MYB類轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控植物耐逆機(jī)制的研究進(jìn)展

楊晶婷，余 艷，高曉蓉，皮二旭

(杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 311121)

植物在其生長(zhǎng)過(guò)程中受到的生物或非生物脅迫會(huì)嚴(yán)重限制其品質(zhì)和產(chǎn)量.因此，植物逐漸進(jìn)化出一系列的調(diào)控機(jī)制以應(yīng)對(duì)上述逆境，這些應(yīng)答反應(yīng)往往通過(guò)調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)而產(chǎn)生.MYB轉(zhuǎn)錄因子作為植物中數(shù)量最多的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，在植物逆境脅迫應(yīng)答中發(fā)揮著重要的作用.高鹽、干旱、極端溫度、營(yíng)養(yǎng)缺乏、生物脅迫等逆境均可誘導(dǎo)MYB蛋白與其下游相關(guān)靶基因啟動(dòng)子區(qū)的順式元件特異性結(jié)合，激活或抑制靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而調(diào)控植物的抗逆性.

1 MYB類轉(zhuǎn)錄因子的分布

MYB類轉(zhuǎn)錄因子是真核生物中分布最廣泛的轉(zhuǎn)錄因子家族之一.ZmMYBC1是首個(gè)在植物中被鑒定的MYB類轉(zhuǎn)錄因子，其被證實(shí)與玉米花青素的生物合成密切相關(guān)[1].近年來(lái)，大量的MYB家族成員在植物中被發(fā)現(xiàn)，其中在香蕉、刺梨、大棗、毛竹、苜蓿中分別存在305、163、171、85、265個(gè)MYB轉(zhuǎn)錄因子[2-6].

2 MYB類轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征以及分類

MYB轉(zhuǎn)錄因子因其N端高度保守的MYB結(jié)構(gòu)域而著稱[7].該結(jié)構(gòu)域一般由1～4段串聯(lián)且不完全重復(fù)的子結(jié)構(gòu)(R1、R2、R3和R4) 組成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(helix-turn-helix, HTH)結(jié)構(gòu)[8].不同的子結(jié)構(gòu)發(fā)揮著各自的功能，R1僅與部分DNA大溝區(qū)域結(jié)合，識(shí)別序列的能力有限，R2是轉(zhuǎn)錄因子與DNA大溝結(jié)合的基礎(chǔ)，R3則具有識(shí)別靶基因的功能，而R4的功能尚不明確[9-10].MYB結(jié)構(gòu)域一般由50～53個(gè)氨基酸組成，包含由規(guī)則分布的三重色氨酸殘基組成的3個(gè)α-螺旋，其中第2、3個(gè)螺旋形成一個(gè)HTH結(jié)構(gòu)[7].在大部分MYB轉(zhuǎn)錄因子的C端，包含有一段富含酸性氨基酸的轉(zhuǎn)錄調(diào)控結(jié)構(gòu)域，通常折疊成兩親性α-螺旋，調(diào)控相關(guān)靶基因的表達(dá).

MYB轉(zhuǎn)錄因子家族根據(jù)其N端子結(jié)構(gòu)的數(shù)量不同分為4類：僅含1個(gè)重復(fù)子結(jié)構(gòu)的1R-MYB/MYB-related，含有2個(gè)重復(fù)子結(jié)構(gòu)的R2R3-MYB，含有3個(gè)重復(fù)子結(jié)構(gòu)的3R-MYB/R1R2R3-MYB，以及含有4個(gè)重復(fù)子結(jié)構(gòu)的4R-MYB[7].其中1R-MYB是一類端粒結(jié)合蛋白，主要調(diào)控染色體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與細(xì)胞形態(tài)的建成[11].R2R3-MYB蛋白是植物中分布最廣泛的一類MYB轉(zhuǎn)錄因子，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)過(guò)程發(fā)揮重要的作用，例如調(diào)控次生代謝物質(zhì)的生物合成、參與各種逆境脅迫響應(yīng)、響應(yīng)植物的激素應(yīng)答等[12].3R-MYB蛋白廣泛分布于動(dòng)物以及真菌細(xì)胞中，在植物細(xì)胞中的含量相對(duì)較少，主要參與細(xì)胞周期和細(xì)胞分化，同時(shí)也參與部分逆境脅迫響應(yīng)[13].4R-MYB目前僅在擬南芥、楊樹、葡萄中有少量的發(fā)現(xiàn)，但其功能尚不明確[14].

3 MYB對(duì)靶基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制

能夠被MYB類轉(zhuǎn)錄因子識(shí)別的順式作用元件稱為MBS (MYB-binding sites)，一般富含腺嘌呤和胞嘧啶殘基，如[(T/C)AAC(G/T)G(A/C/T)(A/C/T)]、[(C/T)NGTT(A/G)]、ACC(A/T)A(A/C)(T/C)、ACC(A/T)(A/C/T)(A/C/T)[8,15].

[(T/C)AAC(G/T)G(A/C/T)(A/C/T)] 序列在各種脅迫響應(yīng)基因的啟動(dòng)子中廣泛存在.Shukla等[16]發(fā)現(xiàn)SbMYB44可與許多脅迫應(yīng)答基因啟動(dòng)子上的TAACTG基序結(jié)合激活相關(guān)基因的表達(dá).Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，水稻脅迫響應(yīng)基因OsIMP的啟動(dòng)子區(qū)域有MYB結(jié)合位點(diǎn)TAACTG.Yang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，水稻OsMYB5P通過(guò)識(shí)別并結(jié)合下游靶基因OsPT5啟動(dòng)子上的CAACTG基序，可以調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá).Liu等[19]在桑樹中發(fā)現(xiàn)MYB3R1蛋白可通過(guò)與多酚氧化酶1基因 (MnPPO1) 啟動(dòng)子區(qū)域的CAACGG序列結(jié)合，促進(jìn)MnPPO1的表達(dá).

研究表明，MYB轉(zhuǎn)錄因子還可以與 [(C/T)NGTT(A/G)] 序列結(jié)合，參與調(diào)控某些次生代謝物質(zhì)的生物合成.Zhou等[20]發(fā)現(xiàn)苦蕎麥FtMYB11可直接與其靶基因啟動(dòng)子區(qū)域的AATAGTT序列結(jié)合，抑制苯丙烷類物質(zhì)的生物合成.Wei等[21]研究菊苣發(fā)現(xiàn)，CiMYB5和CiMYB3通過(guò)識(shí)別1-FEH啟動(dòng)子中的 [(C/T)NGTT(A/G)] 序列，正調(diào)控果聚糖降解.在葡萄中，VqMYB35可以與VqERF114互作，結(jié)合下游靶基因VqSTSs啟動(dòng)子上的核心序列CAGTTA，調(diào)控二苯乙烯的生物合成[22].柑橘CiMYB42可以與CiOSC啟動(dòng)子中的TTGTTG序列結(jié)合，促進(jìn)CiOSC的表達(dá)，正向調(diào)控類檸檬素的生物合成[23].

順式作用元件ACC(A/T)A(A/C)(T/C)與ACC(A/T)(A/C/T)(A/C/T)被稱為AC-box，其中ACC是核心識(shí)別基序[24].AC-box被發(fā)現(xiàn)與苯丙烷代謝途徑密切相關(guān).研究表明，PtMYB4和EgMYB2均可與AC-box結(jié)合來(lái)調(diào)控木質(zhì)素的生物合成[15].Guo 等[25]發(fā)現(xiàn)BplMYB46蛋白可以直接與下游靶基因啟動(dòng)子的ACCACCT基序結(jié)合，促進(jìn)木質(zhì)素沉積和次級(jí)細(xì)胞壁的生物合成.Jian等[26]研究發(fā)現(xiàn)SlMYB75能結(jié)合于靶基因啟動(dòng)子的ACCTACCC基序，有效誘導(dǎo)花青素在番茄各組織中的積累.

除此之外，一部分植物的MYB轉(zhuǎn)錄因子還可以與E-box (CANNTG)、I-box (GATAAG)等順式作用元件結(jié)合.例如，番茄LeMYBI可與I-box結(jié)合[27]，橡膠樹HbMYB17和HbMYB77能與GCC-box (GCCGCC) 結(jié)合[28]，白樺BplMYB46能與E-box (CANNTG)、TC-box [T(G/A)TCG(C/G)]和GT-box [A(G/T)T(A/C)GT(T/G)C]結(jié)合[29].

除了通過(guò)直接結(jié)合順式作用元件調(diào)控基因表達(dá)外，部分MYB轉(zhuǎn)錄因子還可以利用其R3子結(jié)構(gòu)內(nèi)的一個(gè)[D/E]Lx2[R/K]x3Lx6Lx3R基序與bHLH轉(zhuǎn)錄因子互作，共同調(diào)控下游靶基因的表達(dá)[30].另外，MYB、bHLH、WD40這3種轉(zhuǎn)錄因子還可以結(jié)合形成三元復(fù)合物MYB-bHLH-WD40 (MBW)，參與調(diào)控花青素的生物合成[31].

4 MYB參與植物耐逆境脅迫響應(yīng)

前人研究發(fā)現(xiàn)，MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物的多種逆境脅迫響應(yīng)中扮演著重要的角色.

1)參與鹽脅迫應(yīng)答.MYB轉(zhuǎn)錄因子主要通過(guò)參與植物的ABA信號(hào)通路、調(diào)控活性氧(ROS)平衡和提高滲透脅迫抗性來(lái)響應(yīng)植物的耐鹽脅迫.Fang等[32]研究發(fā)現(xiàn)，AtDIV2通過(guò)激活A(yù)BA信號(hào)通路從而負(fù)調(diào)控?cái)M南芥鹽脅迫響應(yīng).最近在蓖麻中發(fā)現(xiàn)的MYB轉(zhuǎn)錄因子——RSM1也被認(rèn)為其參與ABA信號(hào)介導(dǎo)的鹽脅迫響應(yīng)[33].Zhang等[34]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下，擬南芥AtMYB49可以激活下游過(guò)氧化物酶基因的表達(dá)來(lái)提高植株的耐鹽能力.Zhang等[35]研究發(fā)現(xiàn)，SlMYB102基因的過(guò)量表達(dá)有助于積累大量的活性氧清除酶，減緩ROS的生成速率，從而提高番茄對(duì)鹽脅迫的耐受性.Zhao等[36]研究發(fā)現(xiàn)棉花GhMYB73通過(guò)激活下游AtNHX1、AtSOS3和AtP5CS1等滲透脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)來(lái)響應(yīng)鹽脅迫.

2)參與低溫脅迫應(yīng)答.Wang等[37]研究發(fā)現(xiàn)在煙草中異源表達(dá)MdSIMYB1可以激活其下游冷脅迫應(yīng)答基因NtDREB1A、NtERD10B和NtERD10C的表達(dá)，增強(qiáng)植株對(duì)冷害的耐受能力.Lv等[38]發(fā)現(xiàn)OsMYB30轉(zhuǎn)錄因子在低溫應(yīng)激反應(yīng)中負(fù)調(diào)控下游低溫響應(yīng)基因的表達(dá).Xie等[39]發(fā)現(xiàn)蘋果MdMYB88和MdMYB124能正向調(diào)控抗凍和冷應(yīng)答基因的表達(dá).Wang等[40]還發(fā)現(xiàn)MdMYB108L可通過(guò)上調(diào)MdCBF3基因的表達(dá)增強(qiáng)蘋果的耐寒性.Li等[41]在研究玉米時(shí)發(fā)現(xiàn)，ZmMYB31通過(guò)正向調(diào)控CBF基因的表達(dá)，增強(qiáng)玉米對(duì)低溫的抗性. Meng等[42]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)表達(dá)玉米ZmMYB-IF35基因可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥對(duì)低溫和氧化脅迫的抗性.

3)參與干旱脅迫應(yīng)答.Lee等[43]發(fā)現(xiàn)，MYB94和MYB96可以促進(jìn)植物表皮蠟的生物合成，提高植物對(duì)干旱的耐受性.FtMYB9作為一種轉(zhuǎn)錄激活子，可激活不同的應(yīng)激響應(yīng)信號(hào)通路以提高苦蕎麥對(duì)干旱和鹽脅迫的耐受性[44].Huang等[45]還發(fā)現(xiàn)苦蕎麥中的FtMYB13可以響應(yīng)植物ABA和干旱脅迫反應(yīng).Alexander等[46]發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫的強(qiáng)烈誘導(dǎo)下，過(guò)表達(dá)HvMYB1的大麥植株表現(xiàn)出明顯的抗旱性.在干旱脅迫下，異源表達(dá)玉米ZmMYB3R基因的擬南芥植株存活率明顯提高，對(duì)ABA的敏感性增強(qiáng)，氣孔孔徑調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，過(guò)氧化氫酶 (CAT)、過(guò)氧化物酶 (POD) 和超氧化物歧化酶 (SOD) 活性都有所提高[47].楊樹PtrMYB94被發(fā)現(xiàn)其依賴ABA信號(hào)通路參與干旱脅迫響應(yīng)[48].

4)參與生物脅迫應(yīng)答.異源表達(dá)PacMYBA的轉(zhuǎn)基因擬南芥植株不僅耐鹽性增強(qiáng)，對(duì)假單胞菌的抗性也有所增強(qiáng)[49].Noman等[50]在辣椒中發(fā)現(xiàn)的一種MYB轉(zhuǎn)錄因子——CaPHL8，通過(guò)直接或間接激活下游相關(guān)基因的表達(dá)，從而激活對(duì)雷氏單胞菌(RSI)的防御.R2R3-MYB類蛋白SlTHM1和SlMYB52依賴生長(zhǎng)素信號(hào)通路負(fù)調(diào)控毛狀體的形成，從而提升番茄對(duì)蜘蛛螨的敏感性[51].

5)參與營(yíng)養(yǎng)缺乏脅迫應(yīng)答.將MdMYB58在擬南芥中異源表達(dá)，可以促進(jìn)鐵離子在植株根部的積累[52].Du等[53]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子MYB59通過(guò)調(diào)節(jié)擬南芥硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1.5 (NRT1.5)/硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白/肽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族7.3 (NPF7.3)的轉(zhuǎn)錄來(lái)響應(yīng)低鉀壓力.Fasani等[54]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MYB59在缺鈣時(shí)被誘導(dǎo)，負(fù)調(diào)控鈣穩(wěn)態(tài)和信號(hào)，從而影響植物生長(zhǎng)和應(yīng)激反應(yīng).

可見，MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物的逆境過(guò)程中起著十分重要的作用，在植物抗逆機(jī)理研究中具有重要的研究?jī)r(jià)值.

5 MYB調(diào)控類黃酮的合成參與植物耐逆境響應(yīng)

類黃酮在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中扮演著重要的角色.它具有改變植物的花色[55]、影響果實(shí)發(fā)育成熟[56]、調(diào)控種子休眠[57]等作用.另外，在提高植物耐逆境脅迫能力方面，類黃酮也發(fā)揮著重要的作用.近期發(fā)現(xiàn)在UV-B輻射[58]、機(jī)械損傷[59]、芽孢桿菌QV15以及炭疽病菌侵染[60]等逆境脅迫作用下，類黃酮的水平會(huì)有較大的波動(dòng).研究發(fā)現(xiàn)類黃酮提升植物耐逆能力的關(guān)鍵在于其具有較強(qiáng)的抗氧化能力.金魚草Delila基因在煙草中的過(guò)度表達(dá)，提高了花青素生物合成相關(guān)基因和抗氧化脅迫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平，從而增強(qiáng)植物對(duì)脅迫的耐受性[61].Yildiztugay等[62]研究發(fā)現(xiàn)，黃酮類化合物柚皮素可以通過(guò)調(diào)節(jié)光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的光化學(xué)效率和葉綠體的抗氧化代謝，提高菜豆對(duì)短期滲透壓脅迫和高鹽脅迫的抵御能力.

MYB轉(zhuǎn)錄因子家族可以通過(guò)調(diào)節(jié)類黃酮合成途徑中關(guān)鍵酶基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)類黃酮的代謝調(diào)控，最終提高植株耐逆境脅迫能力.蘋果的兩個(gè)R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子MdMYB88和MdMYB124，通過(guò)促進(jìn)花青素的積累和H2O2的清除，正向調(diào)控冷脅迫下蘋果的耐寒性和冷應(yīng)答基因的表達(dá)[39].Pi等[63]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫誘導(dǎo)GmMYB173蛋白的磷酸化，使其與GmCHS5啟動(dòng)子的親和力增加，促進(jìn)GmCHS5的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，此過(guò)程可能通過(guò)促進(jìn)二羥基B環(huán)類黃酮的積累，提高大豆的耐鹽性.Chen等[64]研究鹽脅迫發(fā)現(xiàn)，在煙草中NtMYB4作為鹽脅迫響應(yīng)抑制因子負(fù)調(diào)控NtCHS1的表達(dá)，導(dǎo)致鹽脅迫下煙葉中類黃酮積累減少，ROS清除能力減弱.

MYB轉(zhuǎn)錄因子還可以與bHLH轉(zhuǎn)錄因子相互作用，形成MYB-bHLH蛋白復(fù)合物，在調(diào)控植物類黃酮的合成代謝與耐逆脅迫方面發(fā)揮著重要的作用[65].機(jī)械損傷和茉莉酸甲酯(MeJA)處理可明顯誘導(dǎo)PdMYB118的表達(dá)，并且bHLH轉(zhuǎn)錄因子PdTT8可直接與PdMYB118互作，顯著增強(qiáng)PdMYB118對(duì)花青素生物合成基因(ABGs)的激活[66].An等[65]發(fā)現(xiàn)，MdMYB308L通過(guò)與MdbHLH33相互作用，對(duì)蘋果的耐寒性和花青素積累起到正向調(diào)控作用.

許多與耐逆脅迫相關(guān)的類黃酮在其生物合成的晚期通常由一個(gè)三元復(fù)合物MYB-bHLH-WD40 (MBW)調(diào)控[31].水楊酸類似物苯并噻唑預(yù)處理可以激活MBW復(fù)合物的表達(dá)，增加黃烷-3-醇的積累，進(jìn)而減少葉銹真菌的增殖[67].Hoseinzadeh等[68]推測(cè)MBW復(fù)合物通過(guò)調(diào)控花青素生物合成基因的表達(dá)，增強(qiáng)大豆對(duì)紅蜘蛛取食的耐受性.

6 展望

由于MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物忍受各種脅迫方面的重要作用，學(xué)者們對(duì)其進(jìn)行了較為全面的研究，掌握了其結(jié)構(gòu)、分類和靶基因的調(diào)控機(jī)制.然而，至少有一個(gè)有趣的問(wèn)題值得進(jìn)一步研究：MYB轉(zhuǎn)錄因子是否通過(guò)調(diào)控黃酮類化合物的合成來(lái)調(diào)控植物的抗逆性.

迄今為止，大量的文獻(xiàn)表明MYB轉(zhuǎn)錄因子參與植物對(duì)各種非生物脅迫，如低溫、干旱和高鹽的耐受性調(diào)控.同時(shí)，大量研究也已證實(shí)MYB轉(zhuǎn)錄因子在類黃酮化合物的合成中發(fā)揮重要作用.MYB轉(zhuǎn)錄因子尤其是R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子亞家族，可單獨(dú)調(diào)控相關(guān)下游基因的表達(dá)，也可以與bHLH蛋白或bHLH-WD40復(fù)合體形成二元或三元復(fù)合物調(diào)控類黃酮的生物合成，從而參與到植物抗逆境脅迫響應(yīng)中.這一發(fā)現(xiàn)將為后續(xù)探究植物耐逆境脅迫的研究提供新的思路.