植物轉(zhuǎn)錄因子TIFY家族蛋白結(jié)構(gòu)和功能的研究進(jìn)展

楊銳佳 張中保 吳忠義

（1. 北京市農(nóng)林科學(xué)院北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中心，北京 100097；2. 首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，北京 100048）

轉(zhuǎn)錄因子（Transcription factors）是RNA聚合酶在真核生物特異啟動(dòng)子上起始轉(zhuǎn)錄所需要的作用因子，由DNA結(jié)合區(qū)（DNA-binding domain，DBD）、轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)（Tanscription regulation domain，RD）、寡聚化位點(diǎn)（Oligomerization site，OS）和核定位信號區(qū)（Nuclear localization signal，NLS）組成。TIFY蛋白是植物中一類特異性轉(zhuǎn)錄因子，曾被稱為花序分生組織中表達(dá)的鋅指蛋白（Zinc-finger protein expressed in inflorescence meriste，ZIM）家 族，屬于植物特異的GATA轉(zhuǎn)錄因子家族，后因其存在一個(gè)高度保守的功能結(jié)構(gòu)域TIFY域，即TIF［F/Y］XG氨基酸序列，所以被命名為TIFY基因家族［1］。TIFY只發(fā)現(xiàn)于陸生植物中，在擬南芥中首次鑒定出了TIFY基因ZIM（AT4G24470）［2］，隨后TIFY基因陸續(xù)在水稻、楊樹和小麥等中被鑒定出來［3］。根據(jù)保守結(jié)構(gòu)域的組成將TIFY家族蛋白分為4個(gè)亞家族：TIFY、JAZ、ZML和PPD，且可分成兩個(gè)亞群，亞群I包含C2C2-GATA結(jié)構(gòu)域，亞群II不含該結(jié)構(gòu)域。本文通過回顧近年研究成果，從TIFY蛋白的結(jié)構(gòu)特征、分布及在調(diào)控植物的生長發(fā)育，響應(yīng)各種逆境脅迫和不同激素信號等方面的生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，旨在對TIFY蛋白家族深入的研究與利用奠定理論基礎(chǔ)。

1 TIFY蛋白的結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)保守結(jié)構(gòu)域的組成可將TIFY家族蛋白分為4個(gè)亞家族：TIFY、JAZ、PPD和ZML（圖1）。其中TIFY蛋白包含高度保守的TIFY結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域含28個(gè)氨基酸和一個(gè)核心基序TIF［F/Y］XG，預(yù)測分析表明TIFY結(jié)構(gòu)域二級結(jié)構(gòu)為α-α-β［4］。JAZ蛋白為不含DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的阻遏蛋白，因此必須依賴于蛋白間的相互作用來行使功能［1］，除包含TIFY結(jié)構(gòu)域外，在其C端還存在一個(gè)保守Jas結(jié)構(gòu)域，由12-29個(gè)殘基組成，可與MYC2蛋白發(fā)生互作，能參與到JA信號傳導(dǎo)途徑中，還可以與MYB［5］、EIN3、EIL1等轉(zhuǎn)錄因子互作，并且其Jas結(jié)構(gòu)域中存在細(xì)胞核定位信號，使JAZs具有核定位特性［6］。組成PPD蛋白的3個(gè)結(jié)構(gòu)域中除了保守的TIFY結(jié)構(gòu)域，還存在一個(gè)N端PPD結(jié)構(gòu)域以及PY基序缺失的Jas結(jié)構(gòu)域，PPD蛋白不能結(jié)合DNA，但是可以依賴TIFY結(jié)構(gòu)域形成同源或者異源二聚體。ZML蛋白也是除TIFY結(jié)構(gòu)域，還包含有一個(gè)CCT基序、GATA鋅指結(jié)構(gòu)域，其中CCT結(jié)構(gòu)域最早是在轉(zhuǎn)錄因子TOC1和CONSTANS（CO）蛋白中發(fā)現(xiàn)的，這兩種蛋白被認(rèn)為參與了植物的光周期信號傳導(dǎo)，而CCT結(jié)構(gòu)域參與了介導(dǎo)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)間的相互作用［4］。

圖1 TIFY蛋白家族的分類及結(jié)構(gòu)特征［7］

2 TIFY蛋白在植物中的分布

TIFY家族蛋白在植物中的分布十分廣泛。目前，在擬南芥中發(fā)現(xiàn)有18個(gè)TIFY家族基因［1］。水稻中有20個(gè)TIFY家族基因，其中9個(gè)基因?qū)τ谲岳蛩岷蛽p傷處理會(huì)有應(yīng)答，而幾乎所有水稻TIFY基因都可以響應(yīng)一種或多種的非生物脅迫，如干旱、鹽堿、低溫［8］。玉米中有30個(gè)TIFY家族基因，包括1個(gè)TIFY、3個(gè)ZML和26個(gè)JAZ基因，部分基因可響應(yīng)生物或非生物脅迫［9］。二穗短柄草中的TIFY基因?qū)τ诟珊?、鹽堿、低溫和高溫等一種或多種非生物脅迫也都有應(yīng)答［10］。此外，在一些其他植物如小麥（Triticum aestivum）［3］、菜豆（Phaseolus vulgaris）［11］、丹 參（Salvia miltiorrhizaBunge）［12］、番茄（Solanum lycopersicum）［13］、香蕉（Musa acuminate）［14］、野大豆（Glycine soja）［15］、木豆（Ca-janus cajan）［16］、柳 枝 稷（Panicum virgatumL.）［17］、毛竹（Phyllostachys edulis）［18］、蘋果（Malus×domestica）［19］、西瓜（Citrullus lanatus）［20］、沙梨（Pyrus pyrifolia）［21］、葡 萄（Vitis vinifera）［22］、牽 牛 花（Ph-arbitis nil）［23］、雷蒙德氏棉（Gossypium raimondii）［24］等植物中均能找到TIFY家族轉(zhuǎn)錄因子。從上述植物中分別挑選出一些代表性的基因進(jìn)行進(jìn)化關(guān)系分析，共選取不同物種的142個(gè)TIFY家族基因，其中擬南芥18種、玉米30種、水稻20種、小麥40種、二穗短柄草4種、葡萄19種、番茄5種、蘋果4種及梨3種，得以展示TIFY家族在植物中的廣泛分布及親緣關(guān)系（圖2）?？梢园l(fā)現(xiàn)在TIFY的4個(gè)不同亞家族中，JAZ家族屬于分布最廣泛及數(shù)目最多的一個(gè)家族。

3 TIFY蛋白的生物學(xué)功能

3.1 TIFY在植物生長發(fā)育中的功能

TIFY家族在植物中分布廣泛，其4個(gè)亞家族在調(diào)控植物的莖、葉、花的發(fā)育過程中起到重要作用。

3.1.1 TIFY調(diào)控莖葉的發(fā)育 過量表達(dá)OsTIFY11b的水稻植株，通過增加植物莖和葉鞘中碳水化合物的積累，不僅在抽穗期葉片較長，葉鞘和莖中的淀粉和蔗糖含量高于未轉(zhuǎn)化植株，其籽粒的長度、寬度和厚度也均超過未轉(zhuǎn)化植株，籽粒重增加了9%-21%［25］。在擬南芥中，AtTIFY4a（PPD1）和AtTIFY4b（PPD2）基因調(diào)控葉片的發(fā)育，表現(xiàn)在調(diào)節(jié)葉片的大小、限制葉片邊緣的彎曲程度［26］。另外有研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中PPD2能與NINJA共同調(diào)節(jié)葉片的整齊度［27］。擬南芥中另外一個(gè)基因AtTIFY1（ZIM）可促進(jìn)葉柄和下胚軸的延伸［28］。還有一些植物中，如雷蒙德氏棉GrTIFY基因參與纖維的發(fā)育［24］。沙梨中發(fā)現(xiàn)其PpTIFY基因在葉片中的表達(dá)量最高，而在果實(shí)成熟過程中表達(dá)量明顯下降，并且用茉莉酸和光照處理還能誘導(dǎo)PpTIFY，與沙梨果皮中花青素的積累有關(guān)［21］。

圖2 植物中部分TIFY家族基因聚類分析

3.1.2 TIFY調(diào)控花的發(fā)育 擬南芥ZIM（AT4G 24470）是最早被鑒定的TIFY家族成員，研究表明其與花序的發(fā)育和開花有關(guān)［2］。牽?；ǖ腜nFL-2蛋白含有TIFY家族典型的TIFY與CCT結(jié)構(gòu)域，研究發(fā)現(xiàn)與野生型相比，組成型過表達(dá)PnFL-2的轉(zhuǎn)基因植株在長日照條件下的開花時(shí)間稍早，表明PnFL-2可能在花誘導(dǎo)發(fā)揮作用［23］。另外過表達(dá)SlJAZ2的轉(zhuǎn)基因番茄株高和節(jié)間長度降低，毛狀體減少，側(cè)芽萌發(fā)早，花期提前，控制開花時(shí)間的基因明顯上調(diào)，加速植物生長向生殖生長的轉(zhuǎn)變［29］。

3.2 TIFY在植物逆境脅迫應(yīng)答中的調(diào)控

TIFY家族響應(yīng)生物脅迫的相關(guān)報(bào)道較少，主要集中在TIFY家族的非生物脅迫響應(yīng)。

3.2.1 TIFY響應(yīng)干旱脅迫 在擬南芥中JAZ7基因可通過調(diào)節(jié)植物的光合作用、氧化還原、氨基酸、植物激素和防御代謝物來產(chǎn)生耐旱性［30］。Li等［19］根據(jù)蘋果基因組序列的預(yù)測基因共鑒定了30個(gè)TIFY基因，包括18個(gè)JAZ、2個(gè)PPD、2個(gè)ZML和8個(gè)TIFY基因，發(fā)現(xiàn)其中一些特定基因?qū)Ψ巧锩{迫或激素處理有響應(yīng)，如MdJAZ1、9、11、13、15和MdPPD1在干旱和高鹽處理時(shí)均上調(diào)；外源脫落酸（Abscisic acid，ABA）和茉莉酸（Jasmonic acid，JA）處理時(shí)也均能誘導(dǎo)蘋果JAZ基因顯著上調(diào)表達(dá)，相比之下，大部分JAZ、PPD和ZML基因?qū)λ畻钏幔⊿alicylic acid，SA）和乙烯（Ethylene，ET）沒有響應(yīng)。同樣在葡萄中VvTIFY也受JA與ABA誘導(dǎo)，而對SA與ET不敏感，而且其中一些特定基因，如VvJAZ4、5、9、11和VvZML1表現(xiàn)出對冷脅迫有響應(yīng)同時(shí)也都受到干旱或鹽堿的調(diào)控，這意味著這兩種脅迫途徑在植物中可能存在相互作用。只有一個(gè)葡萄的TIFY基因（VvJAZ11）表現(xiàn)出對熱脅迫的下調(diào)響應(yīng)［22］。Zhang等［9］通過芯片數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，ZmTIFY基因參與玉米不同階段發(fā)育，具有組織特異性表達(dá)模式，同時(shí)響應(yīng)干旱脅迫。RNA-seq和qPCR分別鑒定了11個(gè)、13個(gè)響應(yīng)脫水和冷脅迫的毛竹家族基因PeTIFY［18］。有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在水稻中過量表達(dá)OsTIFY11a基因時(shí)，可以顯著性的提高水稻對于鹽脅迫和脫水脅迫的耐受性［8］。OsJAZ1可作為OsbHLH148相關(guān)的茉莉酸信號通路的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在茉莉酸鹽信號通路中發(fā)生相互作用，導(dǎo)致水稻耐旱［31］。

3.2.2 TIFY響應(yīng)滲透脅迫 番茄的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)表明，多數(shù)SlJAZ基因?qū)}、滲透脅迫或JA、ABA處理均有響應(yīng)，如SlJAZ7和SlJAZ11可同時(shí)被JA和ABA上調(diào)，SlJAZ1、SlJAZ3和SlJAZ36分別被JA上調(diào)和ABA下調(diào)。鹽對多數(shù)SlJAZ基因的表達(dá)具有正向和負(fù)向調(diào)節(jié)作用，如SlJAZ3、SlJAZ7和SlJAZ10在番茄葉片中被鹽誘導(dǎo)上調(diào)，而抑制SlJAZ1的轉(zhuǎn)錄，并在根和葉中輕微地抑制SlJAZ6的轉(zhuǎn)錄。滲透脅迫主要抑制SlJAZ基因的表達(dá)，在番茄根中8個(gè)SlJAZ基因中的6個(gè)被滲透脅迫下調(diào)。此外，葉片中SlJAZ1、SlJAZ3、SlJAZ10的轉(zhuǎn)錄也受到抑制，SlJAZ7是唯一被滲透脅迫上調(diào)的基因［13］。

3.2.3 TIFY響應(yīng)鹽脅迫 TIFY轉(zhuǎn)錄因子涉及物種較多，而報(bào)道文章主要集中于TIFY表達(dá)調(diào)控分析，有關(guān)TIFY基因家族具體生物學(xué)功能的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道較少，其中有關(guān)擬南芥和大豆中TIFY響應(yīng)鹽脅迫的相關(guān)實(shí)驗(yàn)支撐較多。Zhu等［15］發(fā)現(xiàn)重碳酸鹽、鹽脅迫和植物激素JA均可誘導(dǎo)野生大豆GsTIFY10的表達(dá)，在擬南芥中過表達(dá)GsTIFY10可增強(qiáng)野生大豆在種子萌發(fā)、幼苗和成年早期幼苗發(fā)育階段時(shí)植物對碳酸氫鹽的抗性；并且在JA存在下，過表達(dá)GsTIFY10的擬南芥植物根系比野生型長，部分JA響應(yīng)和JA生物合成相關(guān)基因在GsTIFY10過表達(dá)擬南芥株系中被抑制。朱丹等［32］發(fā)現(xiàn)在擬南芥中基因GsTIFY11b通過調(diào)控鹽脅迫信號通路中關(guān)鍵基因（NHX1、KIN1和DREB）的轉(zhuǎn)錄來增加擬南芥對鹽脅迫的敏感性，即降低了擬南芥對鹽脅迫的耐性，表明該基因參與并干擾了植物在應(yīng)對鹽脅迫逆境過程中的防御機(jī)制。閻文飛等［33］采用熒光定量PCR技術(shù)檢測GsTIFY6B在野生大豆不同部位以及鹽堿脅迫和激素處理下的轉(zhuǎn)錄水平，發(fā)現(xiàn)GsTIFY6B可能通過參與ABA和MeJA信號通路響應(yīng)鹽堿脅迫。另有研究發(fā)現(xiàn)，隸屬于TIFY家族的JAZ亞家族成員GsJAZ2可提高大豆堿脅迫耐受性，過表達(dá)GsJAZ2的轉(zhuǎn)基因大豆在堿性條件下生長良好，野生型植株出現(xiàn)萎黃病、生長受阻甚至死亡。另外，轉(zhuǎn)基因植株的葉綠素濃度高于野生型，丙二醛（MDA）含量低于野生型。大豆中GsJAZ2過表達(dá)導(dǎo)致JA不敏感，包括JA介導(dǎo)的根系生長抑制。在堿性脅迫下檢測并改變了部分JA應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄本，結(jié)果表明GsJAZ2過表達(dá)可能參與了JA信號通路中抗?jié)B透物質(zhì)的積累，從而防御堿性脅迫［34］。還有研究發(fā)現(xiàn)在小麥中過表達(dá)TdTIFY11a的轉(zhuǎn)基因株系，在高鹽條件下的發(fā)芽率和生長速率均高于野生型［3］。在茉莉酸（JA）和鹽、干旱等非生物脅迫處理下的qRT-PCR結(jié)果分析顯示，西瓜部分TIFY基因均有應(yīng)答，其中ClJAZ1和ClJAZ7的誘導(dǎo)表達(dá)上調(diào)最為顯著［20］。

3.2.4 參與其他脅迫響應(yīng) Sirhindi等［16］發(fā)現(xiàn)，木豆部分CcTIFY家族基因能響應(yīng)銅脅迫。玉米的ZmJAZ基因呈現(xiàn)出對某些生物脅迫真菌（如絲黑穗、莖腐病和炭疽病）具有一定程度的脅迫響應(yīng)［9］。

3.3 TIFY參與植物多種激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控

TIFY家族中的JAZ蛋白作為茉莉酸途徑的抑制因子，不僅是調(diào)節(jié)茉莉酸激素應(yīng)答的關(guān)鍵樞紐，而且可以通過和其他信號通路中調(diào)控因子的相互作用，在復(fù)雜激素調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用［12］。JAZ蛋白可以和多種轉(zhuǎn)錄因子及共阻遏蛋白結(jié)合，便將茉莉酸信號通路和其他多種信號通路聯(lián)系起來，有研究表明JA介導(dǎo)的JAZ蛋白轉(zhuǎn)錄水平的變化與生長素（Auxin，IAA）、ET、赤霉素（Gibberellins，GAs）及油菜素內(nèi)脂（Brassinosteroid，BR）等激素信號的調(diào)節(jié)相關(guān)，從而在植物的生長發(fā)育、激素應(yīng)答、脅迫響應(yīng)等方面發(fā)揮作用［35］。當(dāng)植物處于正常生長條件時(shí)，其體內(nèi)的JA-Ile含量較低，MYC2作為JA應(yīng)答基因的起始轉(zhuǎn)錄因子，會(huì)被JAZ蛋白結(jié)合同時(shí)吸引NINJA和TPL這些共阻遏物來共同抑制JA應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致植物無法進(jìn)行JA應(yīng)答反應(yīng)。但是當(dāng)植物在生長發(fā)育過程中遇到不利環(huán)境等脅迫時(shí)，其體內(nèi)的JA-Ile含量就會(huì)增多，JAZ蛋白也會(huì)被COI1結(jié)合通過泛素化蛋白酶體的途徑被降解，這樣MYC2等轉(zhuǎn)錄因子便可以順利啟動(dòng)JA應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄（圖3）。在蘋果中的研究發(fā)現(xiàn)，MdCIbHLH1在體外和體內(nèi)與MdJAZ1/4和MdMYC2相互作用。MdJAZ1/4作為抑制因子，在茉莉酸信號通路中結(jié)合MdMYC2。愈傷組織中MdMYC2的過表達(dá)增加了MdCIbHLH1、MdCBF1、MdCBF2和MdCBF3的表達(dá)水平，導(dǎo)致耐凍性增加。此外，MdJAZ1或MdJAZ4在轉(zhuǎn)基因紅肉蘋果愈傷組織中的過表達(dá)減弱了MdMYC2對耐寒性的促進(jìn)作用［36］。從茶樹基因組數(shù)據(jù)庫中鑒定了12個(gè)JAZ基因，RT-PCR分析顯示，其中7個(gè)CsJAZ基因在根中優(yōu)先表達(dá)。此外，冷、熱、PEG、MeJA和GA刺激對CsJAZ的表達(dá)也有差異［37］。有研究發(fā)現(xiàn)，玉米ZmJAZ14基因在擬南芥中的過表達(dá)增強(qiáng)了植株對JA和ABA處理的耐受性以及PEG脅迫，而在GA刺激下促進(jìn)了植株的生長，ZmJAZ14是JA、ABA和GA信號通路之間的交叉通訊樞紐［38］。黃絲瓜蘚PnJAZ1介導(dǎo)JA與ABA在鹽脅迫下的信號交談［39］。棉花中GhJAZ3與GhSLR1的相互作用介導(dǎo)了JA和GA對表皮細(xì)胞分化與伸長的調(diào)控［40］。水稻OsJAZ9與SLR1之間的蛋白互作參與介導(dǎo)應(yīng)激響應(yīng)的JA信號與促生長GA信號之間的拮抗作用［41］。茉莉酸甲酯（Methyl jasmonate，MeJA）處理草莓果實(shí)接種灰霉病菌后防御系統(tǒng)啟動(dòng)及MYC2、JAZ1基因表達(dá)上調(diào)［42］。

3.4 TIFY蛋白的其他功能

TIFY蛋白家族還有一些其他的功能。如JAZ蛋白通過與小麥和擬南芥中的ABI5相互作用調(diào)控種子萌發(fā)［43］。羅冬蘭等［14］研究發(fā)現(xiàn)香蕉基因MaTIFY能夠隨著果實(shí)的成熟而表達(dá)量增強(qiáng)，并可能受到乙烯誘導(dǎo)參與香蕉果實(shí)成熟的調(diào)控。紫云英AsJAZ1基因與豆血紅蛋白AsB2510的相互作用定位于細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)，參與根瘤發(fā)育及氮素固定［44］。茉莉酸甲酯（MeJA）通過誘導(dǎo)丹參毛狀根中丹參酚酸和丹參酮的生物合成途徑基因的表達(dá)，促進(jìn)了丹參毛狀根中丹參酚酸和丹參酮的積累，如SmJAZ8負(fù)調(diào)控丹參酚酸B的生物合成，而SmJAZ3和SmJAZ9負(fù)調(diào)控丹參酮的生物合成［45］。

圖3 JAZ蛋白介導(dǎo)的JA信號通路模型［35］

4 總結(jié)與展望

TIFY蛋白作為植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，在植物的生長發(fā)育、響應(yīng)逆境脅迫和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等中發(fā)揮重要作用，其家族成員不多，目前研究最為廣泛的是JAZ亞類群蛋白，因?yàn)榭膳cMYC2互作，參與茉莉酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程來響應(yīng)生物或非生物脅迫。目前，雖然從各高等植物中分離鑒定出的TIFY蛋白很多，但已知具體功能的蛋白所占比例卻還是很低。未來的研究應(yīng)著力于（1）機(jī)理研究：當(dāng)前只有JAZ亞家族參與JA信號通路的作用機(jī)制比較清楚，而其他亞家族如PPD、ZML可參與的通路或作用機(jī)理并不完全清楚，還需更深的認(rèn)識與了解；（2）結(jié)構(gòu)研究：TIFY蛋白均含有保守的TIFY結(jié)構(gòu)域，各亞族包含的基本結(jié)構(gòu)域也較為清楚，但除了JAZ結(jié)構(gòu)域的功能研究豐富外，其他各個(gè)結(jié)構(gòu)域的功能也要深入研究；（3）響應(yīng)脅迫研究：近年來，TIFY蛋白在植物抗逆脅迫中的研究成為熱點(diǎn)，多集中在植物在應(yīng)對一些非生物脅迫如干旱、鹽堿、滲透等逆境，而對于生物脅迫相關(guān)研究較少。而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的多為JAZ亞家族基因在逆境脅迫中的重要作用，所以挖掘其他亞家族抗逆基因?qū)⒊蔀榻窈蠊ぷ髦攸c(diǎn)，可為作物育種提供理論依據(jù)。