拟南芥中WRKY家族基因功能的研究进展

钱金鑫　齐学军　解莉楠等

摘要 在植物体中转录因子通过与顺式作用元件相结合对功能基因进行转录调控，完成复杂的生命活动。文中综述了WRKY转录因子的特点及分类，以及拟南芥对环境胁迫进行应答过程中WRKY转录因子发挥功能的机制，为WRKY家族基因功能的进一步开发利用提供依据。

关键词 拟南芥；WRKY；转录因子；胁迫；应答

中图分类号 S188 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）05-01295-03

Abstract Transcription factors regulate transcriptional level of functional genes by binding to cisacting element.This process makes plant complete life activities.The types and characters of WRKY transcription factors and functional mechanism of process in which WRKY participate in responding to environmental stress were reviewed，so as to provide a basis for further development and utilization of WRKY family gene function.

Key words Arabidopsis thaliana； WRKY； Transcription factors； Stress； Response

在自然界中，由于植物不能移動，所以会频繁的遭受各种生物及非生物环境因素的影响，如：病原菌、水分缺失、盐分过多和极限温度等。在植物的生命周期过程中，通常有多种胁迫因素作用于植物，限制植物的生长、发育，甚至决定植物的物种分布。

在胁迫条件下，植物对环境压力所作出响应同时完成各种生命活动。植物在多个层面进化形成复杂的机制，以增加其对不利环境条件的耐受性。在细胞水平上，气孔的关闭可以抑制植物的呼吸作用，帮助植物在缺水的条件下存活；在分子水平上，胁迫应答和耐受基因的诱导表达也有助于植物适应不利的环境条件。植物判断环境胁迫因子后进行信号转导，通过相关基因转录水平的调节增加其胁迫耐受性。胁迫耐受相关基因的响应主要发生在转录水平上，其表达和修饰是植物对胁迫应答的重要部分。研究表明，植物基因组中有部分基因参与对环境变化的信号转导或胁迫耐受相关基因的转录调控，转录因子是参与此类调控的重要基因之一。转录因子是一类能直接结合或间接作用于基因启动子区域的蛋白，对基因的转录具有激活或抑制作用[1]。转录因子结合在各类顺式作用元件上，参与调控靶基因转录效率，从而使植物对环境变化做出相应的反应。WRKY转录因子是植物中一类重要的转录调控因子，1994年由2位日本科学家从甜薯中首次克隆出来[2]。随后研究人员从其他模式植物中克隆出大量WRKY转录因子。笔者对WRKY转录因子的特点及分类，以及拟南芥对环境胁迫进行应答过程中WRKY转录因子发挥功能的机制进行综述，现报道如下。

1 WRKY转录因子的特点及分类

WRKY家族蛋白具有由60个氨基酸组成的保守域。其中N末端含有7个绝对保守的标志性氨基酸残基WRKYGQK，在C端含有一个特殊的锌指结构。大部分的WRKY转录因子对同源的顺式作用元件优先结合，对结合位点的选择部分决定于邻近TTGACY核心序列的DNA序列。根据WRKY结构域和锌指结构特点，WRKY家族蛋白可以被分成3类，家族I有2个WRKY域；家族II包含1个WRKY域，并包含相同的Cys2-His2锌指结构序列；家族III具有1个WRKY域，并包含着2种不同的锌指结构序列，即Cys2-His/Cys和Cys2-His2[3]。根据WRKY域外附加的保守结构序列，WRKY家族蛋白II可以被进一步分成亚族a-e。由于II族基因是异源的，所以根据进化树分析把WRKY转录因子分成I族、IIa+IIb族、IId+IIe族和III族。除高度保守的WRKY域和Cys2-His2或Cys2-His/Cys锌指序列外，WRKY蛋白还包含核定位序列NLS、亮氨酸链LZs、富含丝氨酸和苏氨酸的区域、谷氨酰胺域、富含脯氨酸区域和激酶区域等结构。亚细胞定位显示，WRKY蛋白质位于细胞核，通过与其他转录因子相互作用形成多聚体而调控靶基因的表达，在基因表达模式调控方面起着重要作用[4]。

2 拟南芥WRKY蛋白家族

WRKY家族蛋白是高等植物中重要的转录因子家族，大部分成员含有保守的WRKYGQK序列，并且存在于整个绿色植物的进化过程中。在拟南芥中WRKY基因确定为74个，大米中有大于100个WRKY基因，在大豆中有197个，木瓜中有66个，白杨中有104个，高粱中有68个，小立碗藓38个，江南卷柏35个，松属80个，大麦中大于45个[5-10]。随着模式植物拟南芥全基因组序列测定完成，利用WRKY蛋白质高度保守的氨基酸序列WRKYGQK搜索拟南芥基因组编码序列，结果显示拟南芥具有74个WRKY基因。根据氨基酸序列比较分析，可以将拟南芥WRKY蛋白质家族划分为3类。第1类具有2个典型的WRKY结构域和Cys2His2锌指型结构；第2类具有典型的WRKY结构域和Cys2His2锌指型结构；第3类具有典型的WRKY结构域和Cys2His/Cys锌指型结构。通过矩阵分析方法所构建的拟南芥WRKY蛋白质家族系统发生树表明，拟南芥第1类和第3类的WRKY蛋白质分别独立聚集成1簇，即I簇和III簇；第2类的WRKY蛋白质被划分为2a～2e等5簇，或者IIa～IIg等7族，或者2a和2b、2c和2d、2e等3族。在拟南芥WRKY蛋白家族中，除了大部分的WRKY蛋白质具有典型的WRKYGQK序列外，有3个蛋白质的WRKY结构域（AtWRKY50、AtWRKY51和AtWRKY59）氨基酸序列不同于典型的结构域序列，即WRKYGKK[11-12]。

3 拟南芥WRKY在生物胁迫应答方面的功能研究

研究表明，WRKY超家族参与植物的多种生理学过程，包括代谢调控、形态建成、种子萌发、发育和衰老调控等[13]。多种生物和非生物胁迫因子在不同程度上诱导拟南芥WRKY基因的表达，说明WRKY蛋白在拟南芥防卫反应中起着重要的作用。此外，部分WRKY基因表达水平的改变影响拟南芥植株整个生命周期活动。具有不同生物学功能的家族蛋白基因表达也具有多种模式。WRKY基因具有诱导型表达模式，当植物体受到不同环境条件的诱导后会大量的表达，而且具有快速、瞬时和组织特异性的特点。在各种环境压力中，生物胁迫主要包括植食性昆虫的取食和病原菌的侵染等。病原菌的入侵或植食性昆虫的取食會迅速激活水杨酸（salicylic acid，SA）、茉莉酸（jasmonic acid，IA）和乙烯（ethylene，ET）等信号转导途径，导致植物基因转录水平发生变化，并引起蛋白的修饰发生改变。拟南芥的AtWRKY38、AtWRKY62、AtWRKY11和AtWRKY17都是对病原体抗性的负调控因子，插入突变沉默这些基因后使拟南芥对病原菌的抗性增强。过表达AtWRKY38和AtWRKY62后，病原菌对拟南芥的损害增强[14-16]。WRKY转录调控因子参与了促细胞分裂素激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信号转导途径，这个过程是受保护反应诱导发生的。比如，拟南芥的AtWRKY22和AtWRKY29蛋白质是MAPK介导植物抵抗病原菌侵染信号转导途径的重要组分，瞬间表达AtWRKY29基因的转基因植株叶片对病原菌侵染具有很强的抗性[17]。植物抗病信号转导途径中几丁质（chitin）是重要介质，正向调控拟南芥的2个MAPK基因（AtMPK3和AtMPK6）和活性酶基因的表达水平；还有4个WRKY家族基因（AtWRKY22、AtWRKY29、AtWRKY33和AtWRKY53）的表达水平也受几丁质的正调节[18]。

4 拟南芥WRKY在非生物胁迫应答方面的功能研究

WRKY转录因子除了在生物胁迫应答方面，在非生物胁迫应答方面也具有重要的功能。非生物胁迫包括冻害、干旱和盐害等。在极端环境下，植物针对非生物逆境的胁迫进化出非常复杂的调控网络，使植物的生理生化过程发生改变来得到存活机会。在此调控网络之中WRKY基因家族发挥重要作用。利用基因芯片技术和Northern印迹技术对模式生物水稻、拟南芥的研究发现，水稻和拟南芥的WRKY基因受到极限温度和干旱等非生物胁迫因子的诱导表达，从而说明WRKY转录因子在调控植物逆境胁迫应答过程中发挥功能。在水稻中，Northern 杂交分析表明10/13的OsWRKY基因对NaCl、聚乙二醇（PEG）和冷或热处理产生应答[19]。通过对处理的拟南芥根的微阵列分析表明，在拟南芥中有18个AtWRKY基因被浓度150 mmol/L的NaCl诱导[20]。在缺磷的诱导处理中，AtWRKY6和AtWRKY75的转录水平都是增强的[21-22]。拟南芥中的7个基因（AtWRKY40、AtWRKY33、AtWRKY53、AtWRKY22、AtWRKY11、AtWRKY15和AtWRKY60）受到伤害诱导的表达[23-25]。2个紧密相关的拟南芥WRKY转录因子AtWRKY25和AtWRKY33同时应答热和盐胁迫。AtWRKY33的无效突变体和AtWRKY25/AtWRKY33双重突变体对NaCl的敏感性增强，过表达AtWRKY25或AtWRKY33都会导致对NaCl的耐受性增强[26-28]。这些结果表明，各种WRKY蛋白在不同的非生物胁迫面前表现出功能多样性。植物遭受到各种非生物因素影响时，WRKY基因可以在不同的非生物胁迫下可以参与到调控信号处理和转录的重新编程。

脱落酸（abscisic acid，ABA）是一种应激激素，在植物对非生物胁迫应答方面起到重要的作用。WRKY蛋白在ABA信号转导方面起到催化剂或者抑制剂的作用。AtWRKY2可以被NaCl和甘露醇诱导[29]。通过T-DNA插入突变体试验表明，AtWRKY2负调控由ABA参与的种子发芽抑制和发芽后生长过程。对AtWRKY63的T-DNA插入突变体分析表明，AtWRKY63在应答ABA和干旱胁迫方面具有十分重要的作用[30]。AtWRKY18、AtWRKY40和AtWRKY60参与ABA信号传导，在种子萌发期和发芽后生长期的功能也是作为负调控因子。遗传学试验分析表明，AtWRKY40作为主要的负调控因子通过结合启动子上游的W-BOX序列负调控与ABA相关的响应基因，如：AtABF4、AtABI4、AtABI5、AtDREB1A、AtMYB2和AtRAB18。高浓度ABA促使AtWRKY40的核质转移，进一步加速ABAR-WRKY40的互作。随后ABA下游响应基因进行转录翻译并参与应答过程[31]。研究通过使用正反遗传学试验分析表明，ATWRKY18和ATWRKY60在种子萌发抑制和根的生长过程中具有正调控作用，这些过程和植株对ABA敏感性相关。它们也会增强植物对盐和渗透压胁迫的应答。植物在发芽和生长过程中对ABA和非生物胁迫进行响应时，AtWRKY40与AtWRKYA18和AtWRKY60起拮抗作用。在种子发芽及发育阶段，AtWRKY40负调控ABA响应，AtWRKY18和AtWRKY60正调控ABA响应，且AtWRKY18和AtWRKY40能够被快速的诱导，而AtWRKY60较慢。同时研究人员还发现AtWRKY40和AtWRKY18能够识别AtWRKY60启动子从而调节AtWRKY60表达[32]。这些结果表明，WRKY蛋白在ABA信号传导方面起到关键的作用。

温度超过有机体的忍受范围是重要的胁迫因素。研究表明，WRKY蛋白参与对热和冷胁迫应答。在AtMBF1c过表达的植株中，AtWRKY18、AtWRKY33、AtWRKY40和AtWRKY46的表达量提高，这些植株与野生型植株相比具有较强的耐热性[33]。hsf1a/hsf1b双突变体的微阵列分析显示，AtWRKY中有9个基因被热胁迫诱导。在这9个基因中，AtWRKY7是依赖 hsfA1a/1b的热胁迫基因[34]。最近的研究表明，AtWRKY25、AtWRKY26和AtWRKY33 3个家族I的WRKY蛋白参与到对热胁迫的调节作用。在较高温度下处理拟南芥植株后，AtWRKY25和AtWRKY26受正调控表达，AtWRKY33受负调控表达。这3个基因的突变体植株对热胁迫更敏感，表现出发芽减少及存活率降低的现象。受热胁迫诱导的AtWRKY39同时调节水杨酸和茉莉酸信号通路，从而共同调节对热胁迫的应答[35]。与AtWRKY25、AtWRKY26、AtWRKY33和AtWRKY39相比，AtWRKY34是花粉独有的的冷胁迫应答蛋白。启动子GUS分析表明，AtWRKY34在花粉中特异性表达，并且在低温处理下表达量增强。与野生型相比，AtWRKY34转基因植株的花粉在低温胁迫下有较强的抵抗力[36]。

各種营养元素对于植物正常的生长发育是必需的，所以缺少任何一种必须的营养元素都会对植物的外观形态或者植物本身对外界环境的适应性产生明显的影响。研究表明，WRKY转录因子可以参与对营养元素缺失的应答。AtWRKY75基因在WRKY家族中首先被研究参与调节磷酸盐饥饿过程。AtWRKY75在植物处于磷缺失时被强烈的诱导表达，对AtWRKY75基因表达的抑制会使植株对磷酸盐缺失表现敏感[37]。AtWRKY6也参与植物对磷饥饿胁迫应答中，是通过负调控拟南芥磷酸盐转运相关的PHOSPHATE1基因实现。与野生型植株相比，过量表达的AtWRKY6转基因植株表现出与AtPHO1突变体植株非常相似的表型，两者对磷胁迫变得更加敏感同时嫩枝中磷的积累是非常低。通过染色质的免疫共沉淀分析表明，AtWRKY6通过直接结合AtPHO1启动子上游的2个W-box进行负调控，说明AtWRKY6通过调节PHO1基因的表达来应对磷酸盐饥饿的胁迫[14]。AtWRKY6还参与到对硼元素缺失的应答。但是与磷胁迫相反，AtWRKY6作为正调控因子参与低硼的胁迫应答[15]。AtWRKY42与AtWRKY6形成二聚体并直接结合AtPHO1启动子的Wbox来抑制其表达，从而参与对磷酸盐饥饿胁迫的应答。AtWRKY45和AtWRKY65参与碳元素饥饿的应答[16]。WRKY蛋白除参与上述非生物胁迫应答外，同样也参与其他的非生物胁迫应答，比如：伤害和UV辐射等。在拟南芥中有3个WRKY基因会被UV-B光处理强烈的诱导。研究者还发现过量表达AtWRKY22的拟南芥植株，在夜晚中会加速叶片的衰老[37]。

5 小结与展望

WRKY转录因子作为植物响应环境压力的重要蛋白，已经逐渐引起研究人员的关注。自从WRKY转录因子于1994年由Ishiguro和Nakamura从甜薯中首次克隆出来，研究者一直认为其是植物中所特有的一类转录因子。但是随着研究的深入，人们发现在原生生物蓝氏贾第鞭毛虫和真菌的基因组中也发现了WRKY基因[4]，所以WRKY蛋白并非植物所特有的。近年来通过遗传和非遗传学的方法使研究人员在基因转录翻译调控和信号转导方面获得重要的进展，表明WRKY基因不但参与了植物生长发育和新陈代谢过程，更重要的是还参与植物应对外界生物及非生物胁迫反应。虽然对WRKY转录因子功能的研究已经取得很大的进展，但是大部分的进展都是在生物胁迫方面的，只有少量的功能研究是涉及到非生物胁迫方面的。因此，考虑到WRKY基因家族的规模，对于WRKY基因在非生物胁迫方面功能的确定仍然面临着巨大的挑战。

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