第2卷第1期 2011年3月 热带生物学报 JoURNAL oF TRoPICAL 0RGANISMS VO1.2 NO.1 Mar.20l】 文章编号:1674—7054(2011)()1—0083—06 植物抗病反应相关转录因子的研究进展 罗红丽,陈银华 (海南大学海南省热带作物资源可持续利用重点实验室,海南海15 570228) 摘要:概述了植物抗病反应相关转录因子的研究进展,以及转录因子在植物抗病性改良中存在的问题和 应用前景。 关键词:植物抗病反应;转录因子;转录 中图分类号:S 432.2 3 文献标志码:A 植物经常面临着种类繁多的病原微生物的侵染,但在与病原微生物的长期协同进化过程中,植物形 成了有效的抗病机制,因此能抵御大多数病原微生物的侵染。植物抗病性是一系列防卫反应基因协同表 达的结果,而转录是植物防卫反应基因表达的主要方式,它可以决定植物对病原物的侵染表现 抗病性或感病性以及抗感程度¨ 。植物抗病防卫反应的转录涉及到转录因子的作用。当植物感受 到入侵病原菌信号后,经过一系列的信号传递事件后使转录因子被激活,活化的转录因子在细胞核内与 相应基因启动子中的顺式作用元件发生DNA一蛋白的特异性互作,从而激活防卫反应相关基因的转录表 达。笔者概述了植物抗病反应相关转录因子的研究进展,旨在为植物抗病基因工程提供新的思路。 1 与植物抗病反应有关的转录因子 在众多植物转录因子中,与抗病反应有关的主要有以下类型:bZIP型中的TGA家族、ERF型转录因 子、锌指蛋白中的WRKY家族、homeodomain蛋白、HSF蛋白以及MYB因子,其中homeodomain蛋白、HSF 蛋白和MYB因子参与植物防卫反应的报道较少。 1.1 bZlP家族在拟南芥中,bZIP型转录因子是含有75个成员的大家族,其中TGA/OBF与植物抗病 反应有关,主要参与SA介导的信号传递途径。TGA类转录因子在植物抗病反应中具有双重功能。将缺 失DNA结合活性的TGA类转录因子转化烟草后,发现TGA结合活性的缺失与2个生物胁迫应答基因 GNT35和STR246的抑制相关,并且增强了水杨酸(salicylic acid,SA)介导的艘基因的诱导表达;当用病 原菌挑战接种时,这些转基因植物表现出高水平 基因的诱导表达,而且系统获得抗性(systemic ac— quired resistance,SAR)增强。TGA家族成员之间存在功能冗余,通过对其中6个成员的分析表明,TGA3 为PR基因的基础表达和2,6一dichloroisonicotinic acid(INA)诱导表达所必需。TGA6一能够增强P尺1基 因的基础表达和诱导表达,证明TGA6对于期基因的表达起正向调节作用。相反,TGA2基因对于P 基 因的表达起抑制作用,但在没有TGA5和TGA6的背景下却起着正向调节的作用 J。最近的研究表明, TGA还参与调节NIMIN一1(NIM1 interacting)的表达 。 此外,其他植物中的研究也证明了TGA转录因子参与了植物的抗病反应。在番茄Pto—AvrPto介导的 抗病反应中,利用病毒诱导的基因沉默VIGS(virus—induced gene silencing)技术抑制21个抗病信号途径相 收稿日期:2011—03—04 基金项目:海南大学2l1工程专项资金(研究生教育教学改革研究项目)资助 作者简介:罗红丽(1973一),女,河南南阳人,博士,副教授,主要从事植物抗病性分子机理研究.Tel:0898— 66160720:E—mail:hlluo@live.com 热带生物学报 2011年 关的基因表达后,发现Pto介导的抗病性需要2个TGA类型转录因子TGA1a与TGA2.2的协调表达 。 小麦的转录因子TabZIP1通过依赖于ET/MeJA的信号途径参与植物对条锈病的抗病反应 J。在辣椒中, bZIP型转录因子PP,1和CAbZIP1能在病毒和病原细菌侵染后诱导表达 。 1.2 ERF型转录因子ERF蛋白是AP2/EREBP植物转录因子超家族成员之一,仅存在于植物中。该 家族成员在多种生命活动过程中具有重要的生物功能,包括生长发育以及对环境刺激的应答。ERF蛋白 都有一个长约58~59个氨基酸的保守结构域,称为ERF结构域,它可以与PR基因启动子中的2个相似 的GCC盒相结合。ERF家族成员可分为8个簇和14个亚簇,其中簇Ⅱ和簇Ⅶ与植物抗病性相关 。过 量表达ERF1基因的拟南芥植株提高了对2种不同的坏死性真菌的抗性,但对Pseudomonas syringae的抗 性减弱 J。目前已经从拟南芥、烟草、番茄、大豆、水稻、辣椒和小麦等多种植物中成功分离并鉴定出了多 个ERF转录因子,参与植物发育、植物对非生物胁迫和生物胁迫的多种应答反应 。 ERF型转录因子与其他转录因子或蛋白的相互作用在植物抗病反应中起重要作用。 G4可以与 ERF72互作PR一1型蛋白PR曰一1b的表达¨ 。ERF型转录因子Pti4、Pti5和Pti6均为Pto(Psedo— motta¥Tomato Resistance)的互作因子。ERF型转录因子Pti4参与番茄Pto介导的抗病性 。 拟南芥中的研究表明,ERF型转录因子能对信号分子水杨酸(salicylic acid,SA)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)和乙烯(ethylene,ET)产生应答,参与各信号途径中信号的整合和交流。水稻OsBIERF1—4参 与不同的抗病反应信号传导途径口 。当过量表达单个烟草ERF类基因 时,能够增强对病原菌的侵染 和渗透压的胁迫,TSI蛋白可以同时与GCC盒和CRT/DRE结构域结合,表明这2种不同胁迫的信号传递 途径通过单个职F基因联系起来。大麦的ERF型转录因子HvRAF在植物应答生物胁迫和非生物胁迫 中具有双重作用¨ 。这表明拟南芥AP2/ERF转录因子可以被分为3类:一类是能够整合JA和ET 途径的信号激活防卫基因的表达;一类是有选择的抑制JA应答基因;另一类只能诱导依赖于ET的基因 表达㈣。 1.3 WRKY家族WRKY家族是仅存在于高等植物中的一类锌指蛋白。所有的WRKY家族成员都含 有1个或者2个WRKY(WRKYGQK)保守结构域。WRKY蛋白可以和许多植物防卫反应基因启动子中 的高度保守的是作用元件W.box结合。利用芯片技术检测SAR基因的表达谱时,在鉴定出的26个 防卫反应基因启动子中,W—box是唯一的顺式作用元件,说明WRKY蛋白在植物防卫反应中的重要地位。 此外,WRKY还可以与其他的元件相结合。烟草的NtWRKY12蛋白含有1个变异的WRKYGKK氨基酸 序列,而不是像大部分WRKY蛋白含有WRKYGQK,可以激活PR一1a的转录并与WK—box(TIqTCCAC)结 合,但不能与W.box相结合¨ 。大麦的1个WRKY蛋白可以与ISOAMYLASE 1(ISO1)基因启动子中的 SURE(SUGAR.RESPONSIVE CIS ELEMENT)相结合¨ ,在该元件中存在与WK—box类似的序列qqTFCCA [16]。 WRKY家族转录因子对植物诱导抗病反应的调节功能具有多样性。水稻的WRKY45能够被SA,BTH 诱导表达,水稻中过量表达WRKY45可以增强水稻对稻瘟病的抗性 。在70多个拟南芥WRKY基因中, 有49个基因不同程度地受SA处理或细菌病原的诱导表达,而且这些被诱导表达的AtWRKY基因的启动 子中都富含W.box,表明WRKY启动子可以被特定的WRKY蛋白正向或负向。例如,AtWRKY18启动 子中的W.box是起负作用的顺式作用元件,它可能阻止AtWRKY18在抗病反应期间的过量表达,从而 减少该基因对植物的生长造成影响 18 3。AtWRKY6不仅能够负向调节艘1基因启动子的活性,同时还能 够激活启动子中含有W—box的受体激酶的表达并抑制其自身的表达 l 。还有一些WRKY转录因子,如 WRKY1l和WRKY17在拟南芥的基础抗性中起反向调节作用。WRKY38和WRKY62的缺失突变体对P.st 表现抗性,双突变体有叠加效应,但过量表达株系表现感病。相反地,HDA19的过量表达可以提高植物对 P.st的抗性。WRKY38和WRKY62能够与HDA19相互作用,表明三者的互作可以精确调节植物的基础抗 病反应 。WRKY18,WRKY40,WRKY 60可以形成复合物以调节植物的抗病性。其中WRKY 18最重 要,针对不同类型的病原物表现出功能冗余现象 。 第1期 罗红丽等:植物抗病反应相关转录因子的研究进展 85 WRKY蛋白家族还广泛参与了植物的先天免疫反应,包括由PAMPs启动的PIT和Effector启动的 EIT过程。AtWRKY22和AtWRKY29在细菌PAMP Flaglin22启动的MAPK级链反应的下游介导对细菌和 真菌的抗病性。用鞭毛蛋白处理后,可以激活MAPK的级链反应,从而诱导AtWRKY22和AtWRKY29的表 达;AtWRKY29基因的瞬时过量表达可以保护植物不受P.syringae和灰霉病菌(Botrytis cinerea)的侵害。 lfgellin诱导的WRKY41的过量表达能够消除MeJA诱导的PDF1.2的表达 。但关于它们之间的拮抗机 理仍不清楚。大麦的R蛋白Mildew A(MLA)能够干扰基础抗性HvWRKY1和HvWRKY2的PAMP诱导阻 遏物。PAMP诱导的WRKY基因的阻遏效应被抑制,由此激发了基础防卫反应 . 1.4 MYB类因子根据所含MYB结构域数目,植物MYB类转录因子可简单分为3个亚类:MYB蛋白 亚类、R2R3亚类和RlR2R3亚类。其中R2R3亚类含2个MYB结构域,与植物的抗病性相关。MYB类 转录因子与bHLH转录因子之间存在着组合的现象,其对靶基因的都离不开与bHLH转录因子 的互作 j。MYB转录因子主要参与植物HR和SAR的抗病反应。典型的例子是拟南芥的AtMYB30。过 量表达AtMYB30的拟南芥和烟草植株对不同的病原细菌表现过敏反应或类似过敏反应,并增强对多种细 菌病害和蛙眼病(Cercospora nicotianae)的抗性 。反义表达AtMYB30基因的拟南芥株系对病原细菌抗 性下降,HR细胞死亡被强烈抑制,HR和防卫反应基因表达也发生了改变。这些结果表明,AtMYB30是过 敏性细胞死亡的正向调节子。MYB30还通过超长链脂肪酸(VLCFAs)的生物合成激活拟南芥中过敏 性细胞死亡_2 。此外,拟南芥的1个MYB蛋白BOS1可以植物对坏死性病原菌如灰霉菌和链格孢 的抗病性 。AtMYB72已经被证明是根基细菌介导的诱导系统抗性(ISR)的必要成分。非致病性Pseud- omonasfluorescens WCS417诱导该基因在植物根部的表达对于引发系统的依赖于JA/ET的对多种病原物 产生防卫反应所必需 。 1.5 homeodomain蛋白homeodomain蛋白具有保守的homeodomain(HD)结构域。HD结构域能够对 特异性DNA序列进行识别和结合。homeodomain蛋白参与植物抗病反应的证据不多。来自拟南芥和欧 芹的一种核蛋白中存在1个61个氨基酸组成的HD结构域与真菌激发子介导的抗病防卫基因表达相 关 。H52编码1个HD—Zip家族的homeodomain蛋白,可以通过细胞程序化死亡来保护细胞,减缓 产生致死表型 。笔者克隆并鉴定了1个水稻BELL型转录因子基因OsBIHD1,编码1个新的水稻h0一 meodomain蛋白。稻瘟病菌侵染和诱导因子处理可激活OsBIHD1基因的表达 ,过量表达OsBIHD1的转 基因烟草植株中组成型表达P 一1a基因,并提高对病毒和真菌病害的抗性 引。另一个homeodomain型 转录因子OPC3通过JA信号途径参与植物对腐生病原菌的抗性 。 1.6 HSF蛋白HSF转录因子(the heat shock transcription fators)介导细胞对不同胁迫的应答,在胁迫条 件下HSFs经寡聚化由胞质转移到细胞核 ,能够与热击和胁迫诱导基因的调节元件结合。用番茄青枯 病菌毒性株系biovar II处理番茄后,除了能诱导PR一1基因的表达外,还能引起Hsp70基因的诱导表达, 同时还伴随着苯丙氨酸解氨酶活性的升高,表明Hsp70在番茄中作为防卫反应的一部分被诱导表达后,以 利于合成新的防卫相关蛋白和维持细胞内环境的稳定来完成防卫反应 。 2热带植物抗病相关转录因子的研究 模式植物中对于抗病相关转录因子的研究比较多,而在热带植物中由于起步较晚,研究不够深入。 目前,在热带植物中已经分离得到了一系列的转录因子基因,其中也有与抗病相关的转录因子。最典型 的例子是橡胶树死皮病相关基因HbMybI的克隆。该基因在橡胶树的叶片、树皮和胶乳中都有表达,但在 发生死皮病的树皮中表达明显减弱,表明HbMyb1通过树皮组织的完整性降低橡胶树死皮病的发 生 。橡胶树中获得的其它转录因子基因多与乳管分化相关,如橡胶树AP2/EREBP家族的4个转录因 子基因,受JA的诱导表达,在JA诱导橡胶树乳管分化过程中起着重要的作用 ;对HbbHLH转录因 子基因启动子的分析发现,其中含有多种对激素和胁迫诱导应答的顺式作用元件,认为该基因与乳管分 化和乳胶生物合成相关 ,此外,还分离获得了橡胶树转录因子HbMYC1和HbCOI1,并对HbCOI1的5 调 86 热带生物学报 控序列进行了分析 ,但功能不详。在香蕉中被研究的转录因子基因主要有MuMADSI、MaWRKYI和 MaWRKY2等,其中MuMADS1在果实成熟早期表达上调,是乙烯的上游因子,可能与花的发育、果实 发育及成熟相关 ,而MaWRK ̄与果实耐冷性相关_4 。尽管以上的多数基因在模式植物中的同源物都 与植物的抗病反应相关,但在香蕉和橡胶树抗病方面的功能却一直没有报道。值得一提的是,在甘蔗的 众多转录因子中,发现甘蔗R2R3型转录因子 基因的表达受接种病毒激活,并且受外源SA和H'O, 的强烈诱导,暗示该基因与甘蔗的抗病性相关‘4 。虽然对于热带植物的转录因子和研究t3趋受到重 视,但关于抗病方面的相关研究仍然十分有限。 3转录因子提高植物抗病性的应用前景 尽管植物的感病性只是偶然的特例,但每年因植物病害引起的经济损失数以亿计,甚至有时会对人 类造成灾难性的后果。在生产中,抗病品种的选育和利用一直是植物病害防治的重要途径之一。但是, 目前所利用的植物抗病性大多是由主效抗病基因所控制的小种一品种专化抗性,而且常常由于病原菌种 群的致病性变异以及新小种的产生而丧失抗病性,抗病品种的使用寿命只有几年。因此,培育和利用广 谱、持久抗病品种是有效控制作物病害发生、流行的重要途径。植物转录因子在抗病信号途径中处于枢 纽地位,一个转录因子往往可以下游多个与同类性状有关的基因的表达,因此与仅靠导人或改良单 个基因来提高作物某一方面的抗逆性的传统方法相比,通过增强一个关键转录因子的能力来提高作 物抗逆性的方法会更加有效。对于热带经济植物来说,多为多年生的经济乔木,如果能通过单个转录因 子基因达到防治多种同类病害的效果,将是一件一劳永逸的事情,具有重大的经济意义。 近年来,已经有许多实例表明,将一些与植物抗病有关的转录因子在植物中过量表达,可以提高植物 对病原菌的抗性 ,但也发现一些问题,即抗病性提高的同时伴随着其他农艺性状,特别是产量性状的变 化。人们提出通过诱导性启动子人为控制基因的表达时间来解决这一问题,但目前诱导表达多是利用激 素来完成,高成本和相关的生态安全问题使该方法的应用受到,因此,要从根本上解决这个问题还需 要对不同的转录因子展开深入研究,明确转录因子上下游各组分及其之间的关系,从而找到理想的转录 因子基因资源是完全有可能的。基于这一点,目前对于各种植物转录因子,特别是热带植物转录因子的 鉴定及其在抗病途径中的作用已经成为研究热点之一,植物转录因子在改良植物抗逆性,特别是在综合 提高植物抗病性的基因工程中,必将得到广泛的应用。 参考文献: [1]MCGRATH K C,DOMBRECHT B,MANNERS J M,et a1.Repressor and activatortype ethylene response factors functioning in jasmonate signaling and disease resistance identiifed via a genome—wide screen of Arabidopsis transcription factor gene ex— 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