植物TCP家族基因的研究進展

王景超

(山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東 濟南 250100)

TCP(Teosinte branched1/Cincinnata/Proliferating cell factor)基因是植物所特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，主要參與調(diào)控植物器官的的三維形態(tài)發(fā)育[1]。1999年，TCP基因家族被首次報道[2],當前已成為相關(guān)研究的熱點。TCP家族基因含有一個非典型的bHLH保守結(jié)構(gòu)域，也稱TCP結(jié)構(gòu)域，是根據(jù)最早發(fā)現(xiàn)的4個TCP蛋白而命名的，有玉米中的teosinte branched1(tb1)[3]，金魚草中的CYCLOIDEA(CYC)[4]，水稻中的PROLIFERRATING CELL FACTORS 1和2(PCF1 和 PCF2)[5]，主要參與DNA結(jié)合、蛋白互作和核定位等。不同植物中TCP成員間的序列分析表明，TCP家族基因可以分為2大類，Class I和Class II[6]。在多個植物物種中均有發(fā)現(xiàn)TCP基因家族，其在植物生長發(fā)育過程中的作用也逐漸明晰。這些TCP基因家族的發(fā)現(xiàn)強調(diào)了TCP基因在植物生長發(fā)育和對環(huán)境響應(yīng)調(diào)控中的重要作用。本文簡要分析了TCP基因家族的結(jié)構(gòu)特征和分類，并綜述了TCP轉(zhuǎn)錄因子的功能進展，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 植物TCP家族基因的結(jié)構(gòu)特征與分類

TCP(TEOSINTE BRANCHED1/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTORS)蛋白是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，參與胚胎發(fā)育、葉發(fā)育、花器官發(fā)育、分枝發(fā)育等諸多生物學過程。TCP蛋白具有高度保守的TCP結(jié)構(gòu)域，由60個氨基酸殘基組成的堿性區(qū)-螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)(bHLH結(jié)構(gòu)域)，是結(jié)合DNA和蛋白互作必需的[7]。

根據(jù)TCP結(jié)構(gòu)域內(nèi)部和外部特征，可將TCP基因家族成員分成2大類，Class I(又稱PCF或TCP-P)和Class II(又稱TCP-C)[6]。這2大類在TCP結(jié)構(gòu)域內(nèi)部有3處主要不同，堿性區(qū)域的殘基數(shù)(Class II在該區(qū)域有4個氨基酸插入)；環(huán)和螺旋的殘基組成；螺旋II的長度[6]。Class II這類蛋白可進一步細分為2個分支，CIN和ECE(CYC/TB1)[8]，并且CYC/TB1分支是被子植物特有的。在TCP結(jié)構(gòu)域外部，某些Class II成員具有一個未知功能的R結(jié)構(gòu)域，即18～20個氨基酸殘基組成的富含精氨酸(Asp)的結(jié)構(gòu)域，預(yù)測其會形成一個卷曲螺旋結(jié)構(gòu)，參與蛋白互作[9]。

2 植物TCP家族基因的生物學功能

最初的報道顯示，TCPs參與細胞增殖和增長等相關(guān)過程，此后又有許多研究揭示了不同家族成員的詳細作用，這些研究證實TCP蛋白參與多個植物生長發(fā)育過程及響應(yīng)環(huán)境變化過程，并以不同的機制來發(fā)揮作用。現(xiàn)有的研究結(jié)果主要集中在以下幾個方面。

2.1 參與植物生長發(fā)育

2.1.1 參與葉發(fā)育

Class II的TCP轉(zhuǎn)錄因子(CIN)主要參與調(diào)控植物葉片發(fā)育。金魚草中的CIN基因通過調(diào)控細胞增殖來控制葉片細胞的分裂分化過程，其突變體因葉緣基因過表達導致葉邊緣產(chǎn)生過度的細胞增殖，改變了葉片形狀[10]。擬南芥中的CIN分支有8個成員(AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4、AtTCP5、AtTCP10、AtTCP13、AtTCP17和AtTCP24)，成員之間參與調(diào)控葉邊緣細胞增殖的作用已被證實，且存在高度的功能冗余[11]。番茄中的CIN亞類基因LANCEOLATE(LA)參與復葉形成調(diào)控過程，其突變體的復葉葉緣處會產(chǎn)生持續(xù)生長的小葉[12]。

2.1.2 參與花發(fā)育

金魚草中的CYC分支基因CYCLOIDEA是第1個被鑒定出調(diào)控不對稱花發(fā)育的TCP基因[4]。從花原基背側(cè)發(fā)育早期至晚期均能檢測到CYCLOIDEA基因的表達，參與調(diào)控花原基發(fā)育的啟動和生長速率，以及花瓣和雄蕊細胞類型和大小等。DICHOTOMA基因與CYCLOIDEA基因協(xié)同發(fā)揮作用，兩者在功能上存在部分重疊，但對花發(fā)育的作用卻不同。DICHOTOMA單突變只影響背部花瓣的形狀，CYCLOIDEA單突變會產(chǎn)生半輻射狀的花，而DICHOTOMA與CYCLOIDEA的雙突變體則表現(xiàn)出輻射對稱花的特征，使金魚草花的背部、側(cè)面以及腹部特征消失[4]。擬南芥中的AtTCP1基因(CYC同系物)在花分生組織背部發(fā)育早期瞬時表達，但其表達量不足以產(chǎn)生不對稱花。但在擬南芥中過表達該基因，會使細胞體積增大，導致花瓣變大[13]。屈曲花中的IaTCP1基因(CYC同系物)在2個較小的近軸花瓣中表達較高，而在較大的遠軸花瓣中表達較低[14]。水稻中的RETARDED PALEA1(REP1)基因(CYC類似基因)參與花的對稱性調(diào)控過程，側(cè)面說明調(diào)節(jié)雙子葉植物和單子葉植物花不對稱的機理相同[15]。豆科模式植物百脈根的LjCYC1和LjCYC3基因影響花分生組織的生長發(fā)育[16]，豌豆中的CYC類TCP基因也被證明影響背腹軸向不同類型花瓣的發(fā)育[17]。

2.1.3 參與分枝發(fā)育

TCP家族第1個被發(fā)現(xiàn)的成員是玉米中的TB1基因，參與分枝發(fā)育調(diào)控[3]。玉米TB1基因在腋生分生組織和穗原基的雄蕊中表達，抑制腋芽在較低節(jié)間的生長發(fā)育，而促進雄花序在上部節(jié)間的發(fā)育。TB1突變體玉米植株的頂端優(yōu)勢明顯下降，側(cè)枝增多且生長加快，雌性花序發(fā)育缺陷，這表明TB1基因在抑制玉米側(cè)枝生長、發(fā)育和雄花序發(fā)育過程中均發(fā)揮重要作用。水稻中的OsTB1基因與玉米TB1基因功能一樣，負調(diào)控水稻側(cè)枝的發(fā)育[18]。OsTB1基因在整個頂端、側(cè)芽分生組織基部以及維管組織、節(jié)的表層細胞中都有表達。在水稻中過表達OsTB1基因顯著減少分蘗總數(shù)，而在OsTB1基因缺失突變體中，水稻的分蘗總數(shù)顯著增多。擬南芥中的AtTCP18基因(玉米和水稻TB1基因的同源基因)在側(cè)芽發(fā)育過程中表達，其功能缺失突變體具有更強的分枝能力，參與分枝發(fā)育調(diào)控過程[19]。在矮牽牛、豌豆和番茄等植物中，TB1基因的同源基因均被證實參與分枝發(fā)育調(diào)控[20-22]。

2.1.4 參與配子體發(fā)育

Class I和Class II的TCP基因參與調(diào)控諸多生長發(fā)育過程，但只有少數(shù)報道提及其在配子體發(fā)育過程中的功能。擬南芥中的AtTCP4基因(Class II的TCP基因)參與早期胚胎發(fā)育，其表達的改變會引起生殖紊亂，造成種子不育，其功能增強型植株不能產(chǎn)生正常種子，但花粉成熟等過程未受影響[23]。AtTCP16基因(Class I的TCP基因)在花粉發(fā)育早期發(fā)揮重要作用，主要在單細胞和雙細胞階段的小孢子中表達，參與雄性配子發(fā)育，其RNA干擾植株在早期出現(xiàn)花粉敗育情況[24]。AtTCP11基因(Class I的TCP基因)也參與花粉發(fā)育過程，其過表達植株出現(xiàn)發(fā)育異常的花粉粒[25]。

2.1.5 參與晝夜節(jié)律

生物鐘影響植物生長發(fā)育的多個方面，是由許多呈節(jié)律表達的正調(diào)控因子和負調(diào)控因子組成的連鎖自調(diào)回路。生物鐘調(diào)控環(huán)路的核心部分由TOC1/PRR1、CCA1和LHY基因組成，并受光照、溫度等環(huán)境條件影響[26]。擬南芥中的AtTCP21基因(Class I的TCP基因)編碼的蛋白可直接結(jié)合到CCA1的啟動子區(qū)域，抑制CCA1基因的表達；而CCA1蛋白亦能結(jié)合到AtTCP21基因的啟動子區(qū)抑制其表達，以達到生物鐘調(diào)控環(huán)路的負反饋調(diào)節(jié)[27]。此外，擬南芥中的AtTCP2、AtTCP3、AtTCP11和AtTCP15等多個基因也被證實可與生物鐘信號通路中的不同調(diào)控蛋白產(chǎn)生互作[28]。

2.2 參與脅迫反應(yīng)

2.2.1 參與生物脅迫

TCP基因在植物免疫中也起顯著作用。擬南芥中的AtTCP14、AtTCP15、AtTCP19、AtTCP21(Class I的TCP基因)和AtTCP13(CIN分支基因)作為病原體的效應(yīng)目標，參與植物防御進程[29]。AtTCP8、AtTCP14和AtTCP15蛋白通過與NPR1互作，可以增強植株對丁香假單胞菌的抵抗力。AtTCP15蛋白通過和MOC1蛋白互作，調(diào)控免疫受體基因SNC1的表達，參與植物免疫應(yīng)答；AtTCP15蛋白還可能通過和核激酶ZRK互作，調(diào)控植物溫敏性免疫。在植物免疫過程中，特異性的偽應(yīng)答調(diào)控因子PRR2可促進SA的積累，而AtTCP19和AtTCP20蛋白通過與PRR2互作，可參與植物免疫應(yīng)答。此外，水稻中的OsTCP21參與病原體防御，過表達OsTCP21基因可明顯提高轉(zhuǎn)基因植株對水稻RRSV病毒的抵抗力[30]；番茄中的TCP14-2基因也參與病原體防御，過表達TCP14-2基因的轉(zhuǎn)基因植株對Phytophthora capsici病菌的抵抗力明顯增強[31]。

2.2.2 參與非生物脅迫

TCP基因在植物逆境脅迫中的功能研究不多且起步較晚。在水稻中過表達OsTCP19基因可誘導ABA、JA、ET、IAA和CK等多個信號通路典型基因的表達，能降低水分損失、減少脂肪滴和氧離子的積累，從而提高轉(zhuǎn)基因植株對高鹽處理和甘露醇處理的耐受力[32]。在擬南芥的AtTCP15蛋白結(jié)構(gòu)中，TCP保守結(jié)構(gòu)域中的半胱氨酸(Cys-20)在氧化脅迫條件下會被氧化，抑制其轉(zhuǎn)錄，暗示TCP蛋白和ROS介導的信號轉(zhuǎn)導過程有關(guān)[33]。擬南芥在氮饑餓脅迫處理下，AtTCP20與轉(zhuǎn)錄因子AtNLP6/7會形成異二聚體，激活氮同化相關(guān)基因表達，提高植株氮同化能力[34]。

3 展望

植物TCP基因是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，廣泛存在于多種植物中，參與生長發(fā)育和脅迫響應(yīng)等多個過程。近年來，有許多研究揭示了部分TCPs家族成員的功能與分子機制，但仍有大量TCP基因的功能未知。單突變體的研究證實TCP家族成員之間存在功能冗余現(xiàn)象，增加了對其功能開展研究的難度。為了更加清楚地了解TCP基因家族的功能，需要通過基因突變、RNAi干擾、基因編輯等基因工程技術(shù)手段獲得更多TCP基因的功能缺失或功能獲得型突變體；通過染色質(zhì)免疫沉淀、EMSA等DNA元件結(jié)合試驗篩選更多的TCP蛋白結(jié)合的具體靶基因；通過酵母雙雜交、GST-pull down、免疫共沉淀等蛋白互作篩選手段挖掘更多與TCP互作的蛋白，進而系統(tǒng)研究TCP基因家族中各個成員的功能及其在不同信號途徑中的調(diào)控機制。