SPL转录因子研究进展

张 磊

(东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是一类植物特有的转录因子，存在于所有绿色植物中，包括单细胞绿藻、苔藓、裸子植物和被子植物。SPL蛋白均具有含76个氨基酸的高度保守区段，以此结构同下游靶基因启动子区域结合，调控靶基因的表达，被命名为SBP结构域。SBP结构域包含一个锌指结构和一个核定位信号，参与转录因子进入细胞核，并与含有GTAC的核心基序及其两侧DNA区域特异性结合。同时大部分SPL具有miR156/157的结合位点，在转录后水平受到miR156/157的调控。

SPL转录因子首先是Huijser等从金鱼草(Antirrhinum majus)中克隆得到的，当时发现了2个密切相关的AmSBP1和AmSBP2基因，二者可与花分生组织特征基因SQUAMOSA(SQUA)的启动子结合，被命名为Squamosa启动子结合蛋白(Squamosa promoter Binding Protein，SBP)。之后，先后在拟南芥和苔藓中进行了SBP转录因子家族的cDNA克隆，发现在这2个植物中有多个SBP转录因子基因拷贝。随着研究深入，已在多种植物中鉴定到SPL转录因子，如在树棉(Gossypium arboreum)、雷蒙德式棉(G.raimondii)、海岛棉(G.barbadense)和陆地棉(G.hirsutum)分别鉴定到29、30、59和59个SPL家族成员；人参(Panax ginseng C.A.Meyer)中有106个PgSPLs；胡杨(Populus euphratica Oliv.)中则有33个PeuSPLs。研究表明，SPL在植物发育中具有多样性的功能，如参与植物发育阶段转变、花和果实发育、孢子发生、赤霉素信号传递、植株形态建成以及对铜和真菌毒素的反应等多种生物学过程。

1 SPL转录因子在植物发育中的功能

1.1 参与花发育调控

miR156-SPL模式参与调控植物开花时间最早是由DetlefWeigel等发现的。目前的研究中发现，miR156与SPL在调控开花时间中起着相反的作用，不论在长日照还是短日照条件下，miR156的过表达都会引起开花时间的延迟，而SPL则促进植物开花；分析拟南芥SPL基因家族，SPL3、SPL4和 SPL5最有可能在开花时间和时相转变中发挥作用；SPL3、SPL9的高表达会促进开花，而通过过表达miR156降低SPL的活性则会延迟开花的起始[1]；At SPL10过表达会提前开花，而SPL10及2个同源基因SPL2、SPL11的三突变体的开花时间要明显晚于野生型，进一步研究发现,SPL10与下游基因MED25存在调控关系共同作用于下游开花相关基因FUL和LFY[2]；柳枝稷(Panicum virgatum L.)中SPL7和SPL8通过直接上调SEPALLATA3(SEP3)和MADS32调节开花时间，过表达SPL7和SPL8能够使开花提前，而抑制表达则会延迟开花甚至不开花[3]；SPL13可以通过靶向调控MYB112在紫花苜蓿的生殖发育中起作用，沉默SPL13的表达导致开花延迟；另外光敏色素A信号FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL3(FHY3)和 FAR-RED IMPAIRED RESPONSE1(FAR1)通过整合环境光信号和miR156-SPL模式介导的年龄途径调控开花，FHY3和FAR1直接与SPL3、SPL4和SPL5相互作用抑制其与开花关键调节基因的结合，延迟开花。

1.2 参与胁迫应答

1.2.1 非生物胁迫

植物生长在复杂多变的环境中，这些环境时常会限制或不利于植物的生长及发育。这些不利的环境条件包括生物胁迫，如病原侵害和食草动物的取食；非生物胁迫，如干旱、高温、寒冷、养分的缺乏、高盐及有毒金属的侵害。其中,干旱、盐胁迫、温度胁迫是影响自然界植物分布、限制农业生产产量、威胁粮食安全的主要因素。

越来越多的证据表明，SPLs是植物非生物胁迫耐受性的关键调节因子，高度保守的miR156/SPL模式似乎平衡了植物的生长发育和胁迫应答。SPL家族的全基因组图谱研究表明，在植物中，SPLs对盐、干旱、冷热胁迫有许多响应ADDIN。在盐/干旱胁迫反应中，其中一些SPLs通过调节参与信号转导的基因的丰度、活性氧清除、POD/SOD富集、脯氨酸合成、花青素代谢而参与了盐/干旱胁迫响应。

已有研究表明，miR156通过调控下游靶基因SPLs，影响次生代谢产物的累积，进而提高拟南芥(Arabidopsis thaliana)对胁迫的耐受能力；共表达分析显示，拟南芥AtSPL基因的表达与防御应答通路中应对各种生物和非生物胁迫的相关基因表达显著相关；对其进行更深入的研究发现，miR156、SPL9及DFR的合作机制，协调植物发育和胁迫耐受过程；在拟南芥中，沉默miR156靶向的SPL2、SPL9、SPL11基因，改善了对热、盐、干旱胁迫的恢复能力；类似的结果在miR156/SPL3拟南芥开花时间和热应激记忆的研究中也有发现。在紫花苜宿(Medicago sativa.)中也发现了与拟南芥类似的合作机制，即miR156/SPL模式与WD40-1/DFR相互作用，协调与次生代谢相关基因表达，增加对干旱的耐受能力；也有研究发现其通过沉默SPL13的表达水平增强耐旱能力[4]；对玉米(Zea mays)的31个ZmSPLs基因的初步表达分析显示，其表达可能受到多种环境刺激的影响，包括干旱、寒冷、盐以及脱落酸等；水稻(Oryza sativa)中miR156靶向调节SPLs，增强对盐、干旱胁迫等的恢复能力，通过调节花青素代谢，敲除miR156和过表达SPL9的转基因株系表现出相反的表型；越来越多的证据表明，miR156/SPL模式在陆地植物中高度保守，似乎是植物生长(生物量/产量/开花时间)和改善抗逆性的有效分子工具。一个典型的例子，SPL8的表达下调提高了转基因苜蓿的生物量、产量和耐盐性，表明miR156靶向的SPL8在豆科植物育种中具有很大的潜力。华东葡萄(Vitis pseudoreticulata)的VpSBP16基因在拟南芥中过表达，通过调节对盐敏感的SOS和ROS信号提高其在种子萌发、幼苗和成熟植株中对干旱和盐胁迫的耐受能力[5]；在温度胁迫下对茶树(Camellia sinensis)CsSBPs表达模式进行分析，结果显示，CsSBPs参与温度胁迫对抗过程，其中CsSBP8对高温胁迫下花青素的累计具有积极作用[6]。在高大乔木白桦中，BpSPL9基因通过促进ROS的清除提高对干旱和盐胁迫的耐受能力[7]；苹果(Malus domestica)中miR156a过表达会降低对盐的抗性，而过表达MdSPL13则会表现出相反的作用[8]。

1.2.2 生物胁迫

病虫害是威胁植物生长发育的又一重要因素，已有报道称SPL转录因子可以参与响应生物胁迫。NtabSPL6-2基因在抵御病原菌中起作用，接种丁香假单胞杆菌后NtabSPL6-2转基因拟南芥感病症状更轻，存在一定的抗性反应，同样的情况在接种灰霉菌后也被观察到[9]；茉莉酸甲基转移酶(jasmonic acid carboxylmethyltransferase，JMT)是茉莉酸甲酯(methyl Jasmonate，MeJA)合成过程中的关键酶，而MeJA在植物抗病中有重要作用；AtJMT的表达量上调会抑制AtSPL2的表达，由此推测AtSPL2可能通过茉莉酸途径参与调控植物抗病[10]。

1.3 参与根发育

根是维持植物固着生长，吸收水、汲取营养物质的重要器官，一般包括由胚根延伸形成的主根(Primary Root，PR)，起始于已有根的中柱鞘细胞的侧根(Lateral Root，LR)，受洪水、昼夜转换、机械损伤、施加激素等诱导形成的不定根(Adventitious Root，AR)。研究发现，SPLs基因家族在不同植物中对根的发育表现出多样性的影响。在拟南芥中，过表达SPL3、SPL9和SPL10对侧根的生长起到了抑制作用，其中SPL10发挥主导作用，进一步的研究发现，miR156/SPL模式只影响根原基萌发的速率而不影响根原基的起始过程；随后对AtSPL10的下游靶基因进行验证，AtSPL10与AtAGL79的启动子直接结合，共同调节拟南芥的根发育[11]；Barrera-Rojas等则发现，高表达水平的miR156会使得拟南芥根分生组织变小，主根长度变短，SPL10突变体的分生组织活性降低[12]；同样作为模式植物，水稻中的OsSPL3基因突变体lcrn1表现为冠根数量减少[13]；过表达丹参(Salvia miltiorrhiza)SmSPL6基因能抑制侧根的形成，促进主根的伸长；核桃(Juglans regia L.)的JrSPL7.2表现出同样的功能，异源转化烟草显著抑制不定根和侧根的形成，促进主根的生长；小金海棠(Malus xiaojinensis)中，MdSPL26与受外源激素IBA诱导的MxTIFY9相互作用，共同抑制MxHB13的表达，MxHB13则与MxABCB19-2的启动子结合构成调控通路调节插穗生根[14]；番薯(Ipomoea batatas)的IbSPL17和IbSPL28在根发育过程中高表达，聚类分析显示4个IbSPLs基因，IbSPL16、IbSPL17、IbSPL21和IbSPL28都参与到了调节根的形态发生过程中[15]。

2 展望

SPL转录因子在植物花发育、应答胁迫等过程中发挥重要作用。目前，对SPL家族的研究多集中在模式植物中，大部分物种的SPL基因家族鉴定工作仍未完成，所以SPL在植物中的数量及结构等进化机制尚不清晰。研究显示，SPL能够参与胁迫应答，随着测序和实验技术不断进步，SPL在胁迫中的潜在作用机制有待挖掘，这对利用分子技术手段培育具有耐旱、耐盐、抗病等生长优势的新品种意义重大；根系是植物吸收水分和营养物质的重要器官，限制林木扦插繁殖的一个重要因素是生根难，甚至不生根。SPL可以调控植物根的形成，这为研究难生根林木的根形成的分子机制提供了思路和基因资源，对促进林木优良品种推广及大面积种植具有重要意义和价值。