水稻耐盐相关转录因子研究进展

田蕾 王娜 张银霞等

摘要转录调控是真核生物基因表达调控的重要机制。转录因子在植物逆境信号传递和调控功能基因表达的过程中起着中心调节作用。主要概述了水稻耐盐相关的4类转录因子（WRKY转录因子、NAC转录因子、bZIP转录因子和DREB转录因子）的结构特点和部分已克隆的各类转录因子的表达特性，重点讨论了它们在水稻抗盐胁迫中的功能，展望了转录因子在植物抗逆基因工程改良中的应用前景，为利用基因工程创制作物抗逆新品种提供参考信息。

关键词水稻；耐盐性；转录因子；表达调控

中图分类号S332.6；S511文献标识码A文章编号0517-6611（2014）23-07716-02

基金项目宁夏自然科学基金项目（NZ12120）。

作者简介田蕾（1983- ），男，河北保定人，讲师，博士，从事水稻抗逆分子育种研究。*通讯作者，教授，博士，硕士生导师，从事水稻遗传育种研究。

收稿日期20140707土壤盐渍化是危害水稻生产的重要非生物胁迫之一[1-2]。盐碱土在世界范围内广泛分布，总面积约为10亿hm2[3]。近年来，由于化肥的大量施用以及不合理灌溉等农业措施进一步加剧了土壤盐渍化，目前我国耕地盐渍化比例已达6.62%[4]。 宁夏地处我国西部干旱与半干旱气候区，水分蒸发量大，是土壤盐渍化最严重的地区之一[5-6]。银川平原引黄灌溉区是宁夏水稻的主产区，表层土壤属于中度到重度盐渍土的面积已达75.6%，呈现一定的盐分表聚和局部加重趋势[6]，该区域水稻生产受盐渍土影响非常明显。

水稻（Oryza sativa L.）作为主要的粮食作物，是全世界50%以上人口的主要食物来源[7]。水稻属中等感盐作物，当土壤EC值超过3 dS/m时即表现出受害症状，最终导致显著减产[8]。研究表明，水稻耐盐性是受多基因控制的复杂数量性状[9-11]，因此，明确水稻耐盐的遗传机制，阐明不同耐盐基因之间的相互作用机理，定位、克隆与利用水稻耐盐相关基因，是提高水稻耐盐性的关键[11]。目前，已克隆的水稻耐盐相关基因很多，大都采用反向遗传学的方法进行同源电子克隆，约有83个位点。这些耐盐相关基因大体可以分为转运蛋白编码基因（14个）、转录因子（30个）、酶编码基因（25个）、MicroRNA编码基因（2个）、其他功能蛋白编码基因（12个）五大类。其中，转录因子数目最多，也是近年来水稻耐盐相关基因的研究热点之一。

1转录因子的定义与分类

转录因子（transcription factor，TF）又称为反式作用因子[12]，是真核生物基因转录过程中能够与DNA结合，通过直接或间接与基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性相互作用，进而参与转录调控的一类蛋白质的统称。一般可以分为通用转录因子（general transcription factor）和序列特异性转录因子（sequencespecific transcription factor）两大类。前者也称为非特异性转录因子，它们非选择性地调控基因的转录表达，后者则能够选择性调控某种或某些基因的转录表达。研究表明，转录因子在植物逆境信号传导过程中起中心调节作用，转录因子已逐渐成为植物抗逆机理研究的核心内容。

2WRKY轉录因子与水稻耐盐性调控

WRKY转录因子，由于其核心序列包括70个左右的WRKYGQK保守氨基酸序列，故此得名。WRKY结构域的氨基端包含有WRKY核心氨基酸基序，在各物种间的保守性极高[13]，其羧基端具有非典型的锌指结构。该类转录因子广泛存在于高等植物中，参与植物的多种生理生化与生长发育过程，在植物应对外界逆境胁迫时发挥十分重要的作用[14]。

TAO等[15]报道了1个水稻WRKY转录因子OsWRKY45，同时研究了其在水稻中的2个等位基因OsWRKY451和OsWRKY452在盐胁迫应答和脱落酸（ABA）信号传导中的位置和作用。结果表明，它们对盐胁迫和ABA有不同的转录应答。在盐胁迫应答中OsWRKY451的转基因植株与阴性对照间无明显差别。相反，OsWRKY452过表达株系的盐胁迫抗性降低，ABA敏感性增加，而OsWRKY452抑制株系的ABA敏感性降低而盐胁迫抗性增加。这2个等位基因在ABA信号传导和盐胁迫中的作用可能与它们在不同信号途径中的转录中介有关。

3NAC转录因子与水稻耐盐性调控

NAC转录因子是植物中最大的转录因子家族之一，是具有多种生物功能的植物特异转录因子，其最主要结构特点是N端含大约150个高度保守的氨基酸组成的NAC 结构域，在C末端还有一段TAR区（即转录激活区），通过对已知NAC转录因子的TAR区分析表明，其序列在NAC亚家族中具有一定的保守性[12]。

目前，水稻中已克隆的耐盐相关NAC转录因子较多，至少已经报道了4个。HU等[16-17]报道了2个水稻NAC转录因子，SNAC1和SNAC2。SNAC1受盐、干旱和冷胁迫以及ABA处理诱导表达，DNA芯片分析表明在过量表达SNAC1的转基因水稻中许多与胁迫相关的基因表达上调，过表达SNAC1的转基因水稻，营养生长期的耐盐性和耐旱性显著提高，同时生殖生长期的耐旱性也显著提高，且产量不下降。SNAC2是从粳型旱稻IRA109中分离的1个响应胁迫的NAC基因，该基因被定位在细胞核中，具有转录激活活性和DNA结合活性，受干旱、盐碱、冷、机械损伤和ABA处理诱导表达。在高盐条件下，其过表达转基因水稻的发芽率和生长率显著高于野生型[17]。

OsNAC5编码一个由329个氨基酸组成的转录调控因子，其cDNA 全长1 751 bp，包含有3 个外显子。其表达受到高盐、旱、冷等非生物胁迫和ABA以及茉莉酸甲酯的诱导。过量表达OsNAC5的转基因植株对高盐的耐受性较对照增加[18]。OsNAC5 可以和OsNAC6[19]、SNAC1互作，OsNAC5 和OsNAC6作为转录激活子，上调了如OsLEA3等逆境应答基因的表达，从而提高了水稻对逆境的耐受性。SONG等[20]利用RNAi和过表达技术，进一步研究了OsNAC5在盐胁迫条件下的功能。结果表明，RNAi植株的耐盐性与野生型相比明显降低，而过表达植株的耐盐性则显著增强。其原因是RNAi植株中的脯氨酸和可溶性糖含量明显下降，MDA和H2O2等质膜过氧化产物的含量则明显增加，同时植株的钠钾比也显著提高，上述物质的含量在OsNAC5过表达植株中则正好相反。由于过表达OsNAC5 不抑制水稻的生长，因此OsNAC5是一个可以用来改良水稻对逆境耐受性的有用基因。

4bZIP转录因子与水稻耐盐性调控

植物bZIP蛋白是一类重要的植物转录因子。它由1个与DNA结合的碱性结构域和1个二聚体化作用的亮氨酸拉链区域组成，这2个区域导致其对DNA的结合。该类型转录因子在植物逆境胁迫信号传导中发挥作用，但在水稻中对其功能知之甚少。目前共报道了3个与水稻耐盐相关的该类转录因子，它们通过ABA依赖的信号通路调节盐胁迫下许多相关基因的表达[21]，最终影响水稻耐盐性。

OsABF1[21]是一个核蛋白，可以与ABA应答元件ABREs结合，其N末端区域是反式激活下游报告基因的必需区段。OsABF1参与了水稻的非生物胁迫响应和ABA信号传导。相较于野生型而言，该基因的纯合TDNA插入突变体对干旱和盐胁迫更加敏感。OSZB8[22]在水稻营养组织的转录调控中发挥重要的作用。当用NaCl处理幼苗时，增加了ABREDNA：蛋白复合体的形成。OSBZ8在转录和转录后水平都受到调节，其表达量和抗盐性存在正相关。OsbZIP23[23]是bZIP转录因子家族的成员之一，是ABA依赖型耐盐、抗旱反应中的主要调节因子。过量表达OsbZIP23的转基因水稻植株的耐盐性和抗旱性显著提高，同时对ABA的敏感性增加；敲除该基因的突变体Osbzip23对ABA的敏感性降低，耐盐性和抗旱性也显著降低，而将OsbZIP23转化到突变体中表型则得到恢复，说明该基因在水稻耐盐、抗旱等逆境中具有很重要的作用，在通过遗传改良提高水稻抗逆性中具有潜在的应用价值。

5DREB转录因子与水稻耐盐性调控

DREB 转录因子是与DRE 顺式作用元件结合的一种反式作用因子，含有1个保守的AP2/EREBP 结构域、碱性核定位信号区和酸性转录激活区，在植物胁迫信号传导途径中发挥重要作用。DREB 转录因子可特异性识别并结合DRE，参与逆境信号的传导，调控下游逆境应答基因的表达，进而提高植物在多种逆境条件下的耐受能力和适应性。该类型转录因子在植物体内主要通过调控2类基因的表达来完成逆境应答，一类是在信号传导和胁迫诱导基因表达中起调控作用的调节因子，另一类是在抗逆反应中直接起保护作用的功能蛋白基因，如抗氧化物质、渗透调节物质以及其他功能蛋白等的编码基因。

DUBOUZET等[24]报道了2个与水稻耐盐相关的DREB 转录因子OsDREB1A和OsDREB2A，两者可与干旱响应元件特异结合，进而控制许多胁迫诱导基因的表达。在拟南芥中，过量表达OsDREB1A可以诱导胁迫相关基因的表达，提高拟南芥对高盐、干旱和冷胁迫的耐受性。OsDREB2A的表达受干旱和高盐胁迫诱导[25]，其过表达水稻植株在盐胁迫和旱胁迫条件下的存活率与野生型和转空载体的CK相比，均显著提高。WANG等[26]从陆稻中克隆并鉴定了1个新的DREB转录因子基因OsDREB1F，该基因受高盐、干旱、冷胁迫和ABA处理诱导，转OsDREB1F基因的水稻和拟南芥增强了对高盐、干旱和低温的抗性。

6展望

从不同水平上了解水稻的耐盐机制有助于培育耐盐水稻品种，提高其在盐渍土条件下的产量。转录因子在水稻逆境胁迫应答过程中扮演着重要角色，通过揭示转录因子在水稻盐胁迫应答过程中的作用机制，改良或导入1个转录因子，促使多个功能基因充分发挥作用，从而达到提高水稻耐盐性的效果。

近年来在水稻转录因子的基因克隆和功能研究方面取得了很大进展，目前已克隆的水稻耐盐相关转录因子有30个，它们在调节水稻不同生育时期的耐盐性方面，发挥着重要作用。但这些转录因子的功能和作用机理大多不是很清楚，需要在今后研究中，充分利用不断发展和完善的分子生物学和基因工程技术，对它们在非生物逆境抗性中的作用机理进行深入的研究，进一步了解它们在基因表达与调控中的地位和作用，实现其在转基因植物中高效稳定表达，为利用转录因子进行植物抗逆基因工程改良提供理论依据，最终实现其在农业生产中的应用。加强作物抗逆相关转录因子研究，获得具有自主知识产权的转录因子基因是实现作物分子育种自主创新的关键。

进程和减少不必要的工作量，降低成本。由于材料数量较少，还需要扩大材料数量，并通过精确测定，建立相关模型，应用LEC1基因相对表达量对含油量进行准确预测。

油菜籽油分的形成积累是一系列基因调控的结果。随着分子生物学和基因组学的飞速发展以及对脂肪酸合成和代谢酶系的研究逐步深入，对关键酶如DGAT、转录因子如LEC1的研究一定程度上揭示植物种子油脂形成的普遍机制，但植物的物质代谢是一个复杂的过程，酶的作用不是独立的，各个代谢间存在联系，生物的基因表达也是一个繁复的过程。目前，对油菜含油量合成关键酶的研究还未完全、透彻，提高含油量的相关转录因子还未对油菜进行实践证实。因此该研究结果还有待于进一步研究、证实、实践。

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