植物中介體及其在非生物脅迫調(diào)控中的功能研究綜述

梁紅蓮

摘要：中介體復(fù)合物（Mediator Complex）是多蛋白復(fù)合物，在真核生物的轉(zhuǎn)錄裝置中發(fā)揮著重要作用。中介體可參與調(diào)控植物的生長發(fā)育以及對非生物脅迫的響應(yīng)。本文概述了中介體復(fù)合物的結(jié)構(gòu)、命名方式和在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的功能，以及中介體參與植物對干旱、高鹽、低溫和滲透脅迫等環(huán)境下響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：中介體；植物；非生物脅迫；調(diào)控

中圖分類號：Q945.78 文獻標志碼：A 文章編號：1001-1463（2019）03-0072-07

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.（2019）03.015

Abstract：Mediator Complex is a polyprotein complex， which plays an important role in eukaryotic transcription devices. Mediators are involved in regulating plant growth and development and in response to abiotic stresses. This paper summarizes the mediator's structure， nomenclature and functions in transcriptional regulation， and its participation in plant response to drought， high salinity， low temperature and osmotic stress.

Key words：Mediators；Plant；Abiotic stress；Regulation

中介體最早從酵母中發(fā)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)錄過程中，一個基因的特異性轉(zhuǎn)錄因子能夠降低其他轉(zhuǎn)錄因子的活性[1 ]。為了解釋這一現(xiàn)象，Kelleher[2 ]等用酵母粗提物的一種成分來代替之前加入的RNA聚合酶Ⅱ（pol Ⅱ）和通用轉(zhuǎn)錄因子（general transcription factors，GTFs），而這種活性蛋白恰好能夠抵消之前出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象，于是，這種成分被命名為中介體。

植物中介體分布廣泛，從苔蘚到開花植物。在陸地植物進化過程中，中介體基因的數(shù)量和功能呈多樣性顯著增加，可參與調(diào)控植物胚胎的形成、開花、芽分生組織的發(fā)育、根毛的形成以及種子的發(fā)育等，此外，還與各種非生物脅迫環(huán)境有著密不可分的關(guān)系。非生物脅迫包括干旱、高鹽、低溫、高溫和滲透脅迫等，在這種環(huán)境脅迫下，植物體內(nèi)可誘發(fā)一系列的生理生化反應(yīng)，包括活性氧含量增加、細胞膜受到破壞等，導(dǎo)致植物生長遲緩、畸形甚至死亡。近年來，關(guān)于植物中介體響應(yīng)非生物脅迫方面已取得了一定的研究進展，例如，擬南芥med 25突變體與野生型相比，對鹽脅迫表現(xiàn)出更高的敏感性[3 ]。然而，還有很多植物中介體基因在非生物脅迫中的功能尚不清楚。筆者概述了中介體的結(jié)構(gòu)及命名、在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中以及在非生物脅迫中的功能，對于分離和鑒定植物抗逆相關(guān)的中介體基因以及分子育種具有重要意義。

1 中介體

1.1 中介體的結(jié)構(gòu)及命名

1.1.1 結(jié)構(gòu) 植物中介體首次從擬南芥中分離和鑒定[4 ]，后來，在水稻、煙草、大豆、番茄等植物中也鑒定出中介體的存在。中介體是一個多蛋白復(fù)合物，由頭部、中部、尾部和激酶模塊組成，每個模塊含有不同的亞基（圖1）。事實上從酵母到高等生物，中介體在亞基組成和亞基序列上都表現(xiàn)出較高的保守性。根據(jù)物種的不同，中介體亞基的數(shù)量可以從25～35個不等，酵母中介體含有25個亞基，其中至少22個亞基在真核生物中具有一定的保守性[5 ]。

1.1.2 命名 中介體的命名方式多樣。為了方便使用，對中介體采取統(tǒng)一的命名方法，MED作為Mediator Complex的縮寫，不同的數(shù)字表示不同的亞基。此外，還對不同物種的同源蛋白作了比對，為后續(xù)的研究提供重要的參考價值[5 ]。

1.2 中介體在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的功能

在轉(zhuǎn)錄過程中，中介體承擔(dān)兩種角色：激活轉(zhuǎn)錄和抑制轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄預(yù)備階段，中介體的頭部和中部與RNA聚合酶Ⅱ直接接觸，尾部與活化蛋白相互作用，促進轉(zhuǎn)錄的起 始[6 ]。實驗表明，中介體在轉(zhuǎn)錄起始之后仍然停留在啟動因子上，與轉(zhuǎn)錄因子一同結(jié)合形成一種支架結(jié)構(gòu)，可供pol Ⅱ的再結(jié)合和促進轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的再形成[7 ]。除此之外，有的中介體還能夠抑制轉(zhuǎn)錄，這主要與中介體復(fù)合物的Srb8-11組件有關(guān)。酵母中Srb10可結(jié)合輔阻抑蛋白從而募集含有該組件的中介體，加強對轉(zhuǎn)錄的抑制[8 ]。植物中的Srb10、Srb11，即CDK8、Cyclin C，同樣對轉(zhuǎn)錄起抑制作用。具有激酶活力的CDK8可磷酸化TFⅡH，從而使TFⅡH喪失磷酸化pol Ⅱ最大的亞基Rpb1的羧基端結(jié)構(gòu)域CTD的能力，因此轉(zhuǎn)錄無法進行[9 ]。

2 植物中介體在非生物脅迫中的功能

中介體參與植物的各個生長發(fā)育階段，例如影響植物胚胎形成的時期[10 ]、細胞增殖和芽分生組織發(fā)育[11 ]、控制開花時間[12 ]、參與根毛的生成[13 ]以及種子的發(fā)育[14 ]等。此外，中介體在植物對非生物脅迫環(huán)境的響應(yīng)中也發(fā)揮著重要的作用[15 ]。在不同的非生物脅迫下，包括干旱、高鹽、低溫和滲透脅迫等。中介體復(fù)合物在植物響應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮的功能見表1。

2.1 植物中介體在干旱脅迫中的功能

擬南芥AtMed 25是控制開花的關(guān)鍵基因，med 25突變體具有開花延遲的表型，這可能直接影響到對干旱脅迫的響應(yīng)[16 ]。Nils Elfving等[3 ]指出，med25的抗旱性增強，同時干旱脅迫相關(guān)基因（Rd29A、Rd29B以及dreb2a）表達水平發(fā)生變化。Li等[17 ]將野生型與Atmed19a突變體干旱處理14 d后發(fā)現(xiàn)，med19a葉片枯萎更嚴重，復(fù)水實驗顯示突變體恢復(fù)生長的比率較野生型低，這說明AtMed19a在抗旱的信號通路中起正調(diào)控的作用。Mathur等[18 ]利用全基因組芯片數(shù)據(jù)探究了擬南芥和水稻中介體亞基（Med、Cdk8、CycC，即MCC）在不同脅迫環(huán)境（干旱、低溫、高鹽）下的響應(yīng)情況，結(jié)果顯示，29個OsMCC和4個AtMCC至少在一種環(huán)境脅迫中表達量發(fā)生變化；有10個OsMCC在至少兩種不同環(huán)境脅迫下呈現(xiàn)差異表達，其中OsMed37_1、OsMed37_3、OsMed37_6在干旱脅迫下表達量較高。魏荷等[19 ]分析了大豆中介體亞基對脫水處理的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)Med26的2個同源基因的表達水平在各個時期均呈顯著性下調(diào)，Med36 的4個同源基因 以及Med37的1個同源基因在脫水1 h 后表達量升高。王晶等[20 ] 通過同源搜索得到玉米基因組中有2個MED7基因（ZmMED7-1和ZmMED7-2），將其轉(zhuǎn)到擬南芥中過表達，其中ZmMED7-1表達量較高。對野生型和轉(zhuǎn)基因株系干旱處理發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因株系耐旱性降低，其中具有較高表達量的ZmMED7-1失綠最嚴重；復(fù)水實驗表明，轉(zhuǎn)基因株系復(fù)活率降低，ZmMED7-1復(fù)活率最低，說明ZmMED7在對干旱的響應(yīng)中起負調(diào)控作用。

2.2 植物中介體在高鹽脅迫中的功能

Med25在抗鹽脅迫響應(yīng)中起正調(diào)控作用。研究表明，在不同濃度的NaCl處理下，Atmed25突變體萌發(fā)率較低。Nils Elfving 等[3 ]還通過使用基因打靶技術(shù)刪除了PpMED25A（編碼苔蘚中完整的Med25蛋白的單一基因）來證實Med25的抗鹽功能在陸生植物中是保守的，這體現(xiàn)了中介體亞基在進化過程中具有相對保守性。在鹽害脅迫條件下，ZmMED7-1和ZmMED7-2基因的表達水平均呈下調(diào)趨勢。此外，將上述2個基因轉(zhuǎn)入擬南芥中過表達發(fā)現(xiàn)，ZmMED7-1 導(dǎo)致擬南芥在種子萌發(fā)時期對鹽處理更為敏感，而ZmMED7-2轉(zhuǎn)基因萌發(fā)率較對照組相比沒有顯著差異，推測這是由兩基因表達量不同引起的。總之，ZmMED7基因作為負調(diào)控因子參與了植物對高鹽脅迫的應(yīng)答 [20 ]。在大豆中，鹽脅迫1 h后，Glyma20g26210 （Med21）和Glyma18g52610（Med37）表達量上調(diào)，鹽脅迫6 h后Glyma13g31480 （Med16）、Glyma13g21350（Med26）和Glyma19g37410 （Med26）表達量出現(xiàn)明顯上調(diào)，此外，Glyma01g44910 （Med37）在鹽處理1 h和6 h 后均下調(diào)。這些數(shù)據(jù)說明大豆中介體亞基可能參與鹽脅迫響應(yīng)[19 ]。水稻基因組芯片數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，3個中介體基因（OsMed37_1、OsMed37_3、OsMed37_6）在高鹽處理下表達量明顯上調(diào)，表明這3個基因可能參與水稻對鹽脅迫的調(diào)控[18 ]。

2.3 植物中介體在低溫脅迫中的功能

Knight等[21 ]通過分析AtMed16[之前稱為SENSITIVE TO FREEZING6 （SFR6）]在低溫脅迫下的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)sfr-6突變體相對于野生型存活率降低，并且低溫相關(guān)基因COLD ON-REGULATED（COR）的表達水平降低。此外有研究表明，AtMed14和AtMed2與AtMed16共同影響COR基因的表達，因此AtMed14和AtMed2在低溫途徑中也發(fā)揮著重要的作用[22 ]。Wathugala[15 ]等從水稻基因組中分離出了擬南芥AtSFR6的同源基因OsSFR6，在Atsfr6的背景下異源表達OsSFR6，發(fā)現(xiàn)突變體Atsfr6表型可恢復(fù)，并且COR表達水平以及抗低溫能力與野生型相當。Mathur等[18 ]通過對水稻中介體亞基基因響應(yīng)不同脅迫的分析，發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫中，6個水稻中介體基因（OsMed37_4、OsMed26_2、OsMed37_2、OsMed11_1、Os Med26_3、OsM ed36_2 ）呈差異表達，其中OsMed26_3、OsMed36_2表達量較高，推測這6個基因可能與植物的低溫脅迫響應(yīng)有關(guān)。

2.4 植物中介體在其他脅迫中的功能

AtMed16對維持植物體內(nèi)鐵離子平衡具有重要作用。Yang等[23 ]發(fā)現(xiàn)，med16突變體對鐵離子缺陷更為敏感，并且med25具有和med16相同的表型。玉米ZmMED7-1和ZmMED7-2在不同濃度的ABA和PEG處理下，其表達量均受到抑制，推測ZmMED7-1和ZmMED7-2可能參與植物對ABA及滲透脅迫反應(yīng)[20 ]。Boyce等[24 ]通過增加甘露醇的濃度檢測Atsfr6/med16對滲透脅迫的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)突變體相比于野生型生長受到嚴重抑制，因此，sfr6/med16對滲透脅迫更敏感。同時這也為研究AtMed16對干旱脅迫的響應(yīng)提供了參考。另外，Wathugala[15 ]將水稻基因SFR6在擬南芥sfr6中異源表達發(fā)現(xiàn)，35s：：Os SFR6對不同濃度甘露醇的響應(yīng)水平與野生型基本一致，而Atsfr6的對滲透脅迫的抗性較差。

3 小結(jié)與展望

通過對植物中介體在非生物脅迫中功能的具體分析發(fā)現(xiàn)，在眾多的植物（擬南芥、水稻、玉米、大豆等）中，中介體參與對干旱、高鹽、低溫以及滲透脅迫等的調(diào)控，并且不同物種的同源基因可能具有相似的功能，比如OsMed16和AtMed16在低溫響應(yīng)中都發(fā)揮正調(diào)控作用[15， 21 ]，這也體現(xiàn)了中介體在進化過程中具有一定的保守性。中介體在對非生物脅迫響應(yīng)的過程中，與該脅迫相關(guān)的基因表達量可能會發(fā)生變化，推測中介體基因通過影響脅迫相關(guān)基因的表達來控制植物的表型。另外，通過對不同中介體響應(yīng)非生物脅迫的總結(jié)，可為全面深入研究植物中介體的功能打下基礎(chǔ)，并為培育抗旱、抗鹽、抗凍的新型作物提供重要參考。

目前，在中介體參與植物非生物脅迫方面，仍然有很多中介體亞基的功能還未被確定，比如對水稻、大豆和玉米的大多數(shù)中介體參與非生物脅迫調(diào)控的研究只停留在預(yù)測階段，對蔬菜作物番茄和糧食作物小麥中介體的相關(guān)研究較少；另一方面，中介體對脅迫響應(yīng)的調(diào)控是一個復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，牽涉到多個基因的參與，而目前對這個具體的信號通路暫時還不清楚。此外如何將已有的研究正確應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，進行作物優(yōu)良品種的改良和新品種的選育也是擺在我們面前的重要問題[25 ]。因此對植物中介體在非生物脅迫中的功能和應(yīng)用還需進一步研究。

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（本文責(zé)編：楊 杰）