植物TCP家族基因的研究进展

王景超

(山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250100)

TCP(Teosinte branched1/Cincinnata/Proliferating cell factor)基因是植物所特有的一类转录因子，主要参与调控植物器官的的三维形态发育[1]。1999年，TCP基因家族被首次报道[2],当前已成为相关研究的热点。TCP家族基因含有一个非典型的bHLH保守结构域，也称TCP结构域，是根据最早发现的4个TCP蛋白而命名的，有玉米中的teosinte branched1(tb1)[3]，金鱼草中的CYCLOIDEA(CYC)[4]，水稻中的PROLIFERRATING CELL FACTORS 1和2(PCF1 和 PCF2)[5]，主要参与DNA结合、蛋白互作和核定位等。不同植物中TCP成员间的序列分析表明，TCP家族基因可以分为2大类，Class I和Class II[6]。在多个植物物种中均有发现TCP基因家族，其在植物生长发育过程中的作用也逐渐明晰。这些TCP基因家族的发现强调了TCP基因在植物生长发育和对环境响应调控中的重要作用。本文简要分析了TCP基因家族的结构特征和分类，并综述了TCP转录因子的功能进展，以期为相关研究提供参考。

1 植物TCP家族基因的结构特征与分类

TCP(TEOSINTE BRANCHED1/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTORS)蛋白是植物特有的一类转录因子，参与胚胎发育、叶发育、花器官发育、分枝发育等诸多生物学过程。TCP蛋白具有高度保守的TCP结构域，由60个氨基酸残基组成的碱性区-螺旋-环-螺旋结构(bHLH结构域)，是结合DNA和蛋白互作必需的[7]。

根据TCP结构域内部和外部特征，可将TCP基因家族成员分成2大类，Class I(又称PCF或TCP-P)和Class II(又称TCP-C)[6]。这2大类在TCP结构域内部有3处主要不同，碱性区域的残基数(Class II在该区域有4个氨基酸插入)；环和螺旋的残基组成；螺旋II的长度[6]。Class II这类蛋白可进一步细分为2个分支，CIN和ECE(CYC/TB1)[8]，并且CYC/TB1分支是被子植物特有的。在TCP结构域外部，某些Class II成员具有一个未知功能的R结构域，即18～20个氨基酸残基组成的富含精氨酸(Asp)的结构域，预测其会形成一个卷曲螺旋结构，参与蛋白互作[9]。

2 植物TCP家族基因的生物学功能

最初的报道显示，TCPs参与细胞增殖和增长等相关过程，此后又有许多研究揭示了不同家族成员的详细作用，这些研究证实TCP蛋白参与多个植物生长发育过程及响应环境变化过程，并以不同的机制来发挥作用。现有的研究结果主要集中在以下几个方面。

2.1 参与植物生长发育

2.1.1 参与叶发育

Class II的TCP转录因子(CIN)主要参与调控植物叶片发育。金鱼草中的CIN基因通过调控细胞增殖来控制叶片细胞的分裂分化过程，其突变体因叶缘基因过表达导致叶边缘产生过度的细胞增殖，改变了叶片形状[10]。拟南芥中的CIN分支有8个成员(AtTCP2、AtTCP3、AtTCP4、AtTCP5、AtTCP10、AtTCP13、AtTCP17和AtTCP24)，成员之间参与调控叶边缘细胞增殖的作用已被证实，且存在高度的功能冗余[11]。番茄中的CIN亚类基因LANCEOLATE(LA)参与复叶形成调控过程，其突变体的复叶叶缘处会产生持续生长的小叶[12]。

2.1.2 参与花发育

金鱼草中的CYC分支基因CYCLOIDEA是第1个被鉴定出调控不对称花发育的TCP基因[4]。从花原基背侧发育早期至晚期均能检测到CYCLOIDEA基因的表达，参与调控花原基发育的启动和生长速率，以及花瓣和雄蕊细胞类型和大小等。DICHOTOMA基因与CYCLOIDEA基因协同发挥作用，两者在功能上存在部分重叠，但对花发育的作用却不同。DICHOTOMA单突变只影响背部花瓣的形状，CYCLOIDEA单突变会产生半辐射状的花，而DICHOTOMA与CYCLOIDEA的双突变体则表现出辐射对称花的特征，使金鱼草花的背部、侧面以及腹部特征消失[4]。拟南芥中的AtTCP1基因(CYC同系物)在花分生组织背部发育早期瞬时表达，但其表达量不足以产生不对称花。但在拟南芥中过表达该基因，会使细胞体积增大，导致花瓣变大[13]。屈曲花中的IaTCP1基因(CYC同系物)在2个较小的近轴花瓣中表达较高，而在较大的远轴花瓣中表达较低[14]。水稻中的RETARDED PALEA1(REP1)基因(CYC类似基因)参与花的对称性调控过程，侧面说明调节双子叶植物和单子叶植物花不对称的机理相同[15]。豆科模式植物百脉根的LjCYC1和LjCYC3基因影响花分生组织的生长发育[16]，豌豆中的CYC类TCP基因也被证明影响背腹轴向不同类型花瓣的发育[17]。

2.1.3 参与分枝发育

TCP家族第1个被发现的成员是玉米中的TB1基因，参与分枝发育调控[3]。玉米TB1基因在腋生分生组织和穗原基的雄蕊中表达，抑制腋芽在较低节间的生长发育，而促进雄花序在上部节间的发育。TB1突变体玉米植株的顶端优势明显下降，侧枝增多且生长加快，雌性花序发育缺陷，这表明TB1基因在抑制玉米侧枝生长、发育和雄花序发育过程中均发挥重要作用。水稻中的OsTB1基因与玉米TB1基因功能一样，负调控水稻侧枝的发育[18]。OsTB1基因在整个顶端、侧芽分生组织基部以及维管组织、节的表层细胞中都有表达。在水稻中过表达OsTB1基因显著减少分蘖总数，而在OsTB1基因缺失突变体中，水稻的分蘖总数显著增多。拟南芥中的AtTCP18基因(玉米和水稻TB1基因的同源基因)在侧芽发育过程中表达，其功能缺失突变体具有更强的分枝能力，参与分枝发育调控过程[19]。在矮牵牛、豌豆和番茄等植物中，TB1基因的同源基因均被证实参与分枝发育调控[20-22]。

2.1.4 参与配子体发育

Class I和Class II的TCP基因参与调控诸多生长发育过程，但只有少数报道提及其在配子体发育过程中的功能。拟南芥中的AtTCP4基因(Class II的TCP基因)参与早期胚胎发育，其表达的改变会引起生殖紊乱，造成种子不育，其功能增强型植株不能产生正常种子，但花粉成熟等过程未受影响[23]。AtTCP16基因(Class I的TCP基因)在花粉发育早期发挥重要作用，主要在单细胞和双细胞阶段的小孢子中表达，参与雄性配子发育，其RNA干扰植株在早期出现花粉败育情况[24]。AtTCP11基因(Class I的TCP基因)也参与花粉发育过程，其过表达植株出现发育异常的花粉粒[25]。

2.1.5 参与昼夜节律

生物钟影响植物生长发育的多个方面，是由许多呈节律表达的正调控因子和负调控因子组成的连锁自调回路。生物钟调控环路的核心部分由TOC1/PRR1、CCA1和LHY基因组成，并受光照、温度等环境条件影响[26]。拟南芥中的AtTCP21基因(Class I的TCP基因)编码的蛋白可直接结合到CCA1的启动子区域，抑制CCA1基因的表达；而CCA1蛋白亦能结合到AtTCP21基因的启动子区抑制其表达，以达到生物钟调控环路的负反馈调节[27]。此外，拟南芥中的AtTCP2、AtTCP3、AtTCP11和AtTCP15等多个基因也被证实可与生物钟信号通路中的不同调控蛋白产生互作[28]。

2.2 参与胁迫反应

2.2.1 参与生物胁迫

TCP基因在植物免疫中也起显著作用。拟南芥中的AtTCP14、AtTCP15、AtTCP19、AtTCP21(Class I的TCP基因)和AtTCP13(CIN分支基因)作为病原体的效应目标，参与植物防御进程[29]。AtTCP8、AtTCP14和AtTCP15蛋白通过与NPR1互作，可以增强植株对丁香假单胞菌的抵抗力。AtTCP15蛋白通过和MOC1蛋白互作，调控免疫受体基因SNC1的表达，参与植物免疫应答；AtTCP15蛋白还可能通过和核激酶ZRK互作，调控植物温敏性免疫。在植物免疫过程中，特异性的伪应答调控因子PRR2可促进SA的积累，而AtTCP19和AtTCP20蛋白通过与PRR2互作，可参与植物免疫应答。此外，水稻中的OsTCP21参与病原体防御，过表达OsTCP21基因可明显提高转基因植株对水稻RRSV病毒的抵抗力[30]；番茄中的TCP14-2基因也参与病原体防御，过表达TCP14-2基因的转基因植株对Phytophthora capsici病菌的抵抗力明显增强[31]。

2.2.2 参与非生物胁迫

TCP基因在植物逆境胁迫中的功能研究不多且起步较晚。在水稻中过表达OsTCP19基因可诱导ABA、JA、ET、IAA和CK等多个信号通路典型基因的表达，能降低水分损失、减少脂肪滴和氧离子的积累，从而提高转基因植株对高盐处理和甘露醇处理的耐受力[32]。在拟南芥的AtTCP15蛋白结构中，TCP保守结构域中的半胱氨酸(Cys-20)在氧化胁迫条件下会被氧化，抑制其转录，暗示TCP蛋白和ROS介导的信号转导过程有关[33]。拟南芥在氮饥饿胁迫处理下，AtTCP20与转录因子AtNLP6/7会形成异二聚体，激活氮同化相关基因表达，提高植株氮同化能力[34]。

3 展望

植物TCP基因是植物特有的一类转录因子，广泛存在于多种植物中，参与生长发育和胁迫响应等多个过程。近年来，有许多研究揭示了部分TCPs家族成员的功能与分子机制，但仍有大量TCP基因的功能未知。单突变体的研究证实TCP家族成员之间存在功能冗余现象，增加了对其功能开展研究的难度。为了更加清楚地了解TCP基因家族的功能，需要通过基因突变、RNAi干扰、基因编辑等基因工程技术手段获得更多TCP基因的功能缺失或功能获得型突变体；通过染色质免疫沉淀、EMSA等DNA元件结合试验筛选更多的TCP蛋白结合的具体靶基因；通过酵母双杂交、GST-pull down、免疫共沉淀等蛋白互作筛选手段挖掘更多与TCP互作的蛋白，进而系统研究TCP基因家族中各个成员的功能及其在不同信号途径中的调控机制。