MYB转录因子在植物木质素合成中的调控机理

MYB转录因子在植物木质素合成中的调控机理

转录因子在转录水平上调控目的基因表达是植物对其生长发育及生理代谢调控的一种重要方式。MYB转录因子是最大的植物转录因子家族成员之一，参与了细胞分化、细胞周期的调节，激素和环境因子应答，并对植物次生代谢以及叶片等器官形态建成具有重要的调节作用。最近的研究表明，MYB类转录因子参与了植物木质素合成过程的调控，对植物木质素含量以及结构都起到了重要作用。本文对MYB类转录因子的结构特征和生物学功能进行了综述，并重点介绍了MYB转录因子在植物木质素合成中的调控作用，以期为MYB转录因子的研究和利用提供参考。

木质素是一种酚类多聚体，是维管植物细胞壁的重要组成成分，具有机械支持、水分运输和抵抗病菌侵袭等重要生物学功能。然而，木质素的存在又是影响植物加工利用的主要限制因子。因此，通过基因工程等技术适当地降低木质素含量或改变木质素的组成成分，将有利于更好地利用资源植物。传统的基因工程方法主要通过调节代谢途径中的关键酶或限速酶来控制相关性状，但是鉴定限速步骤不是一件容易的事情，而且代谢途径中终产物的积累或减少也往往不是由单个酶或一两个酶的活性决定的。因此，可以将目光转移到转录调控方面来改变代谢通路流量，而不是通路中的基因本身。

转录因子也称反式作用因子，是指能够与基因启动子区域中顺式作用元件发生特异性相互作用的DNA结合蛋白，通过它们之间以及与其他相关蛋白之间的相互作用激活或抑制某些基因的转录[1]。转录因子通常由几个独立的功能域组成，包括DNA结合功能域、转录调控区(激活或抑制)、信号分子结合域和核定位信号区等。根据DNA结合功能域的结构，转录因子可以分为bHLH(碱性螺旋－环－螺旋)蛋白、bZIP(碱性亮氨酸拉链)蛋白、Homeodomain 蛋白、MADS-box 蛋白、Zinc-finger(锌指蛋白)、MYB蛋白、Ap2/EREBP蛋白、HSF蛋白、HMG蛋白和AT hook蛋白等多个不同家族[2]。这些转录因子对植物发育、代谢和进化都具有重要作用。

1 MYB转录因子的结构与功能

1.1 MYB转录因子的结构 MYB类转录因子以其结构上都有一段保守的DNA结合区—MYB结构域而得名。以c-MYB 因子为代表，该类转录因子由3个保守的功能域组成(图1)：一个DNA结合结构域(DNA binding domain,DBD)、一个转录激活结构域(transactivation domain, TAD)以及一个不完全界定的负调节区(negative regulatory domain, NRD)(Frampton, 2004)。DBD最为保守，一般包含1～3个不完全重复序列(R)，每个重复片段R由51～52个保守的氨基酸残基和间隔序列组成，每隔约18个氨基酸规则间隔1个色氨酸残基。这些氨基酸残基使Myb结构域折叠成螺旋-转角-螺旋(Helix-Turn-Helix，HTH)结构(图2)[3]。色氨酸起着疏水核心的作用，对维持HTH的构型有着特别重要的意义。有时色氨酸残基会被芳香族氨基酸或疏水氨基酸所取代，尤其是R3结构域的第一个色氨酸常被亮氨酸、异亮氨酸或苯丙氨酸所取代[4]。重复片段R的个数，可以把Myb类转录因子分为单一Myb结构域蛋白(R1/R2)，2R蛋白(R2R3)和3R蛋白(R1R2R3)。Ogata等[5]认为，R2和R3是Myb因子识别DNA序列所必需的，其中的R3亚基上的C端的螺旋能与顺式作用元件中的核心序列特异结合。

图1 c-Myb和AMV v-Myb功能域结构示意图[3]

图2 c-MYB 蛋白的R1、R2和R3亚基[3]

1.2 MYB转录因子的生物学功能 自Paz-Ares等[6]从单子叶植物玉米中克隆出与色素合成相关的ZmMYBC1基因以来，大量Myb类基因从各种植物中得以分离鉴定。其中在拟南芥中已发现超过198个Myb家族基因[7]，玉米有超过80个Myb 转录因子[8]。功能研究表明，Myb参与了植物次生代谢，激素和环境因子应答，并对细胞分化、细胞周期以及叶片等器官形态建成具有重要的调节作用。Legay等[9]发现，EgMYB1转录因子特异结合木质素合成过程中两个重要基因EgCCR和EgCAD2的启动子区，从而控制木质素的合成。拟南芥中的AtMYB2基因是第一个被发现受ABA诱导的R2R3Myb基因[10]，AtMYB2蛋白与bHLH类蛋白RdBP1相互作用，共同协同调节Rd22基因的表达。拟南芥超表达CpMYB10基因能增加对干旱和盐胁迫的抗性[11]。

2 木质素的合成途径

2.1 木质素单体种类及结构 木质素由木质素单体(Monolignol)聚合而成(图3)，包括愈创木基木质素(G)、紫丁香基木质素(S)和对-羟基苯基木质素(H)。主要单体有二种：香豆醇(Coumaryl alcohol) ，松柏醇(Coniferyl alcohol)和芥子醇(Sinapyl alcohol)(Rubin，2008)。

图3 木质素单体类型 [12]

2.2 木质素单体生物合成途径 目前，广泛认同木质素生物合成途径大致分3个步骤(图4)：首先是莽草酸途径，即植物光合作用后的同化产物到芳香氨基苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等的合成过程；其次是苯丙酮酸途径，即从苯丙氨酸到羟基肉桂酸及其辅酶A酯类；最后是木质素合成的特异途径，即羟基肉桂酰辅酶A酯类到合成木质素单体及其聚合物的过程[13]。木质素的生物合成过程由苯丙氨酸起始，经过一系列羟基化、甲基化、连接和还原反应生成木质素单体，单体进一步氧化聚合生成相应的木质素。在植物体内，这些木质素通过多种键型连接在一起形成复杂的木质素聚合体，执行相应的生物学功能[14]。目前，对木质素的遗传调控研究重点大多集中于苯丙烷途径和木质素合成特异途径两个阶段。

图4 木质素单体合成代谢途径[13]

3 MYB在木质素合成调控中的作用

3.1 MYB转录激活子的作用 迄今为止，大部分与木质素合成相关的转录激活子都来自于MYB转录因子家族。木质素合成MYB转录激活子可分为2类，一类为非特异性转录激活子，另一类为特异性转录激活子。拟南芥的AtMYB46和AtMYB83为非特异性合成激活子，他们不仅可以调控木质素的合成，还参与了整个次生细胞壁(包括纤维素和半纤维素)的合成[15-16]。松树的PtMYB1、PtMYB4 和 PtMYB8，桉树的EgMYB2以及杨树的PtrMYB3和PtrMYB20都属于MYB非特异性合成激活子。拟南芥的AtMYB85、AtMYB58和AtMYB63是最先被鉴定的木质素合成特异性合成激活子[17]，此类激活子可以特异性地调控木质素的合成(图5)。Zhou[18]等研究表明，AtMYB58和AtMYB63过表达时，植物细胞壁的木质素含量显著增加，而其他细胞壁成分没有变化。

图5 次生细胞壁网络调控模式图[13]

3.2 MYB转录抑止子的作用 一些MYB转录因子被鉴定为转录抑止子。当在烟草中过表达金鱼草的AmMYB308和AmMYB330时，转基因植株的木质素含量降低，木质素合成途径中的4CL、C4H和CAD的表达量都显著下调[19]。当在拟南芥中过表达AtMYB4时，其转化植株木质素合成途径中的4CL、C4H和CAD的表达量也都显著下调。然而，AtMYB4在烟草中被过表达时，仅仅4CL和C4H在转化植株中被抑止，可见MYB转录抑止子在不同植株中的调控机制是不一样的[20]。当然，不同的MYB转录抑止子在相同物种中的调控机制也是不一样的。AtMYB4通过改变COMT酶，来实现对木质素合成的调控[21]。

4 结语

木质素是阻碍植物资源高效利用的主要影响因子，因此研究如何改良和调控植物木质素的合成和表达具有重要意义。目前，木质素生物合成途径中相关酶基因基本上都被分离克隆，有的已经通过转基因技术对其进行表达调控，利用转基因植株已分析其对木质素含量、组成及主要结构的影响，但是关于调控木质素生物合成途径中酶基因表达的基因知之甚少，而这些未知的基因可以为调节木质素生物合成提供其它新的思路和方法。虽然MYB转录因子的功能和作用机理还未完全研究清楚，但是其与木质素合成紧密相关，分离鉴定的直接控制木质素合成的MYB转录因子，将为应用生物技术手段解决相关育种问题开辟了崭新的思路。

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S818.9

A

1007-1733(2013)11-0069-03

*通讯作者

2013–08–10）