植物NAC轉(zhuǎn)錄因子的研究進展

王芳 孫立嬌 趙曉宇 王婕婉 宋興舜

（東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150040）

NAC名稱來自矮牽牛（Petunia hybrida）的NAM及擬南芥的ATAF1/2和CUC2的第一個字母，最初由Souer等［1］和Aida等［2］發(fā)現(xiàn)。NAC是植物中最大的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，全基因組研究表明擬南芥（Arabidopsis thaliana）中有117個NAC基因，水稻（Oryza sativa）中有151個，大豆（Glycine max）和煙草（Nicotiana tabacum）中各有101和152個［3-6］。

越來越多的研究已經(jīng)證實植物的生長發(fā)育過程及脅迫條件下的生存與NAC轉(zhuǎn)錄因子有關(guān)，NAC轉(zhuǎn)錄因子家族成員的功能研究受到了公眾的廣泛關(guān)注。筆者總結(jié)了近年來NAC轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控細胞增殖與壽命、代謝物合成、細胞程序化死亡、脅迫響應(yīng)、信號傳導(dǎo)等方面的突破性進展（表1）。可見，近年來關(guān)于NAC轉(zhuǎn)錄因子家族成員的功能逐漸成為研究熱點。本文就植物NAC轉(zhuǎn)錄因子的最新研究進展展開綜述，并預(yù)測未來的研究方向。

1 NAC轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點及分類

NAC結(jié)構(gòu)域最初的特征在于來自NAM、ATAF1/2和CUC2的共有序列。NAC蛋白含有結(jié)合DNA的NAC結(jié)構(gòu)域，其大約150個氨基酸位于蛋白質(zhì)的N末端，通常分為5個子域（A-E），ACD亞結(jié)構(gòu)域高度保守，B和E亞結(jié)構(gòu)域可變，參與NAC蛋白的許多獨特功能［7］。除了NAC結(jié)構(gòu)域外，同一組中的大多數(shù)成員共享一個或多個基序。單子葉植物和雙子葉植物中，SNAC組在保守結(jié)構(gòu)域外的區(qū)域內(nèi)具有一段28個氨基酸高度保守的基序。C末端轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)區(qū)（Transcription regulatory region，TRR）可以激活或抑制轉(zhuǎn)錄。Nuruzzaman等［8］研究表明TRR基序?qū)τ谝粋€特定的NAC亞家族是保守的，但在不同的亞家族中存在差異。因此，該區(qū)域賦予NAC蛋白質(zhì)的個體功能變異。一些NAC轉(zhuǎn)錄因子還在C-末端區(qū)域中含有負責(zé)錨定到質(zhì)膜或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的跨膜（Transmembrane，TM）基序。當(dāng)植物處于特定發(fā)育階段或者脅迫條件下，其被蛋白水解切割后移位至細胞核（圖1-A）［9］。但關(guān)于植物NAC蛋白三級結(jié)構(gòu)的研究還很薄弱，目前，通過X光衍射僅獲得ANAC019和OsNAC1 2個NAC轉(zhuǎn)錄因子保守域的晶體結(jié)構(gòu)［10-11］。ANAC019是第一個進行晶體結(jié)構(gòu)解析的NAC蛋白，其N-末端保守域由3個α-螺旋和6個反向平行的β-折疊組成，其同源二聚體模型也同時被報道（圖1-B，1-C）［10］。其實許多NAC蛋白存在與之類似的二聚體結(jié)合位點，表明大多數(shù)NAC蛋白均以同源二聚體的形式發(fā)揮調(diào)控作用［12］。

表1 NAC轉(zhuǎn)錄因子的最新研究進展

Ooka等［13］首次對水稻（單子葉植物）和擬南芥（雙子葉植物）中的NAC家族基因進行了全面分析。通過序列相似性將已知的NAC家族蛋白分為兩大組和18個亞組。隨后，對NAC亞家族成員的研究均以O(shè)oka的分類為依據(jù)進行展開。

圖1 NAC蛋白的結(jié)構(gòu)示意圖［9-10］

2 NAC轉(zhuǎn)錄因子的功能

2.1 NAC轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育中的功能

NAC轉(zhuǎn)錄因子首先在正向遺傳篩選中被確定為發(fā)育過程的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。NAC家族的基因已被證明可以調(diào)節(jié)廣泛的發(fā)育過程，包括纖維發(fā)育［14］、次生壁合成［15］、細胞擴增［16］、葉片衰老［17］及果實成熟［18］等。最新研究表明NAC轉(zhuǎn)錄因子可以通過參與多種激素代謝途徑調(diào)控植物生長發(fā)育。Huang等［14］確定了一個赤霉素（GA）信號級聯(lián)，調(diào)節(jié)水稻的次生壁纖維素合成。NAC29/31和MYB61是水稻中的纖維素合成酶基因（CESA）調(diào)節(jié)劑，NAC29/31直接調(diào)節(jié)MYB61，后者反過來激活CESA表達；SLENDER RICE1（SLR1）是GA信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵阻遏物，與NAC直接相互作用，NAC-MYB-CESA信號被SLR1-NAC29/31所阻斷。GA信號通過減弱SLR1和NAC之間的相互作用來促進纖維素合成。NAC轉(zhuǎn)錄因子還可以通過可選擇的剪接實現(xiàn)對木材形成期間纖維細胞壁增厚等過程的調(diào)節(jié)。

毛果楊（Populus trichocarpa）的NAC轉(zhuǎn)錄因子PtrWND1B在次生木質(zhì)部纖維細胞中發(fā)生可變剪接。兩種PtrWND1B亞型在調(diào)控楊樹纖維細胞分化期間細胞壁增厚中起拮抗作用。PtrWND1B-s過表達增強纖維細胞壁增厚，而PtrWND1B-l過表達抑制纖維細胞壁增厚［15］。NAC基因可以受乙烯調(diào)節(jié)參與細胞擴增。玫瑰（Rosa hybrida）中的RhNAC100轉(zhuǎn)錄物由乙烯通過miR164依賴的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控進行調(diào)節(jié)，RhNAC100的過表達通過抑制花瓣細胞擴增顯著減少了花瓣大?。?6］。NAC家族的多個成員在擬南芥和其他植物物種中的葉子衰老調(diào)節(jié)中起作用。Ma等［17］發(fā)現(xiàn)番茄（Solanum lycopersicum）中ABA激活的NAC轉(zhuǎn)錄因子SlNAP2通過直接控制衰老相關(guān)基因SlSAG113和葉綠素降解相關(guān)基因SlSGR1和S1PAO的表達以及自我調(diào)節(jié)ABA含量，調(diào)控葉片衰老和果實產(chǎn)量。并且這種NAP調(diào)控機制在單子葉和雙子葉中是高度保守的。水稻NAC轉(zhuǎn)錄因子OsNAC2直接激活葉綠素降解基因（OsSGR和OsNYC3）導(dǎo)致葉綠素水平降低、直接上調(diào)ABA生物合成基因（OsNCED3和OsZEP1）以及下調(diào)ABA分解代謝基因（OsABA8ox1）的表達而導(dǎo)致ABA水平的增加，最終加速葉片衰老［19］。

NAC轉(zhuǎn)錄因子還參與果實成熟的各個方面，研究發(fā)現(xiàn)AaNAC2、AaNAC3和AaNAC4結(jié)合獼猴桃萜合成酶1（AaTPS1）啟動子，促使軟棗獼猴桃（Actinidia arguta）果實中積累較多的單萜揮發(fā)物［18］。擬南芥JUB1可以抑制細胞內(nèi)H2O2水平，降低衰老相關(guān)基因的水平，強烈延長植物壽命［20］。擬南芥轉(zhuǎn)錄因子ANAC087和ANAC046在柱狀層和次生根中參與程序性細胞死亡的不同方面的調(diào)節(jié)［21］。

2.2 NAC轉(zhuǎn)錄因子在非生物脅迫中的功能

NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物應(yīng)激反應(yīng)過程中復(fù)雜信號傳導(dǎo)的重要組成部分?？紤]到來自不同植物的相對大量的NAC轉(zhuǎn)錄因子及其在復(fù)雜環(huán)境刺激下的未知和多樣化作用，揭示其在非生物脅迫中的作用仍然是一個相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。最近的一些新證據(jù)證實了NAC轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控與植物非生物反應(yīng)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄重編程中發(fā)揮的積極作用。

2.2.1 NAC轉(zhuǎn)錄因子對干旱脅迫的響應(yīng) 番茄JUNGBRUNNEN1（JUB1）直接結(jié)合SlDREB1、SlDREB2和SlDELLA的啟動子，增加了番茄的耐旱性。JUB1作為耐旱的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，控制非生物脅迫相關(guān)基因的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在擬南芥和番茄中相當(dāng)保守［22］。擬南芥ANAC096與bZIP型轉(zhuǎn)錄因子ABRE結(jié)合因子和ABRE結(jié)合蛋白（ABF/AREB）合作以激活A(yù)BA誘導(dǎo)基因幫助植物在脫水和滲透下存活［23］。Wu等［24］發(fā)現(xiàn)枸橘（Poncirus trifoliata）中PtrNAC72是腐胺生物合成的阻遏物，并且可能通過調(diào)節(jié)腐胺相關(guān)的活性氧穩(wěn)態(tài)而負面調(diào)節(jié)干旱脅迫響應(yīng)。甘藍輪枝菌（Verticillium longisporum）侵染擬南芥誘導(dǎo)束鞘細胞轉(zhuǎn)分化成木質(zhì)部，VND6和VND7在轉(zhuǎn)分化中發(fā)揮關(guān)鍵作用并伴隨植物耐旱性增加［25］。苜蓿（Medicago falcata）在干旱脅迫下，MfNACsa去棕櫚酰化移位至細胞核，結(jié)合MtGlyl啟動子，通過維持谷胱甘肽庫處于還原狀態(tài)而導(dǎo)致耐旱性［26］。

2.2.2 NAC轉(zhuǎn)錄因子對鹽脅迫的響應(yīng) Liu等［27］發(fā)現(xiàn)鹽芥中獲得的TsNAC1（擬南芥ANAC072的同系物）能夠靶向一種重要的質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白TsVP1，TsVP1利用來自PPi水解的能量與H+-ATPase合作將H+轉(zhuǎn)移到液泡或細胞外環(huán)境中來提高植物的耐鹽性，而擬南芥中AVP1對鹽脅迫無反應(yīng)，并且不受ANAC072的正調(diào)控，TsNAC1和ANAC072之間的這些差異有助于解釋擬南芥和鹽芥之間耐鹽性的差異。Ana等［28］發(fā)現(xiàn)了一種新的“MdNAC047-MdERF3-乙烯-鹽耐受性”調(diào)節(jié)途徑，MdNAC047直接與MdERF3（乙烯反應(yīng)因子）啟動子結(jié)合并激活其轉(zhuǎn)錄，促進乙烯的釋放并賦予植物耐鹽性，為乙烯和鹽脅迫之間的聯(lián)系提出了新見解。

2.2.3 NAC轉(zhuǎn)錄因子對溫度脅迫的響應(yīng) 在單子葉植物和雙子葉植物中保守的C重復(fù)基序結(jié)合因子（CBF）在調(diào)節(jié)大量冷相關(guān)（COR）基因中起至關(guān)重要的作用，在冷信號網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)中心樞紐［29］。一些研究表明，NAC轉(zhuǎn)錄因子參與了CBF-COR途徑。例如，GmNAC20通過直接結(jié)合DREB1A的啟動子并抑制DREB1C的表達來調(diào)節(jié)COR并介導(dǎo)應(yīng)激耐受［30］；MaNAC1通過與MaCBF1相互作用參與冷應(yīng)激［29］。這表明NAC-DREB/CBF-COR為重要的信號級聯(lián)，調(diào)節(jié)植物對低溫脅迫的反應(yīng)。至今，熱應(yīng)激反應(yīng)研究有限，僅有為數(shù)不多的NAC基因被證實響應(yīng)植物的高溫脅迫。例如，小麥（Triticum aestivum）TaNAC2L可通過調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)基因的表達來改善耐熱性［31］。Fang等［32］報道了一種應(yīng)激反應(yīng)的 NAC基因SNAC3，其可以直接靶向ROS相關(guān)酶基因，通過調(diào)節(jié)ROS穩(wěn)態(tài)來賦予熱脅迫耐受性。

2.3 NAC轉(zhuǎn)錄因子對生物脅迫的響應(yīng)

大多數(shù)報道表明NAC轉(zhuǎn)錄因子是植物免疫系統(tǒng)，基礎(chǔ)防御和系統(tǒng)獲得性抗性方面的核心組成部分，這是一個活躍的研究領(lǐng)域［33］。ATAF2由于抑制發(fā)病相關(guān)（PR）基因表達導(dǎo)致對尖孢鐮刀菌的易感性增加［34］。與ATAF2不同，ATAF1可通過假設(shè)的負調(diào)節(jié)因子間接調(diào)節(jié)PR基因的抑制作用，提高對強毒白粉菌的抗性和提高抗穿透性［35］，表明ATAF亞家族調(diào)節(jié)不同的病原體顯然具有保守但非冗余的功能。Huang等［33］發(fā)現(xiàn)番茄中6種NAC轉(zhuǎn)錄因子對番茄黃葉卷曲病毒感染有反應(yīng)，這些轉(zhuǎn)錄因子還與其他蛋白質(zhì)相互作用，包括蛋白磷酸酶和絲裂原活化蛋白激酶以及轉(zhuǎn)錄因子。NAC和其他轉(zhuǎn)錄因子之間存在的調(diào)節(jié)途徑可能是植物應(yīng)對病原體感染的機制的重要組成部分。JA反應(yīng)性SNAC因子可能在生物和非生物脅迫反應(yīng)中起作用是合理的。番茄中兩種同源NAC轉(zhuǎn)錄因子JA2和JA2L通過不同的機制差異調(diào)節(jié)病原體誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉和重新開放［36］。

2.4 NAC轉(zhuǎn)錄因子的其他功能

除了在植物生長發(fā)育以及一些常見脅迫中發(fā)揮重要作用外，NAC轉(zhuǎn)錄因還具有諸多功能。ANAC78和ANAC53蛋白是蛋白酶體應(yīng)激調(diào)節(jié)的中心調(diào)節(jié)劑，它通過提供足夠的26S蛋白酶體和其他蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)因子來減輕蛋白質(zhì)毒性應(yīng)激［37］。ANAC013通過與線粒體功能障礙基序順式調(diào)節(jié)元件的直接相互作用介導(dǎo)線粒體逆行信號并增加氧化應(yīng)激耐受性［38］。ANAC017在線粒體功能障礙期間激活A(yù)OX1a的轉(zhuǎn)錄，介導(dǎo)H2O2誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄本豐度的變化，從而整合順行和逆行調(diào)節(jié)途徑［39］。ZmNAC84被鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶磷酸化，激活下游基因參與ABA誘導(dǎo)的抗氧化防御［40］。Hofmann等［41］發(fā)現(xiàn)SHYG（ANAC047）在洪澇脅迫下激活下游靶標(biāo)ACO5來促進乙烯生物合成，通過涉及乙烯的正反饋回路改變了葉柄的角度，保持葉子與空氣接觸，在洪澇響應(yīng)中起作用。小麥TaNAC2-5A可直接結(jié)合編碼硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白和谷氨酰胺合成酶的基因的啟動子區(qū)域，提高根系生長和硝酸鹽流入速率，從而提高了根系獲得氮的能力并具有較高的籽粒產(chǎn)量［42］。擬南芥NAC1轉(zhuǎn)錄因子基因特異性表達以響應(yīng)葉片外植體中的傷口，并在根尖再生中發(fā)揮作用［43］。

3 結(jié)論與展望

為揭示NAC轉(zhuǎn)錄因子的作用而進行的科學(xué)研究已經(jīng)證明，這類轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子在植物生長發(fā)育、響應(yīng)非生物脅迫和生物脅迫中都有明顯的參與，具有廣闊的應(yīng)用前景?；蚬こ涛磥響?yīng)該努力微調(diào)特定時間和空間模式中關(guān)鍵NAC轉(zhuǎn)錄因子的表達，以最大限度對植物生長和產(chǎn)量產(chǎn)生正面影響。

NAC轉(zhuǎn)錄因子的研究主要集中在擬南芥、番茄、水稻等模式植物，對非模式植物研究較少。而且大部分NAC轉(zhuǎn)錄因子尚處于基因克隆、鑒定和功能初步分析層面。除了挖掘出更多NAC功能基因外，未來的研究重點還應(yīng)該放在確定NAC下游（如直接或間接調(diào)控的基因）或上游（如信號分子）的遺傳組分，這將有助于提供它們參與不同信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路更多的證據(jù)，全面認識其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。此外，為了使NAC蛋白質(zhì)發(fā)揮其作用優(yōu)勢，研究蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用將為闡明植物在生長發(fā)育和逆境脅迫下的生理、生化過程的分子機制提供新的線索和切入點。