轉(zhuǎn)基因植株產(chǎn)量。進(jìn)一步對(duì)根系中基因的表達(dá)譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與GOS2：OsNAC9轉(zhuǎn)基因植株相比，在RCc3：OsNAC9轉(zhuǎn)基因植株根系中有一些特異上調(diào)表達(dá)的基因，例如參與木質(zhì)素合成的O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因等，可能就是因?yàn)檫@些基因的上調(diào)表達(dá)改變了GOS2：OsNAC9轉(zhuǎn)基因植株的根系結(jié)構(gòu)，從而提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。同時(shí)也說(shuō)明，改良根系結(jié)構(gòu)對(duì)于提高植物抗旱性具有重要的作用。另外，在小麥[20]、棉花[21]、苧麻[22]中過(guò)量表達(dá)該基因也提高了苗期轉(zhuǎn)基因植株的抗旱、耐鹽性。

OsNAC10基因受干旱、高鹽、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，分別使用組成型啟動(dòng)子（GOS2）和根特異啟動(dòng)子（RCc3）驅(qū)動(dòng)該基因在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)。苗期，均提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱、耐鹽、耐冷性。生殖生長(zhǎng)期（抽穗前10 d至抽穗后10 d），在田間進(jìn)行干旱處理，RCc3：OsNAC10轉(zhuǎn)基因植株根粗增加，是NT和GOS2：OsNAC10轉(zhuǎn)基因植株的1.25倍，這主要?dú)w因于表皮、皮層和中柱的增大，且實(shí)粒數(shù)提高26%～47%，籽粒產(chǎn)量提高25%～42%；而GOS2：OsNAC10轉(zhuǎn)基因植株的根粗及產(chǎn)量并未提高[16]。再次說(shuō)明，增加根粗可以提高植株的抗旱性，甚至產(chǎn)量，對(duì)于植物抗旱性改良和育種具有重要的作用。

OsNAC5基因受干旱、低溫、高鹽、ABA及茉莉酸甲酯（MeJA）誘導(dǎo)表達(dá)，可以與OsNAC6、SNAC1基因互作，且和OsNAC6基因均可與LEA3（late embryogenesis abundant，group 3）基因啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合[23]。分別使用根特異啟動(dòng)子（RCc3）、組成型啟動(dòng)子（GOS2）驅(qū)動(dòng)該基因在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)：苗期，均提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱、耐鹽性；生殖生長(zhǎng)期（抽穗前10 d至抽穗后10 d），在田間干旱條件下，僅RCc3：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株籽粒產(chǎn)量較NT提高22%～63%（2009-2011年），GOS2：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株產(chǎn)量較NT低（2009年）或者與NT相近（2010-2011年）[17]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與NT相比，RCc3：OsNAC5和GOS2：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株根粗均增加，但RCc3：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株根粗增加幅度更大，其根粗顯著大于NT（30%）和GOS2：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株，這主要?dú)w因于根系后生木質(zhì)部和通氣組織增大，皮層細(xì)胞數(shù)目增多。基因表達(dá)譜分析顯示，與GOS2：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株相比，RCc3：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株中存在一些特異上調(diào)表達(dá)的基因，例如類萌發(fā)素蛋白基因GLPs、吡哆醇生物合成蛋白基因PDX、細(xì)胞壁調(diào)節(jié)酶基因MERI5、O-甲基轉(zhuǎn)移酶基因等，這些基因均參與根的生長(zhǎng)發(fā)育，可能就是因?yàn)檫@些基因的上調(diào)表達(dá)改變了RCc3：OsNAC5轉(zhuǎn)基因植株的根系結(jié)構(gòu)，增加了根粗，從而提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[17]。這再次說(shuō)明，根粗對(duì)提高植物抗旱性具有重要作用。

水稻OsNAP基因受干旱、高鹽、低溫、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)該基因降低了轉(zhuǎn)基因植株的失水速率，提高了轉(zhuǎn)基因植株幼苗的抗旱、耐鹽和耐冷性；且盆栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在開花期進(jìn)行干旱處理，轉(zhuǎn)基因植株的小花育性（63.8%～65.9%）較WT（46.5%）提高，進(jìn)而相對(duì)產(chǎn)量（63.1%～66.4%）較 WT（52.2%）提高（正常條件下，轉(zhuǎn)基因植株產(chǎn)量與WT相近）[18]。對(duì)基因表達(dá)譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因植株中，與抗旱相關(guān)的 PP2C（phosphatase 2C）家族基因 OsPP2C06/OsABI2、OsPP2C09、OsPP2C68，AP2（APETELA2） 結(jié)構(gòu)域基因OsAP37、OsAP59，與耐鹽相關(guān)的基因 OsSalT（salt tolerance），與耐冷相關(guān)的基因OsDREB1A等的表達(dá)量均上調(diào)[18]。

SNAC3基因受干旱、高鹽、高溫、ABA及氧化脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（中花11）中組成型過(guò)量表達(dá)該基因，苗期，提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)干旱、高溫的耐受性；孕穗期，在田間干旱條件下，顯著提高了轉(zhuǎn)基因植株的結(jié)實(shí)率[19]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株的H2O2和丙二醛（MDA）含量較WT降低，且活性氧（ROS）清除相關(guān)基因的表達(dá)量上調(diào)，尤其是ROS清除相關(guān)酶基因OsCATA（catalase A）、OsAPX8（ascorbate peroxidase 8）、OsR－boh F（NADPH oxidases F）等[19]，說(shuō)明轉(zhuǎn) SNAC3 基因植株抗逆性的提高主要得益于SNAC3基因?qū)OS清除能力的提高。

綜上，NAC基因主要通過(guò)調(diào)控根系生長(zhǎng)發(fā)育尤其是根粗、氣孔關(guān)閉、干旱脅迫相關(guān)基因的表達(dá)量及ROS清除能力來(lái)調(diào)控水稻的抗旱性，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量。

2.2 提高營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期水稻抗非生物脅迫能力的NAC基因

大部分NAC基因只能在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期表現(xiàn)出抗非生物脅迫能力，且抗性范圍不同，有的只能提高單一抗逆性，這部分NAC基因較少；有的能夠提高綜合抗逆性，這部分NAC基因較多，所涉及的非生物脅迫主要包括干旱、高鹽、低溫等。

目前，發(fā)現(xiàn)的可以提高水稻單一抗逆性的NAC基因較少，這些基因主要表現(xiàn)為抗旱、耐鹽。例如：水稻OsNAC52基因，在擬南芥（哥倫比亞生態(tài)型）中過(guò)量表達(dá)該基因，提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)ABA的敏感性，降低了葉片失水速率，提高了葉片含水量，并使RD29B（responsive to dehydration 29B）、KIN1（cold induced 1）基因表達(dá)量提高，進(jìn)而提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性[24]。水稻ONAC063基因受高鹽、滲透脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，在擬南芥（哥倫比亞生態(tài)型）中過(guò)量表達(dá)該基因可以提高轉(zhuǎn)基因植株對(duì)高鹽和滲透脅迫的耐受能力；基因表達(dá)譜分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)基因AMY1（αamylase 1）等的表達(dá)量提高[25]，推測(cè)轉(zhuǎn)ONAC063基因擬南芥耐鹽性的提高可能歸因于這些鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá)基因表達(dá)量的提高。Sakuraba等[26]研究發(fā)現(xiàn)，與WT（日本晴）比較，水稻OsNAC106基因缺失突變體的耐鹽性提高，說(shuō)明OsNAC106基因負(fù)調(diào)控水稻的耐鹽性，可以通過(guò)基因敲除的方法提高水稻的耐鹽性。另外，研究[27]發(fā)現(xiàn)，水稻類NAC轉(zhuǎn)錄因子BET1（BORON EXCESS TOLERANT 1）基因負(fù)調(diào)控水稻對(duì)硼毒的耐受性，采用RNA干擾技術(shù)在水稻（日本晴）中沉默該基因表達(dá)后，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)硼毒的耐受性提高。

大部分NAC基因可同時(shí)被干旱、高鹽兩種逆境或干旱、高鹽、低溫三種逆境脅迫誘導(dǎo)表達(dá)，且許多被證實(shí)能同時(shí)提高水稻的抗旱、耐鹽性，但是能同時(shí)提高水稻的抗旱、耐鹽、耐冷性的非常少。水稻OsNAC6基因受干旱、高鹽、低溫、ABA、JA、機(jī)械損傷和稻瘟病誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（日本晴）中組成型過(guò)量表達(dá)OsNAC6基因能夠提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱、耐鹽及抗稻瘟病能力，但是與WT相比，正常條件下，轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)緩慢且產(chǎn)量降低；用脅迫誘導(dǎo)啟動(dòng)子（OsNAC6基因啟動(dòng)子）驅(qū)動(dòng)OsNAC6基因在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)，與WT相比，正常條件下，轉(zhuǎn)基因植株生長(zhǎng)正常，產(chǎn)量也與WT無(wú)顯著差異；基因表達(dá)譜分析表明，OsNAC6基因可使許多脅迫相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，如過(guò)氧化物酶基因等，轉(zhuǎn)錄激活試驗(yàn)進(jìn)一步證明其可激活過(guò)氧化物酶基因[28]。類似地，水稻ONAC045基因受干旱、高鹽、低溫、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)該基因，轉(zhuǎn)基因植株在干旱、高鹽脅迫條件下的存活率分別較WT提高1.0倍、2.8倍；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因植株中OsLEA3-1 及 OsPM1（plasma membrane protein 1）基因的表達(dá)量提高[29]。最近研究[30]發(fā)現(xiàn)，水稻ONAC022基因受干旱、高鹽、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（秀水134）中過(guò)量表達(dá)該基因，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)ABA敏感，與WT相比，在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因植株的失水速率、蒸騰速率及張開氣孔所占的比例降低，可溶性糖和脯氨酸含量升高，抗旱性提高；在高鹽脅迫下，轉(zhuǎn)基因植株的Na+離子含量降低，耐鹽性提高。此外，旱稻SNAC2基因可以同時(shí)提高水稻的抗旱、耐鹽、耐冷性。SNAC2基因是從粳型旱稻IRA109中分離獲得的脅迫響應(yīng)基因，可被干旱、高鹽、低溫、ABA誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（中花11）中過(guò)量表達(dá)該基因，提高了轉(zhuǎn)基因植株對(duì)ABA的敏感性和細(xì)胞膜穩(wěn)定性及抗旱、耐冷、耐鹽性，并且在轉(zhuǎn)基因植株中，被SNAC2激活的脅迫響應(yīng)基因（過(guò)氧化物酶、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶、鈉氫交換蛋白、熱激蛋白、GDSL-like脂肪酶、苯丙氨酸脫氨裂解酶基因）與其他NAC基因完全不同[31]。

3 NAC轉(zhuǎn)錄因子在水稻抗病基因工程中的應(yīng)用進(jìn)展

當(dāng)植物遭受細(xì)菌、真菌、病毒及其他病原物侵害時(shí)，通常會(huì)通過(guò)水楊酸（SA）、JA、乙烯（ET）等抗病信號(hào)傳導(dǎo)途徑來(lái)激活大批防衛(wèi)反應(yīng)基因的協(xié)同表達(dá)，從而激活植物的抗病防衛(wèi)反應(yīng)。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)大量NAC基因受SA、JA、ET等激素誘導(dǎo)表達(dá)，且已證實(shí)部分NAC基因與水稻的抗病性有關(guān)，主要包括OsNAC6[28]、ONAC122[32]、ONAC131[32]、OsNAC4[33]、OsRIM1（rice dwarf virus multiplication 1）[34-35]等。

如前所述，水稻OsNAC6基因不僅受非生物脅迫（干旱、高鹽、低溫）誘導(dǎo)表達(dá)，還受機(jī)械損傷和稻瘟病誘導(dǎo)表達(dá)，在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)該基因，能夠減小轉(zhuǎn)基因植株稻瘟病的病變范圍，提高對(duì)稻瘟病的耐受性[28]。類似地，水稻OsNAC19基因也受稻瘟病誘導(dǎo)表達(dá)，同時(shí)還受MeJA、ABA、ET誘導(dǎo)表達(dá)，尤其是Me－JA，表明OsNAC19基因參與水稻對(duì)稻瘟病菌侵染的響應(yīng)過(guò)程，并在MeJA介導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中發(fā)揮重要作用[36]。最近發(fā)現(xiàn)，水稻ONAC122和ONAC131基因受稻瘟病及SA、MeJA、氨基環(huán)丙烷羧酸（ET的前體）誘導(dǎo)表達(dá)，將這2個(gè)基因分別在水稻（IR64）中進(jìn)行沉默表達(dá)后，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)稻瘟病的敏感性增強(qiáng)[32]?；虮磉_(dá)譜分析發(fā)現(xiàn)，與非沉默植株相比，NAC122、ONAC131沉默植株中防御相關(guān)基因OsLOX（lipoxygenases）、Os－PR1a （pPathogenesis-related proteins 1a）、OsWRKY45及類NPR1（nonexpresser of PR）基因OsNH1的表達(dá)量均顯著降低[32]，推測(cè)ONAC122、ONAC131主要通過(guò)調(diào)控上述基因的表達(dá)來(lái)調(diào)控對(duì)稻瘟病的抗性。

在植物與非親和性病菌互作中，病菌無(wú)毒菌株的侵染常常會(huì)引起寄主植物侵染位點(diǎn)細(xì)胞的快速死亡，形成局部壞死斑，稱為過(guò)敏反應(yīng)。目前，已經(jīng)報(bào)道的水稻NAC基因中只有OsNAC4基因與過(guò)敏反應(yīng)有關(guān)。研究[37]表明，褐條病細(xì)菌無(wú)毒菌株N1141接種以及鞭毛素處理能誘導(dǎo)OsNAC4基因表達(dá)，在褐條病菌接種后6 h，OsNAC4基因表達(dá)量升高30倍，但是接種不能引起過(guò)敏反應(yīng)的褐條病菌后并不能誘導(dǎo)OsNAC4基因表達(dá)。過(guò)量表達(dá)OsNAC4基因的轉(zhuǎn)基因水稻細(xì)胞的細(xì)胞膜完整性受損、DNA片段化及典型形態(tài)學(xué)發(fā)生變化，造成細(xì)胞過(guò)敏性死亡;而將OsNAC4基因沉默后，在接種褐條病菌無(wú)毒菌株N1141后，過(guò)敏性死亡的水稻細(xì)胞數(shù)目較空載體對(duì)照顯著減少[33]。進(jìn)一步對(duì)OsNAC4基因在過(guò)敏反應(yīng)中的作用進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在沒(méi)有病菌存在時(shí)，OsNAC4蛋白均勻分布在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)，但當(dāng)有病菌侵染時(shí)OsNAC4蛋白在細(xì)胞質(zhì)中迅速積累，隨后發(fā)生磷酸化修飾并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核內(nèi)；另外，OsNAC4調(diào)控參與細(xì)胞膜完整性受損的HSP90（heat shock protein 90）基因以及引起DNA片段化的Ca2+依賴核酸酶基因IREN等的表達(dá)[33]。

病毒只能在活體植物上引起侵染，并感染植物，打亂植物細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)，引起植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻，出現(xiàn)褪綠、矮化、畸形等癥狀。NAC轉(zhuǎn)錄因子或感染病毒復(fù)制等過(guò)程或與病毒蛋白因子互作從而在病毒病抗性中起作用。水稻NAC結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子RIM1控制水稻對(duì)矮縮病毒（rice dwarf virus，RDV）的感病性，RIM1基因功能缺失突變體rim1（WT為日本晴）的抗RDV性較WT增強(qiáng)，不表現(xiàn)任何病害癥狀，且RDV病毒粒子量較WT顯著降低[34]；在水稻（日本晴）中過(guò)量表達(dá)RIM1基因，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)RDV的感病性增強(qiáng)，病害癥狀提前，病毒復(fù)制量增加[35]。因此，RIM1是一個(gè)與RDV復(fù)制有關(guān)的因子，而且直接參與JA信號(hào)途徑[34-35]。

4 展望

水稻是我國(guó)主要的糧食作物，穩(wěn)定提高其產(chǎn)量對(duì)國(guó)家糧食安全具有十分重要的作用。但是，水稻在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中經(jīng)常遭受干旱、高鹽、低溫、病原菌等逆境脅迫，影響其生長(zhǎng)發(fā)育甚至產(chǎn)量。因此，提高水稻抗逆性在保障糧食安全方面具有越來(lái)越重要的作用。與傳統(tǒng)育種相比，挖掘抗逆基因，然后通過(guò)基因工程技術(shù)提高水稻抗逆性是一條更為有效的途徑。

NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子之一，其家族成員多，在植物生長(zhǎng)發(fā)育及抗逆脅迫中具有重要的作用。目前，已發(fā)現(xiàn)5個(gè)NAC基因（SNAC1/OsNAC9、OsNAC10、OsNAC5、OsNAP、SNAC3） 不僅可以提高苗期轉(zhuǎn)基因水稻的抗逆性，而且可以提高生殖生長(zhǎng)期轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性，進(jìn)而提高籽粒產(chǎn)量。其中，SNAC1/OsNAC9、OsNAC10、OsNAC5、SNAC3 基因在水稻生殖生長(zhǎng)期的抗旱性鑒定是在田間進(jìn)行的，OsNAP基因在水稻生殖生長(zhǎng)期的抗旱性鑒定是通過(guò)土壤盆栽試驗(yàn)進(jìn)行的。這類基因是最具有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值的基因，在水稻抗旱性遺傳改良育種中具有非常重要的作用，有望在水稻及其他作物抗旱改良育種中應(yīng)用。

雖然上述5個(gè)NAC基因均可以提高生殖生長(zhǎng)期轉(zhuǎn)基因水稻的抗旱性，并最終提高產(chǎn)量，但是大部分NAC基因只能提高苗期水稻的抗逆性，真正能夠在生殖生長(zhǎng)期提高水稻抗逆性并最終提高產(chǎn)量的并不多，這一方面是因?yàn)槟康幕虮旧砉δ懿粔驈?qiáng)大，另一方主要是因?yàn)榭鼓嫘源蟛糠质怯啥嗷蚩刂频臄?shù)量性狀，高抗逆性往往需要一系列相關(guān)基因的共同表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，僅僅轉(zhuǎn)單個(gè)抗逆基因獲得的轉(zhuǎn)基因植株的抗逆性程度有限，故今后應(yīng)該進(jìn)行轉(zhuǎn)化多個(gè)抗逆基因的系統(tǒng)研究。目前，同時(shí)轉(zhuǎn)化多個(gè)基因的技術(shù)還不成熟，此方面有待進(jìn)一步深入研究。另外，NAC基因的抗逆性鑒定大多是在室內(nèi)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期（苗期）進(jìn)行的，在對(duì)產(chǎn)量影響較大的生殖生長(zhǎng)期（抽穗期前后）進(jìn)行抗逆性鑒定的較少，進(jìn)而并不知道目的基因的抗逆程度，故需要同時(shí)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和生殖生長(zhǎng)期的抗逆性鑒定，以便于明確目的基因潛在的應(yīng)用價(jià)值，獲得在逆境條件下既不影響生長(zhǎng)發(fā)育又能保證產(chǎn)量的轉(zhuǎn)基因抗逆植株。此外，大部分基因的過(guò)量表達(dá)都是使用組成型啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的，這使得目的基因過(guò)量表達(dá)的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面作用，如植株矮化、開花推遲、發(fā)育不良等，甚至可能會(huì)降低產(chǎn)量。因此，在今后的研究及實(shí)際應(yīng)用中建議使用組織特異啟動(dòng)子（如根特異啟動(dòng)子等）或脅迫誘導(dǎo)啟動(dòng)子來(lái)驅(qū)動(dòng)目的基因表達(dá)以提高轉(zhuǎn)基因植株的抗逆性，同時(shí)又不會(huì)影響其正常生長(zhǎng)發(fā)育。

綜上，使用組織特異啟動(dòng)子（如根特異啟動(dòng)子等）或脅迫誘導(dǎo)啟動(dòng)子來(lái)驅(qū)動(dòng)SNAC1/OsNAC9、OsNAC10、OsNAC5、OsNAP、SNAC3等多個(gè)強(qiáng)抗逆基因的共同表達(dá)，有望使作物的抗逆性甚至產(chǎn)量得到提高，在作物抗逆遺傳改良和育種中具有很好的應(yīng)用前景。

[1] Hadiarto T,Tran L S P.Progress studies of drought-responsive genes in rice[J].Plant Cell Rep,2011,30（3）：297-310．

[2] Nuruzzaman M,Manimekalai R,Sharoni A M,et al.Genome-wide analysis of NAC transcription factor family in rice[J].Gene,2010,465（1/2）:30-44.

[3] Hao Y J,Wei W,Song Q X,et al.Soybean NAC transcription factors promote abiotic stress tolerance and lateral root formation in transgenic plants[J].Plant J,2011,68（2）:302-313.

[4] Kjaersgaard T,Jensen M K,Christiansen M W,et al.Senescenceassociated barley NAC（NAM,ATAF1,2,CUC）transcription factor interacts with radical-induced cell death 1 through a disordered regulatory domain[J].J Biol Chem,2011,286（41）:35 418-35 429.

[5] Yang S D,Seo P J,Yoon H K,et al.The Arabidopsis NAC transc ription factor VNI2 integrates abscisic acid signals into leaf senescence via the COR/RD genes[J].Plant Cell,2011,23（6）:2 155-2 168.

[6] Zhong R,Lee C,Ye Z H.Global analysis of direct targets of secondary wall NAC master switches in Arabidopsis[J].Mol Plant,2010,3（6）:1 087-1 103.

[7] Nakashima K,Takasaki H,Mizoi J,et al.NAC transcription factors in plant abiotic stress responses[J].Biochim Biophys Acta-Gene Regul Mech,2012,1819（2）:97-103.

[8] Tran L S,Nishiyama R,Yamaguchi-Shinozaki K,et al.Potential utilization of NAC transcription factors to enhance abiotic stress tolerance in plants by biotechnological approach[J].GM Crops,2010,1（1）:32-39.

[9] Xia N,Zhang G,Sun Y F,et al.TaNAC8,a novel NAC transcription factor gene in wheat,responds to stripe rust pathogen infection andabiotic stresses[J].Physiol Mol Plant Pathol,2010,74（5/6）:394-402.

[10] Xia N,Zhang G,Liu X Y,et al.Characterization of a novel wheat NAC transcription factor gene involved in defense response against stripe rust pathogen infection and abiotic stresses[J].Mol Biol Report,2010,37（8）:3703-3712.

[11] Duval M,Hsieh T F,Kim S Y,et al.Molecular characterization of AtNAM:a member of the Arabidopsis NAC domain superfamily[J].Plant Mol Biol,2002,50（2）:237-248.

[12] Ooka H,Satoh K,Doi K,et al.Comprehensive analysis of NAC family genes in Oryza sativa and Arabidopsis thaliana[J].DNA Res,2003,10（6）:239-247.

[13] Tran L S,Nakashima K,Sakuma Y,et al.Isolation and functional analysis of Arabidopsis stress inducible NAC transcription factors that bind to a drought responsive cis-element in the early responsive to dehydration stress 1 promoter[J].Plant Cell,2004,16（9）:2 481-2 498.

[14] Hu H,Dai M,Yao J,et al.Overexpressing a NAM,ATAF,and CUC（NAC）transcription factor enhances drought resistance and salt tolerance in rice[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2006,103（35）:12 987-12 992.

[15] Redillas C,Jeong J S,Kim Y S,et al.The overexpression of OsNAC9 alters the root architecture of rice plants enhancing drought resistance and grain yield under field conditions[J].Plant Biotechnol J,2012,10（7）:792-805.

[16] Jeong J S,Kim Y S,Baek K H,et al.Root-specific expression of OsNAC10 improves drought tolerance and grain yield in rice under field drought conditions[J].Plant Physiol,2010,153（1）:185-197.

[17] Jeong J S,Kim Y S,Redillas M C,et al.OsNAC5 overexpression enlarges root diameter in rice plants leading to enhanced drought tolerance and increased grain yield in the field[J].Plant Biotechnol J,2013,11（1）:101-114.

[18] Chen X,Wang Y,Lü B,et al.The NAC family transcription factor OsNAP confers abiotic stress response through the ABA pathway[J].Plant Cell Physiol,2014,55（3）:604-619.

[19] Fang Y,Liao K,Du H,et al.A stress-responsive NAC transcription factor SNAC3 confers heat and drought tolerance through modulation of reactive oxygen species in rice[J].J Exp Bot,2015,66（21）:6 803-6 817.

[20] Saad A S,Li X,Li H P,et al.A rice stress-responsive NAC gene enhances tolerance of transgenic wheat to drought and salt stresses[J].Plant Sci,2013,203:33-40.

[21] Liu G,Li X,Jin S,et al.Overexpression of rice NAC gene SNAC1 improves drought and salt tolerance by enhancing root development and reducing transpiration rate in transgenic cotton[J].PLoS One,2014,9（1）:e86895.

[22] An X,Liao Y,Zhang J,et al.Overexpression of rice NAC gene SNAC1 in ramie improves drought and salt tolerance[J].Plant Growth Regul,2015,76（2）:211-223.

[23] Takasaki H,Maruyama K,Kidokoro S,et al.The abiotic stress-responsive NAC-type transcription factor OsNAC5 regulates stressinducible genes and stress tolerance in rice[J].Mol Genet Genomics,2010,284（3）:173-183.

[24] Gao F,Xiong A,Peng R,et al.OsNAC52,a rice NAC transcription factor,potentially responds to ABA and confers drought tolerance in transgenic plants[J].Plant Cell Tissue Organ Cult,2010,100（3）:255-262.

[25] Yokotani N,Ichikawa T,Kondou Y,et al.Tolerance to various environmental stresses conferred by the salt-responsive rice gene ONAC063 in transgenic Arabidopsis[J].Planta,2009,229（5）:1 065-1 075.

[26] Sakuraba Y,Piao W,Lim J H,et al.Rice ONAC106 inhibits leaf senescence and increases salt tolerance and tiller angle[J].Plant Cell Physiol,2015,56（12）:2 325-2 339.

[27] Ochiai K,Shimizu A,Okumoto Y,et al.Suppression of a NAC-like transcription factor gene improves boron-toxicity tolerance in rice[J].Plant Physiol,2011,156（3）:1 457-1 463.

[28] Nakashima K,Tran L S,Van Nguyen D,et al.Functional analysis of a NAC-type transcription factor OsNAC6 involved in abiotic and biotic stress-responsive gene expression in rice[J].Plant J,2007,51（4）:617-630.

[29] Zheng X,Chen B,Lu G,et al.Overexpression of a NAC transcription factor enhances rice drought and salt tolerance[J].Biochem Biophys Res Commun,2009,379（4）:985-989.

[30] Hong Y,Zhang H,Huang L,et al.Overexpression of a stress-responsive NAC transcription factor gene ONAC022 improves drought and salt tolerance in rice[J].Front Plant Sci,2016,7:4.

[31] Hu H,You J,Fang Y,et al.Characterization of transcription factor gene SNAC2 conferring cold and salt tolerance in rice[J].Plant Mol Biol,2008,67（1/2）:169-181.

[32] Sun L,Zhang H,Li D,et al.Functions of rice NAC transcriptional factors,ONAC122 and ONAC131,in defense responses against Magnaporthe grisea[J].Plant Mol Biol,2013,81（1/2）:41-56.

[33] Kaneda T,Taga Y,Takai R,et al.The transcription factor OsNAC4 is a key positive regulator of plant hypersensitive cell death[J].EMBO J,2009,28（7）:926-936.

[34] Yoshii M,Shimizu T,Yamazaki M,et al.Disruption of a novel gene for a NAC-domain protein in rice confers resistance to rice dwarf virus[J].Plant J,2009,57（4）:615-625.

[35] Yoshii M,Yamazaki M,Rakwal R,et al.The NAC transcription factor RIM1 of rice is a new regulator of jasmonate signaling[J].Plant J,2010,61（5）:804-815.

[36] Lin R M,Zhao W S,Meng X B,et al.Rice gene OsNAC19 encodes a novel NAC-domain transcription factor and responds to infection by Magnaporthe grisea[J].Plant Sci,2007,172:120-130.

[37] Kaneda T,Fujiwara S,Takai R,et al.Identification of genes involved in induction of plant hypersensitive cell death[J].Plant Biotech,2007,24（2）:191-200.

Progress on Application of NAC Transcription Factors in Rice Stress Tolerance Genetic Engineering

DUAN Junzhi1,LI Ying2,ZHAO Mingzhong1,WEI Xiaochun1,REN Yinling1
（1Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China;2Editorial Department of Journal of Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;1st author:junzhi2004@163.com;#contributed equally author）

Rice often encounters drought,high salt,low temperature,pathogen stress,which influences the growth and yield of rice.NAC transpription factors are the plant-specific and one of the largest families,which play an important role in regulation of plant growth and a variety of abiotic and biotic stresses response.This paper systematically and comprehensively elaborated the structure,classification and chromosomal location of NAC transpription factors,reviewed the application of NAC transpription factors in plant drought,salt,cold and disease resistance,so as to provide some references for the utilization of NAC transcription factors and stress tolerance genetic improvement and breeding.

rice;NAC transpription factors;drought tolerance;salt tolerance;cold tolerance;disease resistance;genetic engineering

S511

A

1006-8082（2017）06-0037-07

2017－07－22

河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高層次人才科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（豫財(cái)教 [2013]232號(hào)2060503）；河南省重大科技專項(xiàng)（151100110400）