玉米干旱响应转录因子的研究进展

周洋洋，刘书伯，于丰硕，刘桐羽，刘梦彤，关淑艳，马义勇

（1.吉林农业大学生命科学学院，吉林 长春 130118；2.吉林农业大学农学院，吉林 长春 130118）

玉米（Zea mays L.）不仅是被广泛种植的粮食作物，也是重要的饲料作物和工业原料作物。干旱会导致叶片萎缩卷曲并造成细胞损伤等，进而对产量造成严重影响，是限制我国玉米生产发展的主要因素［1］。转录因子（TF）是植物响应胁迫的调控因子，目的基因启动子通过与转录因子相互作用对基因的表达进行调控；转录因子通过调控一系列的胞内信号转导过程，如促进或抑制目的基因功能，使植物对非生物胁迫产生响应［2］。近几年在作物中已鉴定出多种干旱响应转录因子家族，其中较为常见的是MYB、WRKY、bZIP、bHLH、ERF等［3］，然而对于玉米干旱响应转录因子家族的系统分析还未见报道。本文主要阐述玉米干旱响应转录因子家族的种类、结构、生物学功能及作用机制，并从转录因子顺式作用元件、转录因子基因表达以及转录因子蛋白间的相互作用方面论述转录因子在干旱调控中的作用机制，以期为进一步培育高产、耐旱玉米新品种提供理论基础及科学启示。

1 玉米干旱响应转录因子家族的种类与结构

利用plantTFDB（http：／／planttfdb.cbi.pku.edu.cn／）在线检测到玉米中共有56个转录因子家族，经过比对分析玉米的转录组数据得到转录因子基因2 270个［4］。通过对转录因子基因进行筛选、qRT-PCR检测并结合SNP及农艺性状鉴定，最终发现与气孔关闭、根系发育及活性氧清除等干旱响应过程有关的转录因子基因主要分布在15个转录因子家族［5-7］。通过生物信息学分析并对玉米转录组数据进行筛选统计，进一步明确了这15个玉米干旱响应转录因子家族分别为AP2、C2H2、MYB、NAC、WRKY、ERF、GRAS、HSF、ARF、HD-ZIP、NF-YB、bZIP、GATA、NF-YA和bHLH［8］。

在干旱胁迫下，转录因子的结构域对其执行特定功能起着决定性的作用，并且不同的结构域具有不同的结合方式。例如，Basic-leucine zipper（bZIP）是一类植物中广泛存在的转录因子，其N末端通常与DNA结合，C末端通常与富含亮氨酸的基序结合形成二聚体；bZIP家族通过与启动子区域的ABRE（ABA响应元件）结合，通过ABA途径发挥作用［9，10］。WRKY家族有一个保守的WRKY结构域，该结构域与W-box（60个氨基酸的保守片段）结合以调控基因的表达［11］。表1为玉米干旱响应转录因子家族的种类及其结构。

表1 玉米干旱响应转录因子种类与结构

2 玉米干旱响应转录因子家族的生物学功能

Shikha等［22］研究发现玉米15个干旱响应转录因子家族中63.30%的基因与生物学功能（BP）相关，40.53%的基因与细胞定位（CC）相关，88.51%的基因与分子功能（MF）相关；值得注意的是，其中33%的基因与干旱响应过程密切相关，这些基因参与了ABA 信号转导、活性氧（ROS）清除、光合作用、气孔发育以及蔗糖代谢过程。转ZmbZIP72基因玉米植株在干旱胁迫下该基因表达呈上调趋势，使得植株中ABA含量有所增加，进而提高植株抗氧化能力、水分利用效率，增强植株对干旱胁迫的耐受性［23］。玉米植株中ZmNF-YA13基因通过与ZmSOD基因相互作用，进一步激活了氧自由基代谢过程，使植株的抗旱性有所提高［12］。干旱胁迫下玉米组织中AhNAC2基因和AhNAC3基因均上调表达，但是两者表达方式存在一定差异［24］。干旱胁迫下bHLH转录因子家族参与调节气孔发育过程及组织分化过程，OsbHLH148基因参与茉莉酸信号途径，进而提高了植株的抗旱能力［13］。干旱胁迫下PmNAC基因对植株的生长发育进行适应性调节［25］；WRKY转录因子能够促进种子萌发和生长素的合成，在植物对干旱胁迫的响应过程中发挥着关键的主导作用［26］。同一转录因子基因因调节机制不同而具有不同功能，如参与调节植物发育过程、信号转导过程等［14］。表2为近几年玉米干旱响应转录因子家族的生物学功能研究情况。

表2 玉米干旱响应转录因子家族生物学功能

3 玉米干旱响应转录因子家族的作用机制

3.1 玉米干旱响应转录因子的顺式作用元件

转录因子通过与位于启动子区的顺式作用元件（CREs）结合，调控基因的表达。Mishra等［31］利用PlantPAN（http：／／plantpan.itps.ncku.edu.tw／）数据库，对玉米干旱响应的转录因子、顺式作用元件以及上游启动子进行筛选，共鉴定出42种CREs，其中28种是所有转录因子共有，这些CREs通过调控特定的起始时间及表达程度发挥作用，进而调控基因的转录。与干旱响应有关的CREs，如DRE1、DRE／CRT和DRECRTCOREAT等，通过与转录因子结合来提高植物对干旱胁迫的响应能力［32］。因此了解玉米干旱响应转录因子与不同顺式作用元件间的作用机制（图1），对研究玉米抗旱调节机制具有重要意义。

玉米通过转录因子与顺式元件如DREB、ABRE／ABF、MYB、WRKY／ERF、DRE／CRT、ABRE等的结合，可进一步调控玉米的抗旱机制［33］。例如转录因子NF-YA通过调控有丝分裂相关基因，参与不同的抗旱调节过程，如气孔大小调节过程、活性氧（ROS）消除过程［34，35］；通过与ARF作用，对植物的发育过程进行调节并抑制侧枝生长［27］；NAC转录因子通过与干旱应答顺式作用元件MBS结合对植物细胞渗透压进行调节［36］；NF-YB转录因子与CBF顺式元件结合，可有效提高光合速率［28］。ABA非依赖途径或ABA依赖途径中存在的转录因子与顺式元件相互作用，可以对转录过程进行调节，从而激活干旱胁迫响应基因，使气孔关闭，进而阻止蒸腾作用导致的过度失水［37］。玉米HD-ZIP转录因子在干旱胁迫下通过与顺式作用元件GARE作用应对干旱胁迫［38］。干旱胁迫下植物中的NAC转录因子与顺式作用元件CBF结合，对根系生长进行调节以提高植物水分的利用率［39］。综上，通过了解玉米干旱响应转录因子与顺式作用元件间的作用机制，可为高效、精准培育耐旱玉米新品种提供理论依据。

图1 转录因子与顺式作用元件的作用机制

3.2 玉米干旱响应转录因子基因表达

Akhtar等［40］证实了干旱胁迫下植物转录因子基因的作用，如过量表达DREB1／CBF提高了玉米、花生和小麦的耐旱性。转录因子基因的表达具有组织特异性，大多数干旱响应转录因子基因在根部表达，分泌植物激素并激活ABA途径，从而使根部产生ABA，然后通过一系列信号转导过程将信号从根部传递到地上部分［41］。当玉米植株处于干旱条件下，位于根部的转录因子使目的基因表达呈上调趋势［42］，通过调节MYB、bZIP、WRKY和NAC相关基因的信号转导过程，并发生一系列的级联反应，诱导植物产生一系列调节干旱胁迫的生理活动，如气孔关闭、根部伸长等，以提高其抵御干旱胁迫的能力［43］。Xing等［15］的研究表明，干旱胁迫下，玉米中的ARF转录因子基因家族在根部的表达差异最为显著，其次是叶、芽、穗，在缨中的表达差异最小。干旱胁迫下，玉米HD-Zip转录因子基因ATHB7的下调过程受ABA信号转导过程影响［16］；SNAC1基因对下游基因OsPP18的调节基于ABA依赖途径完成［17］；AtMYB60和AtMYB96基因通过ABA依赖途径进行气孔的调节过程［18］。干旱胁迫下，玉米植株通过调节WRKY 46转录因子编码基因的表达，促进ABA合成及侧根生长，进而提高植株耐旱性［44］。

3.3 玉米干旱响应转录因子蛋白间的相互作用

在基因进行转录调控的过程中，转录因子蛋白间的互作起着重要作用，这是因为基因表达模式的多样性大多来源于不同转录因子蛋白间的相互作用［19］。因此为达到了解转录因子具体作用机制和调控途径的目的，首先需要了解干旱响应转录因子蛋白间的相互作用，从而进行更深层次的研究。ABA非依赖途径和ABA依赖途径间蛋白的互作，可以参与植物在干旱胁迫下的反应，如调控气孔关闭、防止植物因蒸腾过度而引发的失水过多等［45］。干旱胁迫下，玉米中的ARF5蛋白和ARF9蛋白通过叶片气孔调节作用提高了植株的抗旱能力［29］；水稻中的SNAC1蛋白和DST蛋白通过参与气孔调节过程提高了植株抗旱能力［46］。ATAF1通过与NCED3基因的启动子区进行结合，使得NCED3基因直接控制ABA途径的激素水平，表明了ATAF1转录因子在调节ABA依赖途径中的作用［47］。干旱胁迫下，一些NAC类转录因子蛋白通过相互作用调控根系的伸长，进而提高植物对水分的利用率［48］。活性氧（ROS）的转化过程对玉米抵御干旱胁迫有着重要意义，为了使活性氧的生成与转化维持动态平衡，需要通过抗氧化剂（如抗坏血酸、谷胱甘肽）、活性氧清除酶（如抗坏血酸过氧化物酶、谷胱甘肽过氧化物酶等）进行调节［49］。当玉米植株受到干旱胁迫时，组织中与NAC、MYB和b-ZIP等转录因子相关的蛋白在活性氧（ROS）的转化过程中发挥着重要作用；C2H2在渗透保护剂的合成过程以及活性氧（ROS）转化过程中起着重要作用；WRKY转录因子蛋白参与了活性氧（ROS）的转化与清除过程［20，21，50］。在分子水平上，反应机制的复杂性取决于AREB蛋白与DREB蛋白间的相互作用［51］。在玉米中，ZmWRKY17蛋白与其他蛋白相互作用，对气孔进行调节，进而提高植株的抗旱能力［52］。据报道，玉米中的NF-YB转录因子和NF-YC转录因子会形成二聚体结构，然后与核内的NF-YA转录因子作用，从而对根系的发育过程进行调控［30］。

4 展望

转录因子在植物对干旱胁迫的响应过程中起着重要作用。本文对玉米干旱响应转录因子家族的种类、结构、生物学功能及作用机制进行了重点阐述，可为筛选干旱响应转录因子及其候选基因提供理论基础，并进一步明确干旱响应转录因子家族在玉米育种过程中的应用前景。Foolad等［53］通过对转录因子进行筛选，发现MYB和bZIP类转录因子家族在植物干旱响应过程中发挥的作用较为显著，并且目前已应用于作物分子育种。植物的抗旱调节过程由许多基因控制，因此通过转移一个主基因只能实现较低水平的表型变异，伴随着分子育种技术的不断发展，干旱响应的数量性状育种策略已从少数基因分析（通过标记选择）转向全基因组分析（通过基因组选择），进而获得更为准确的表型变异数据。植物转录因子家族数量较为庞大、结构较为复杂，且随着研究的深入其数目也在增多，对于新转录因子的研究仍需要进行更深层次的挖掘。而随着分子生物学技术水平的不断提升，通过先进的技术手段对干旱响应转录因子进行更深入的分析研究，不仅有利于高效准确地提高玉米的品质与产量，而且可为玉米种质资源创新提供良好的理论依据。