植物缺鐵應(yīng)答bHLH轉(zhuǎn)錄因子研究進(jìn)展

杜家歡，翟麗紅，郭東林

哈爾濱師范大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 黑龍江省分子細(xì)胞遺傳與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150025

鐵 (Fe) 是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要微量元素。鐵作為許多細(xì)胞酶反應(yīng)如光合作用、線粒體呼吸、激素合成和固氮作用的必要輔助因子[1]，在植物光合作用和呼吸作用中不可缺少[2]。雖然鐵是地球上最豐富的元素之一，但在中性和堿性土壤中，通常以不溶性的氫氧化鐵形式存在，導(dǎo)致其生物可利用度低[3]。缺鐵限制植物生長(zhǎng)，進(jìn)而降低作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5]，研究植物體的鐵吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制對(duì)提高作物的鐵生物利用度至關(guān)重要[6]。植物通過(guò)調(diào)動(dòng)還原酶、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或鐵載體的高效表達(dá)來(lái)提高鐵吸收效率，這些蛋白的表達(dá)需要被嚴(yán)格調(diào)控[7]。植物利用一系列復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)在轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平維持鐵穩(wěn)態(tài)。目前已證實(shí)很多轉(zhuǎn)錄因子，如擬南芥Arabidopsis thaliana的FIT和PYE、水稻Oryza sativa的OsIRO和IDEF參與鐵脅迫應(yīng)答，并構(gòu)成調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[8]。FIT、PYE和IRO都是堿性螺旋-環(huán)-螺旋 (Basic helix-loop-helix，bHLH) 轉(zhuǎn)錄因子家族的成員，提示bHLH蛋白在鐵穩(wěn)態(tài)調(diào)控中非常重要。文中對(duì)植物缺鐵脅迫應(yīng)答的bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)、分類(lèi)和功能及其調(diào)控機(jī)制、介導(dǎo)的缺鐵脅迫信號(hào)通路進(jìn)行綜述。旨在加深對(duì)缺鐵脅迫應(yīng)答中bHLH轉(zhuǎn)錄因子作用的了解，為提高植物缺鐵脅迫耐受的實(shí)踐工作提供理論依據(jù)。

1 植物應(yīng)對(duì)缺鐵的高效吸收策略

植物為了克服缺鐵，采取兩種機(jī)制從土壤中高效攝取鐵，雙子葉和非禾本科單子葉植物采取還原策略 (策略Ⅰ)，而禾本科單子葉植物采用螯合策略 (策略Ⅱ)[9-11]。策略Ⅰ包括3個(gè)過(guò)程：根際酸化、還原和吸收。鐵缺乏時(shí)，H+-ATP酶擠壓質(zhì)子將質(zhì)子泵出細(xì)胞，降低根際的pH值，從而提高鐵的溶解度[12]。酸化后，質(zhì)膜結(jié)合的鐵還原氧化酶2 (Ferric reduction oxidase 2，F(xiàn)RO2) 將根表面的Fe3+還原為可溶性的Fe2+，然后通過(guò)高親和的鐵調(diào)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1 (Iron-regulated transporter1，IRT1) 導(dǎo)入根表皮細(xì)胞膜[13-16]，隨后與檸檬酸鹽或煙酰胺螯合轉(zhuǎn)移至其他組織和器官[17-18]。而策略Ⅱ植物通過(guò)釋放鐵載體從低鐵含量的土壤中螯合吸收鐵[19]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族參與植物應(yīng)對(duì)缺鐵，但植物應(yīng)對(duì)缺鐵的調(diào)控機(jī)制仍有待研究。

2 植物缺鐵脅迫應(yīng)答bHLH轉(zhuǎn)錄因子

2.1 bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)

2.1.1 bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)

bHLH轉(zhuǎn)錄因子因含有保守性較高的堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)域而得名[20]。bHLH蛋白結(jié)構(gòu)域約有60個(gè)氨基酸，有2個(gè)保守區(qū)域，N-末端的10–15個(gè)氨基酸組成堿性氨基酸區(qū)，C-末端的40個(gè)氨基酸組成螺旋-環(huán)-螺旋區(qū)[21-22]。HLH區(qū)調(diào)控bHLH蛋白互作形成同源或異源二聚體，通過(guò)堿性氨基酸區(qū)與DNA結(jié)合[23]。bHLH蛋白識(shí)別DNA的六核苷酸序列E-box (5′-CANNTG-3′) 而與之結(jié)合，從而調(diào)控靶基因的表達(dá)。E-box中間2個(gè)核苷酸可變，因而有多種形式，最常見(jiàn)的一種形式是回文G-box (5′-CACGTG-3′)[24]。了解bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有助于理解bHLH轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用。

2.1.2 bHLH轉(zhuǎn)錄因子的分類(lèi)

bHLH轉(zhuǎn)錄因子最初在動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)，隨后在大多數(shù)真核生物被發(fā)現(xiàn)。bHLH家族是植物最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，亞族非常豐富[25]。Toledo等曾將擬南芥中的147個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子基因劃分為21個(gè)亞族[26]，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，擬南芥bHLH成員增加到162個(gè)，這些bHLH調(diào)節(jié)大量的發(fā)育和生理反應(yīng)，其中之一就是缺鐵反應(yīng)。Li等將水稻中的167個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子分為22個(gè)亞族，將水稻和擬南芥中所有的bHLH轉(zhuǎn)錄因子劃分為25個(gè)亞族[24]。Hudson等[27]報(bào)道，大豆bHLH除一個(gè)亞族外，其余亞族與擬南芥具有高度的一致性。擬南芥、水稻、番茄Solanum lycopersicum、玉米Zea mays和大豆Glycine max中bHLH轉(zhuǎn)錄因子的基因結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系比較復(fù)雜，表明不同植物物種之間存在進(jìn)化差異。隨著研究的深入，bHLH轉(zhuǎn)錄因子將會(huì)在更多植物中被發(fā)現(xiàn)并得到更為詳盡的分析。

2.2 植物應(yīng)答缺鐵脅迫bHLH轉(zhuǎn)錄因子功能和表達(dá)模式

bHLH轉(zhuǎn)錄因子廣泛存在于高等植物各組織中，參與各種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、合成代謝以及逆境脅迫的響應(yīng)[28]。作為很多調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，bHLH轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合特定的順式作用元件，與傳導(dǎo)信號(hào)及激素等互作[29]，在衰老拮抗[30]、花青素合成[31]、開(kāi)花促進(jìn)[32]、細(xì)胞生長(zhǎng)[33]、干旱[34]和鹽[35]脅迫耐受等復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。

植物調(diào)節(jié)鐵離子平衡的機(jī)制較為復(fù)雜，bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族的部分成員涉及其中。目前已經(jīng)從擬南芥[36-37]、番茄[38-39]、大豆[40]、水稻[41-42]、小金海棠Malus xiaojinensis[43]、菊花Chrysan themum[44]、蘋(píng)果Malus domestica[45]、楊樹(shù)Populus[46]中克隆獲得十余個(gè)受缺鐵脅迫誘導(dǎo)的bHLH轉(zhuǎn)錄因子。其中擬南芥的AtbHLH29，也稱(chēng)為FIT1(FER-like iron deficiency-induced transcription factor 1)、AtbHLH38、AtbHLH39、AtbHLH34，水稻IRO2(Iron-related transcription factor2) 和番茄FER基因的功能研究較為深入。番茄FER最早被克隆鑒定應(yīng)答缺鐵脅迫，主要在根表皮細(xì)胞中表達(dá)，定位于細(xì)胞核[47]。擬南芥的FIT1/FRU/AtbHLH29是番茄FER的同源基因[48]，后期統(tǒng)一命名為FIT1。AtFIT1在根表皮受缺鐵誘導(dǎo)表達(dá)。fit突變體表型黃化，缺鐵時(shí)fit突變體幼苗無(wú)法存活，約一半的缺鐵誘導(dǎo)基因在其根中表達(dá)下調(diào)[49]。bHLH38/39/100/101與FIT同屬于bHLH Ib亞族，bHLH38和bHLH39在葉和根中都表達(dá)，且都受缺鐵強(qiáng)烈誘導(dǎo)[36]。bHLH18/19/20/25屬于bHLH IVa亞族，主要在根中表達(dá)，可通過(guò)茉莉酸 (Jasmonic acid，JA) 處理誘導(dǎo)，是FIT的新型互作物，促進(jìn)JA誘導(dǎo)的FIT蛋白降解，抑制擬南芥的鐵吸收[50]。

番茄、水稻、大豆和玉米的基因組中都有AtbHLH38/39/100/101的同源物。bHLH104、bHLH IVc亞族成員bHLH105和bHLH115在缺鐵調(diào)控中發(fā)揮各自不同的作用。盡管表達(dá)水平不同，bHLH38和bHLH100的表達(dá)模式與bHLH39和bHLH101相似。在不同解剖部位，bHLH39和bHLH101表現(xiàn)出更為復(fù)雜的表達(dá)譜。bHLH39在根、莖中段細(xì)胞以及胚根、下胚軸等部位高表達(dá)，在種子和老葉中發(fā)揮重要作用[51]。對(duì)缺鐵誘導(dǎo)敏感的POPEYE (PYE) 蛋白通過(guò)負(fù)調(diào)控?zé)燉０泛厦窷AS4(Nicotianamine synthase 4)、鐵氧還原酶FRO3(Ferric reductase defective3) 和鋅誘導(dǎo)的促進(jìn)因子ZIF1(Zinc-induced facilitator1) 的表達(dá)參與Fe穩(wěn)態(tài)[52]。水稻中一組bHLH轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)鐵穩(wěn)態(tài)也被證實(shí)。在缺鐵條件下，水稻IRO2正調(diào)控麥角酸生物合成相關(guān)基因，IRO2的過(guò)表達(dá)促進(jìn)鐵的吸收和轉(zhuǎn)移[42]。水稻IRO3 蛋白被缺鐵誘導(dǎo)表達(dá)高達(dá)20–70倍。IRO3過(guò)表達(dá)系對(duì)低鐵高度敏感，缺鐵誘導(dǎo)基因的表達(dá)受抑制，提示IRO3是水稻缺鐵反應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子[53]。

缺鐵條件下小金海棠根中MxbHLH1表達(dá)上調(diào)，其表達(dá)模式類(lèi)似AtFIT[43]。Zhao等[44]發(fā)現(xiàn)在缺鐵和外源施加脫落酸 (Abscisic acid，ABA) 條件下菊花CmbHLH1在根中表達(dá)上調(diào)。楊樹(shù)PtFIT只在缺鐵的根中上調(diào)表達(dá)[46]。Li等[40]分離和表征了大豆FIT和AtbHLH38/39/100/101的同源基因GmbHLH57和GmbHLH300，缺鐵條件下兩個(gè)基因均上調(diào)表達(dá)，并僅在根和根瘤中表達(dá)。Zhao等[47]發(fā)現(xiàn)在缺鐵條件下MdbHLH104增加了蘋(píng)果H+-ATPase的活性，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因蘋(píng)果愈傷組織對(duì)缺鐵的耐受性。水稻bHLH133在鐵離子從根到嫩葉的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中具有重要的調(diào)節(jié)作用[41]。Du等[39]鑒定出與擬南芥bHLH Ib亞族同源的番茄轉(zhuǎn)錄因子SlbHLH068，SlbHLH068在缺鐵的根、莖和葉片中表達(dá)顯著上調(diào)。研究結(jié)果表明，上述bHLH轉(zhuǎn)錄因子在植物鐵離子平衡中發(fā)揮重要作用，不同的bHLH在表達(dá)部位、誘導(dǎo)條件、調(diào)控模式等方面具有較大的差異，可能在植物鐵平衡不同環(huán)節(jié)中發(fā)揮調(diào)控作用。

3 bHLH轉(zhuǎn)錄因子在植物鐵脅迫中的調(diào)控機(jī)制

3.1 bHLH轉(zhuǎn)錄因子間的相互作用

bHLH家族的一個(gè)典型特點(diǎn)是bHLH蛋白通常以同源或異源二聚體的形式發(fā)揮作用。bHLH蛋白二聚體特異性地與靶基因啟動(dòng)子的不同部位結(jié)合，對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄發(fā)揮調(diào)控作用。bHLH蛋白的C-末端HLH區(qū)域負(fù)責(zé)形成同源或異源二聚體[24-25]。在fit突變體中，IRT1和FRO2的表達(dá)顯著降低[49]。盡管FIT可以形成同源二聚體，但單獨(dú)過(guò)表達(dá)FIT不增加FRO2和IRT1的表達(dá)，檢測(cè)不到嫩枝中有明顯的表型或鐵含量變化，除非FIT與bHLH38/39/100/101之一共表達(dá)才能驅(qū)動(dòng)FRO2和IRT1的表達(dá)[51]。FIT與bHLH38/39的雙高表達(dá)植株葉片的鐵含量和對(duì)缺鐵的耐受性顯著提高[54]，說(shuō)明FIT需要與其他蛋白形成異源二聚體才能發(fā)揮其功能。與之類(lèi)似，番茄FER和SlbHLH068的互作對(duì)于LeFRO1和LeIRT1的激活是必不可少的[39]。酵母雙雜交實(shí)驗(yàn)和熒光互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)證實(shí)FIT可以與bHLH100/101中的任何一個(gè)形成異源二聚體[55]。bHLH38/39/100/101獨(dú)立于FIT誘導(dǎo)，其作用于FIT和bHLH Ib亞族基因的調(diào)控機(jī)制尚不清楚。bHLH104可以與ILR3形成異源二聚體，也可以與bHLH115互作，或與bHLH34輕微互作[37]，意味著bHLH104可能與多個(gè)互作者發(fā)生二聚反應(yīng)以專(zhuān)性調(diào)控靶基因。大豆GmbHLH57或GmbHLH300單獨(dú)過(guò)表達(dá)導(dǎo)致對(duì)缺鐵響應(yīng)的改變，共過(guò)表達(dá)上調(diào)下游鐵攝取基因并增加了植物的鐵含量[40]。MxbHLH1蛋白不能在酵母中完成激活轉(zhuǎn)錄，推斷MxbHLH1可能需要與其他蛋白形成異二聚體才能調(diào)節(jié)缺鐵響應(yīng)基因的表達(dá)[43]。以上研究均表明bHLH蛋白以同源或異源二聚體的形式發(fā)揮缺鐵響應(yīng)的調(diào)控作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取bHLH蛋白形成二聚體的成分、結(jié)構(gòu)等具體信息，對(duì)于加深對(duì)bHLH的認(rèn)知、進(jìn)一步研究bHLH的功能具有重要意義。

3.2 植物bHLH轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的缺鐵脅迫信號(hào)通路

3.2.1 FIT調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

擬南芥AtFIT主要在根中受缺鐵誘導(dǎo)表達(dá)。缺鐵條件下，功能缺失突變體fit植株萎黃且長(zhǎng)勢(shì)嚴(yán)重遲緩。缺鐵條件下超表達(dá)不能誘導(dǎo)IRT1和FRO2，F(xiàn)RO2或IRT1的上調(diào)不依賴(lài)FIT，而依賴(lài)于FIT與bHLH38/39/100/101形成的二聚體[54-55]。擬南芥中同時(shí)過(guò)表達(dá)FIT1與bHLH38/39，F(xiàn)RO2和IRT1持續(xù)高表達(dá)，積累更多的鐵。FIT與bHLH38/39/100/101中的任一個(gè)形成異源二聚體可激活I(lǐng)RT1和FRO2啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的GUS表達(dá)[36,55]，表明IRT1和FRO2是FIT與bHLH38/39/100/101的直接靶基因，而FIT具有表達(dá)和激活的作用。過(guò)表達(dá)bHLH104和ILR3導(dǎo)致更強(qiáng)的缺鐵耐受性，bHLH104和ILR3均能與bHLH Ib亞族基因或PYE啟動(dòng)子結(jié)合，作為這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路的上游調(diào)控子。雖然缺鐵條件下bhlh104和ilr3突變體中FIT的上調(diào)也受抑制，但沒(méi)有檢測(cè)到bHLH104或ILR3與FIT啟動(dòng)子的結(jié)合，表明存在其他的bHLH104和ILR3下游調(diào)控因子作用于FIT。ILR3過(guò)表達(dá)導(dǎo)致葉片萎黃，而bHLH104的高表達(dá)植株bHLH104ox未表現(xiàn)萎黃，表明ILR3和bHLH104可能獨(dú)立作用于不同的下游靶點(diǎn)[56]。Lin等利用酵母雙雜交系統(tǒng)鑒定了FIT結(jié)合蛋白 (FBP)，F(xiàn)BP在根莖中表達(dá)，由FIT引起的負(fù)調(diào)節(jié)僅限于該組織，而其他FIT調(diào)控的基因，如IRT1和FRO2，主要表達(dá)于根表皮，在fbp突變體中沒(méi)有表現(xiàn)出轉(zhuǎn)錄上調(diào)[57]。

3.2.2 POPEYE調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

Dinneny等[58]證明在擬南芥根的表皮細(xì)胞中主要誘導(dǎo)與金屬離子運(yùn)輸和螯合相關(guān)的基因表達(dá)，而中柱細(xì)胞中主要富集信號(hào)通路和環(huán)境脅迫相關(guān)基因。Long等[52]證實(shí)擬南芥bHLH Ⅳ亞族的缺鐵響應(yīng)負(fù)調(diào)控因子POPEYE(PYE) 在根中柱鞘細(xì)胞中發(fā)揮重要作用。bHLH104、bHLH115(ILR3)和bHLH105是PYE的同源蛋白，也被稱(chēng)作PYE-LIKE (PYEL) 蛋白[56,59]。缺鐵條件下，pye突變體根的生長(zhǎng)受抑制，葉黃化、葉綠素含量、根鐵還原酶活性和根際酸化能力均降低，而根和葉中的鐵含量卻升高。bhlh104、bhlh105突變體的表現(xiàn)類(lèi)似于pye突變體，bhlh115突變體對(duì)缺鐵的敏感性增強(qiáng)。高表達(dá)bHLH104的株系表型與其突變體正好相反。過(guò)表達(dá)bHLH104或ILR3可顯著耐受缺鐵，缺鐵耐受和高鐵含量可能部分歸因于根部質(zhì)量的增大。過(guò)表達(dá)bHLH105促進(jìn)鐵的積累。FIT、FRO2、IRT1以及bHLH Ib亞族已知的鐵調(diào)控基因在bhlh104和ilr3突變體中下調(diào)。表明bHLH Ⅳc亞族成員具有相似的分子功能和不同的生物學(xué)功能。

染色質(zhì)免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PYE可直接結(jié)合到NAS4、FRO3和ZIF1的啟動(dòng)子上，并下調(diào)其表達(dá)。PYE可與bHLH104/105或ILR3互作[52,56]，bHLH104/105或bHLH34/105的二聚體也參與PYE的調(diào)控[37]。過(guò)表達(dá)bHLH104導(dǎo)致植物體尤其是韌皮部的鐵過(guò)度積累。在nas4x-2的韌皮部也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的鐵超載，煙酰胺缺失不能將鐵從韌皮部重新動(dòng)員，導(dǎo)致鐵滯留在韌皮部，幼葉缺鐵[60]。菊花的CmbHLH1與ILR3高度相似，在缺鐵情況下調(diào)節(jié)鐵攝取[44]。這些發(fā)現(xiàn)提示bHLH Ⅳc亞族轉(zhuǎn)錄因子在植物體內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的功能可能是保守的。

3.2.3 BRUTUS調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

Long等[52]報(bào)道了另一個(gè)在根中柱鞘中表達(dá)并受缺鐵強(qiáng)烈誘導(dǎo)的bHLH Ⅳc亞族成員E3連接酶基因BRUTUS(BTS)。缺鐵條件下bts突變體的表型與pye恰好相反，在鐵充足條件下積累更多的鐵和具有更高的缺鐵耐受性[61]。BTS具有泛素化功能并與鐵結(jié)合，是一種潛在的鐵傳感器。BTS與PYEL蛋白互作，靶向bHLH105和bHLH115，由26S蛋白酶體介導(dǎo)降解[59]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)bHLH105和bHLH115在體外可以被BTS降解，遺傳分析也證實(shí)bHLH115由BTS負(fù)調(diào)控[59,61]，bHLH105和bHLH115的降解可以解釋bts功能缺失植物的鐵過(guò)度積累。bHLH104缺失降低bts的缺鐵耐受，提示雖然都位于細(xì)胞核中并能夠互作，但在鐵穩(wěn)態(tài)中BTS與bHLH104的作用相反[56]。此外，bhlh104突變體中應(yīng)答缺鐵下調(diào)的基因在BTSRNAi株系中上調(diào)，表明bHLH104和BTS可能共同在鐵穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)途徑中起作用。缺鐵條件下，bHLH Ⅳc亞族bHLH34/104/105/115激活PYE、FIT、bHLH38/39/100/101的表達(dá)。FIT 和bHLH38/39/100/101協(xié)同激活I(lǐng)RT1和FRO2的表達(dá)。PYE直接調(diào)控鐵分布相關(guān)基因ZIF1和NAS4的表達(dá)。bHLH34/104/105/115在重疊表達(dá)上起協(xié)同作用，每個(gè)基因的獨(dú)立表達(dá)具有特定的作用[37]。bts能夠積累過(guò)量的鐵，缺鐵誘導(dǎo)基因的表達(dá)顯著增強(qiáng)，這些特征與水稻HRZs敲除植株非常相似，HRZ1/2具有E3連接酶活性，和BTS一樣能結(jié)合Fe、Zn，證實(shí)了它們?cè)谥参镏胸?fù)調(diào)節(jié)鐵攝取中的保守功能[61]。

3.2.4 OsIRO和IDEF的正調(diào)控途徑

水稻中缺鐵脅迫誘導(dǎo)的順式作用元件IDE1(Iron deficiency responsive element 1) 和IDE2首先被發(fā)現(xiàn)，協(xié)同參與了根、葉中的缺鐵脅迫應(yīng)答。隨后，特異結(jié)合于該元件上的轉(zhuǎn)錄因子IDEF1(IDE-binding factor 1) 和IDEF2被發(fā)現(xiàn)[62]。IDEF1和IDEF2分別調(diào)控兩個(gè)獨(dú)立且?guī)缀醪恢丿B的缺鐵誘導(dǎo)基因網(wǎng)絡(luò)。IDEF1正向調(diào)控大多數(shù)已知的鐵吸收相關(guān)基因。在缺鐵脅迫的不同階段，IDEF1調(diào)控的下游基因種類(lèi)改變[63]，而IDEF2調(diào)控的下游基因可能不變。IDEF1通過(guò)與鐵吸收相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)的CATGC元件結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)這些基因的表達(dá)，介導(dǎo)植物對(duì)缺鐵的早期應(yīng)答。IDEF1正調(diào)控OsIRO2的表達(dá)[64]，與水稻IRO2啟動(dòng)子結(jié)合的核心序列為CACGTGG[21]，意味著IRO2的轉(zhuǎn)錄激活也可能通過(guò)其啟動(dòng)子中的E-box進(jìn)行。OsIRO2正調(diào)控鐵吸收策略Ⅱ相關(guān)基因，包括OsNAS1、OsNAS2、OsNAAT1、OsDMAS1、OsTOM1和OsYSL15等。過(guò)表達(dá)OsIRO2提高鐵離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，OsIRO2調(diào)控一些缺鐵誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，但可能不是直接調(diào)控[42,64]。過(guò)表達(dá)負(fù)調(diào)節(jié)因子OsIRO3抑制水稻缺鐵響應(yīng)基因的表達(dá)，表現(xiàn)出對(duì)低鐵的超敏反應(yīng)[53]。IDEF2屬于NAC轉(zhuǎn)錄因子家族的一個(gè)分支，能特異結(jié)合缺鐵應(yīng)答順式元件IDE2。IDEF2在水稻根和葉中組成型表達(dá)，水稻中IDEF2的功能抑制導(dǎo)致根莖葉的鐵分配異常[65]。IDEF2正調(diào)控OsYSL2及其他一些基因，合理分配植株中的鐵。

綜上所述，bHLH轉(zhuǎn)錄因子可以通過(guò)至少4個(gè)途徑調(diào)節(jié)植物的鐵吸收轉(zhuǎn)運(yùn)。既有正調(diào)控機(jī)制，又有負(fù)調(diào)控作用，充分體現(xiàn)了對(duì)鐵吸收的細(xì)微調(diào)節(jié)，也反映出bHLH轉(zhuǎn)錄因子在植物鐵營(yíng)養(yǎng)控制中的重要性和調(diào)控方式的多樣性。闡明bHLH轉(zhuǎn)錄因子缺鐵響應(yīng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有助于深入了解植物應(yīng)對(duì)缺鐵機(jī)制，bHLH基因有可能作為作物生物強(qiáng)化的有效工具，深入研究其特性可以為缺鐵耐受作物或富鐵作物的培育提供設(shè)計(jì)策略。

4 展望

植物bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族成員眾多，在不同代謝途徑中發(fā)揮調(diào)節(jié)功能，參與缺鐵調(diào)控的bHLH轉(zhuǎn)錄因子的研究?jī)H在兩種模式植物擬南芥和水稻中取得了一定的成果。筆者的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵脅迫的紫花苜蓿、大豆、歐李進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿中bHLH041、bHLH130、bHLH93、bHLH115響應(yīng)鐵處理表達(dá)上調(diào)，克隆獲得了bHLH115；在大豆缺鐵處理敏感和耐受品種中多個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子存在表達(dá)差異，其中bHLH47轉(zhuǎn)錄因子在大豆缺鐵處理耐受品種中表達(dá)上調(diào)；長(zhǎng)期缺鐵處理的木本植物歐李bHLH轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)下調(diào)。這些轉(zhuǎn)錄因子的功能有待進(jìn)一步研究，以上結(jié)果也表明繼續(xù)發(fā)掘缺鐵響應(yīng)bHLH轉(zhuǎn)錄因子具有重要意義。

在今后的研究中，對(duì)于已知的缺鐵響應(yīng)bHLH轉(zhuǎn)錄因子，需要進(jìn)一步研究其突變體的表型和對(duì)金屬的依賴(lài)性，區(qū)分不同解剖學(xué)部位中的響應(yīng)程度；確定哪些bHLH轉(zhuǎn)錄因子在功能上相似，通過(guò)構(gòu)建三或四突變體、利用敲除實(shí)驗(yàn)分析缺失基因的功能；還需要鑒定潛在的靶基因，明確調(diào)控的上下游基因，解析bHLH蛋白的互作類(lèi)型及效應(yīng)，補(bǔ)充調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)；此外，需要進(jìn)一步了解bHLH蛋白的三維結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而了解其在代謝通路過(guò)程中如何發(fā)揮作用；鑒于bHLH轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)脅迫的多樣性以及乙烯、生長(zhǎng)素、油菜素類(lèi)固醇、茉莉酸、ABA和細(xì)胞分裂素等激素在植物鐵營(yíng)養(yǎng)中的調(diào)節(jié)作用，激素調(diào)節(jié)途徑與bHLH轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)是否存在重疊、協(xié)同或拮抗效應(yīng)，也是有待解決的問(wèn)題。