植物NAC转录因子的研究进展

邢国芳 ，张雁明 ，张魏斌 ，马新耀 ，韩渊怀

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学生物工程研究所，山西太谷030801）

NAC类转录因子是高等植物所特有的一类转录调控因子，其最初命名来源于矮牵牛NAM基因、拟南芥ATAF1/2和CUC1/2基因首字母的缩写，因为这些基因编码蛋白的N端均包含有一段保守的氨基酸序列与NAM蛋白高度同源，所以，将其称为NAC蛋白的结构域[1]。NAM基因是由Souer等[2]于1996年在矮牵牛中发现的，其突变体芽顶端分生组织发育异常，在幼苗期逐渐死亡。拟南芥中的2个基因ATAF1和ATAF2，编码的蛋白具有与NAM高度同源的N端保守结构域。CUC1和CUC2是Aida等于1997年在拟南芥中发现的，其突变体子叶为杯状，且顶端分生组织发育异常，缺少芽顶端分生组织[3]。随后在水稻、小麦、大豆、玉米等物种中相继发现了NAC转录因子[4-8]。目前，在拟南芥中发现了117个NAC家族成员，而水稻中则发现了151个[9]。研究表明，NAC转录因子在植物的生长发育、器官建成、激素调节和防御抵抗多种生物和非生物胁迫等方面发挥着重要作用。

1 NAC基因的结构特点及分类

NAC转录因子结构最主要的特点是N端含有约150个氨基酸残基组成的高度保守结构域，该区域是NAC转录因子的结合域；C端是转录激活功能区，具有高度的多样性，该端的共同特点是一些简单氨基酸重复出现的频率较高，同时富含丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷氨酸等。Ooka等[9]通过同源进化分析，将小麦、水稻、玉米和拟南芥的NAC基因分成了2类（Ⅰ和Ⅱ），其中，Ⅰ类包含 14 个 亚 类（TERN，ONAC022，SENU5，NAP，ATNAC3，ATAF，OsNAC3，NAC2，ANAC011，TIP，OsNAC8，OsNAC1，NAC1 和 NAM），Ⅱ类包含4 个 亚 类 （ANAC001，ONAC003，ONAC001 和ANAC063）；在NAC蛋白N端包含5个亚结构域（A，B，C，D，E），其中，亚结构域 B和 E 保守性不强，A，C，D高度保守，C和D序列中包含有核定位信号，可能参与NAC转录因子与特定的启动子元件的识别过程。最近，Nuruzzaman等[8]通过全基因组分析，对水稻中的151个和拟南芥中的117个NAC基因进行了比较，指出不同的类群可能具有不同的生物学功能，比如许多胁迫响应的基因被归在SNAC一类中。Nakashima等[10]进一步通过系统进化分析将这些响应非生物胁迫的NAC基因分成了6大功能类群：NAM/CUC3，SND，TIP，SNAC，ANAC034，ONAC4。

2 NAC转录因子的生物学功能

NAC蛋白是一类植物特异转录因子，它的表达受植物发育时期的影响，具有组织特异性。另外，NAC转录因子还可以对多种生物或非生物逆境做出响应，如病原体、真菌、干旱、低温和机械损伤等。最新报道，NAC转录因子还参与植物细胞次生壁的生物合成。

2.1 NAC转录因子在植物生长发育中的调节作用

据报道，许多NAC蛋白在植物的生长发育过程中具有重要的功能。如大多数矮牵牛的NAM基因发生突变都会导致植物发育异常，缺少芽顶端分生组织（Shoot Apical Meristem，SAM），并且会在幼苗期死亡，少部分存活下来的植株在成苗期花器官也会出现发育异常[2]。拟南芥cuc1 cuc2双突变体的子叶、萼片和雄蕊融合，难以形成顶端分生组织[1]。Kikuchi等[4]研究发现，水稻中的8个NAC基因均具有特异的组织表达模式，表明NAC基因在水稻的生长发育过程中起重要作用。Xie等[11]发现，拟南芥NAC1基因受生长素诱导并且参与生长素对侧根发育的调控，该转录因子可以激活2个生长素代谢途径的下游响应基因DBP和AIR3的表达，过量表达NAC1会促进侧根发育，而反义表达NAC1则抑制侧根发育。Guo等[12]发现，拟南芥NAC转录因子AtNAP与叶片的衰老有关，T-DNA插入失活AtNAP的2个突变体，叶片衰老延迟，野生型AtNAP基因和水稻、豌豆的同源基因能够恢复atnapnul1突变体的延迟缺陷；超量表达AtNAP基因则引起拟南芥早熟性衰老。

2.2 NAC转录因子对逆境胁迫的应答

NAC蛋白的另一重要功能是参与植物对生物和非生物胁迫的应答。如：第1个被克隆的NAC蛋白是拟南芥中的RD26，其参与拟南芥对水分胁迫的应答[13]。马铃薯StNAC基因参与植物对伤害和晚疫病的应答[14]；番茄的2个NAC转录因子（APR183和APR205）受番茄细菌性溃疡病菌诱导表达[15]；水稻NAC类转录因子SNAC1（stress-responsive NAC1）主要在气孔的保卫细胞中被诱导表达，干旱胁迫时促进气孔关闭，可以提高水稻的抗旱性[16]。拟南芥中的NAC类转录因子基因ATAF1，受干旱和ABA诱导表达，其突变体在干旱胁迫复水后恢复率是正常对照的7倍，且受干旱诱导的6个基因（RD17，ERD10，KIN1，RD22，COR78 和 LT178）的表达均提高，说明ATAF1作为负调控子通过调节渗透胁迫反应基因的表达在抗旱反应中起作用[17]。Tran等[18]采用酵母单杂交技术，从拟南芥中分离到3个不同的受干旱、高盐和ABA诱导的NAC基因（AtNAC019，AtNAC055和 AtNAC072），超量表达能显著增强转基因植株的抗旱能力。Delessert等[19]发现，拟南芥转录因子ATAF2参与叶片的损伤应答，能对植物激素甲基茉莉酮酸和水杨酸诱导反应作出应答。Hegedus等[20]在油菜叶片中发现了8个受机械损伤、甲虫噬啮和冷害处理诱导表达的NAC类转录因子。Oh等[21]从辣椒中分离到一种受病原菌、外源水杨酸和乙烯诱导的NAC类转录因子CaNAC1。由此可见，NAC转录因子在植物的多种抗逆信号途径中起着重要作用。

2.3 NAC基因参与植物细胞次生壁的生物合成

次生细胞壁为植物提供足够的强度和韧度来支持植物的重量以保证植物体内水分和营养的运输。NAC类转录因子在植物次生细胞壁的生物合成过程中起着重要的调控作用。目前，研究多集中在模式植物拟南芥上，如：Mitsuda等[22-23]发 现 ，NST1，NST2，NST3，VND6，VND7 等 NAC类转录因子与拟南芥次生壁加厚有关，NST1和NST2还参与花粉胚囊次生壁的形成[22]，NST1和NST3调控木质组织中次生壁的正常形成[23]。Zhong等[24-25]研究发现，NAC类转录因子SND1在茎杆维管束间纤维和木质纤维中特异表达，与拟南芥纤维次级壁的厚度有关，异位超量表达SND1基因，将使非厚壁的正常细胞大量沉积次级细胞壁而成为厚壁细胞。最近报道，水稻和玉米中与次生细胞壁合成有关的NAC转录因子OsSWNs和ZmSWNs能够互补拟南芥双突变体snd1 nst1在次生细胞壁加厚方面的缺陷[26]。Wang等[27]克隆了苜蓿中的NST1基因，其获得功能性突变体中维管素纤维不再木质化。NAC转录因子调控植物细胞次生壁形成，是通过复杂的代谢网络来实现的[28]。Zhong等[29]报道了拟南芥中NAC基因调控的细胞次生壁生物合成网络，发现 SND1，NST1，NST2，VND6，VND7 等 NAC 基因处在网络上游，不同程度地选择性调控下游基因MYB类蛋白因子的表达，最终激活次生壁的3种组分纤维素、木聚糖和木质素合成的相关基因，促进细胞次生壁的生物合成。

3 小结

NAC是植物特异的一类转录因子基因，拥有庞大的家族成员，不仅在高等植物中广泛存在，而且在苔藓植物中也有所发现。NAC转录因子拥有NAM功能域，在单、双子叶植物间存在保守性，具有相同蛋白结构域的基因可能会有相同或相似的生物学功能，因此，该结构域可以作为预测基因功能的主要依据。功能研究已经表明，NAC转录因子功能多样，涉及到植物的生长发育、逆境胁迫的应答，NST系列的NAC基因还在次生壁合成过程中扮演着重要的角色。然而，目前研究最多的是拟南芥和水稻等模式植物，在数量众多的NAC转录因子中，功能明确的还只是很小的一部分，特别是与次生壁合成有关的NAC基因及其调控途径的研究还有待进一步深入。相信随着功能基因组分析技术如RNAi，RNA-seq等的不断发展和应用，有关NAC转录因子的生物学功能和调控网络将会随之明晰。

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