HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)病菌與非生物脅迫研究進展

劉 嬌，帥 鵬

（福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002）

0 前言

生物脅迫和非生物脅迫經(jīng)常出現(xiàn)在植物生長周期中的不同階段。生物脅迫包括病菌侵害、蟲害、雜草危害等，非生物脅迫包括干旱、寒冷、高鹽、光照、ABA、機械損傷等因素。植物接受和識別逆境信號后該信號就在細胞之間和整株植物中傳遞，進而導(dǎo)致植物細胞水平上的基因表達發(fā)生變化，影響到整株植物的代謝和發(fā)育。植物存在多種感知外部刺激的機制，并且形成了復(fù)雜的應(yīng)激防御體系來應(yīng)對生物脅迫和非生物脅迫[1]。

HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控這一系列應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，是植物王國中特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，它參與調(diào)控了植物生長發(fā)育的各個階段以及對逆境脅迫的應(yīng)答機制。HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子由60 個氨基酸組成的高度保守的結(jié)構(gòu)域（HD）和緊接其羥基末端的亮氨酸拉鏈（LZ）元件組合而成[2]。該蛋白行使功能是通過兩個結(jié)構(gòu)域的緊密結(jié)合共同發(fā)揮作用，這是與DNA 結(jié)合的先決條件[3]。HD 作為與DNA的結(jié)合位點負責(zé)與靶DNA 特異結(jié)合，LZ 介導(dǎo)功能性蛋白二聚體的形成[3,4]。許多HD-ZIP 蛋白對DNA作為單體具有很弱的親和力，因此需要二聚化以提高DNA 結(jié)合效率。HD-ZIP 基因家族關(guān)于脅迫響應(yīng)機制在多種植物中已被廣泛研究。近年來，雙子葉和單子葉植物逆境脅迫研究成果越來越多，比如黃瓜（Cucumis sativusL.）[5]、茶樹（Camellia sinensis）[6,7]、芝麻（Sesamum indicum L.）[8]， 辣椒（Capsicum annuumL.）[9]、麻風(fēng)樹（Jatropha curcasL.）[10]、桉樹（Eucalyptus robusta Smith）[11]、黑麥草（Lolium perenneL.）[12]、木薯（Manihot esculenta Crantz）[13]、鷹嘴豆（Cicer arietinum）[14]等植物。本文主要總結(jié)歸納了HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子不同植物中應(yīng)對生物和非生物脅迫，基因的表達模式差異以及復(fù)雜的逆境脅迫調(diào)控機制。

1 HD-ZIP 不同亞家族的蛋白結(jié)構(gòu)差異

HD-ZIP 蛋白因為其特異結(jié)合的DNA 序列的差異、編碼該蛋白的內(nèi)含子與外顯子的模式、其他保守基序的不同等將其分為4 個亞家族：HD-ZIP Ⅰ～Ⅳ，每個亞家族因為結(jié)構(gòu)的差異在植物中發(fā)揮不同的調(diào)控功能和表達模式（圖1）。

圖 1 HD-ZIP 家族的分類結(jié)構(gòu)示意圖[15]Fig. 1 Schematic diagram of classified HD-ZIP family[15]

由圖1 可知，HD-ZIP Ⅰ亞家族的蛋白結(jié)構(gòu)最為簡單。HD 與LZ 結(jié)構(gòu)域位于蛋白的中央位置。在HD-ZIP Ⅰ的C 端發(fā)現(xiàn)了AHA 保守序列，該序列形成了兩親的、帶負電荷的螺旋使C 端具有激活轉(zhuǎn)錄功能[15,16]。HD-ZIP Ⅱ和Ⅳ亞家族都具有負責(zé)蛋白質(zhì)活性的氧化還原調(diào)節(jié)的CPSCE 基序。研究表明，植物的HD 結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子經(jīng)歷氧化還原修飾會改變其DNA 結(jié)合活性[17]。HD-ZIP Ⅲ與HD-ZIP IV 亞家族都有START 和HD-SAD 結(jié)構(gòu)域[2,15]。植物中的START域可能通過結(jié)合和轉(zhuǎn)運類固醇型植物激素或其他脂質(zhì)分子來參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄[18]。HDSAD 結(jié)構(gòu)域功能未知，但是在植物中其表現(xiàn)出高度的保守型，預(yù)示著該結(jié)構(gòu)域在調(diào)控蛋白活性方面發(fā)揮重要作用[2]。四類亞家族結(jié)構(gòu)的差異性表明了其具有不同的生物學(xué)功能以及在處理外源環(huán)境信號時做出不同的響應(yīng)機制。HD-ZIP III 區(qū)別其他亞家族的是具有MEKHLA 結(jié)構(gòu)域，有研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)域通過獨立序列的空間掩蔽機制抑制蛋白二聚化，需要MEKHLA 結(jié)構(gòu)域的C 末端感知到細胞信號，這種抑制作用得以緩解[19]。

2 HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子生物脅迫調(diào)控機制

生物脅迫最常見的是細菌和病毒的侵染。植物病菌利用多種策略來對抗宿主防御，然后促進其在易感宿主中的復(fù)制，引發(fā)病變[20]。植物在應(yīng)對生物脅迫時通常有基因沉默途徑，激素介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑和代謝調(diào)控途徑，這些響應(yīng)機制由激素信號和其他小分子信號共同協(xié)調(diào)完成。四種激素主要調(diào)節(jié)植物-病毒相互作用中的基礎(chǔ)防御反應(yīng)：水楊酸（SA），茉莉酸（JA），乙烯（ET）和脫落酸（ABA）。這些途徑可以是拮抗的，合作的或協(xié)同的。因此，植物可以微調(diào)串擾的水平，以維持有效的防御，同時將代謝余量降至最低[21,22]。HD-ZIP 在生物脅迫的調(diào)控機制的研究并不廣泛，主要集中在雙子葉植物中HDZIPⅠ、Ⅱ亞家族，且都為激素介導(dǎo)的調(diào)控機制。

實時定量PCR 表明辣椒CaHDZ27 是由外源JA，SA 或ET 的外源誘導(dǎo)，轉(zhuǎn)錄水平提高。功能喪失的VIGS 沉默實驗證實了CaHDZ27 沉默增加了青枯菌（R.solanacearum）感染的敏感性并下調(diào)了防御相關(guān)基因的表達。CaHDZ27 的瞬時過表達則上調(diào)了相關(guān)免疫基因的表達，可以作為辣椒抗青枯菌的正調(diào)節(jié)劑[9]。在接種大黃萎病菌（V. dahliae）后，棉花根部會同時誘導(dǎo)JA 和SA 響應(yīng)基因。HD-ZIPⅠ轉(zhuǎn)錄因子GhHB12 通過抑制JA 響應(yīng)基因GhJAZ2 和GhPR3，負調(diào)控棉花對大黃萎病菌的抗性。但GhHB12 不參與SA 信號途徑[23]。向日葵HaHB4 在JA 生物合成中為正調(diào)節(jié)劑，而在ET 敏感性和SA 積累中為負調(diào)節(jié)劑[23]。研究表明HaHB4、HaHB10 負調(diào)控病菌抗性[24,25]。在ATHB13 組成性過表達突變體中，SA 響應(yīng)基因PR1 轉(zhuǎn)錄水平得到了增強，致使白粉?。≒owdery mildew）和霜霉?。℉yaloperonospora arabidopsidis）敏感性降低。JA 響應(yīng)的VSP 基因AtVSP1 和AtVSP2在突變體中被上調(diào)，從而激發(fā)WRKY75（防御反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）表達量的提高，說明ATHB13 參與了SA 和JA 防御調(diào)控路徑[26]。鏈格孢菌（A. alternata）為日本梨品種黑斑病的病原體，WANG 等[27]的研究顯示，在梨中進行病菌接種，所選的20 個HD-ZIP基因均對病菌有響應(yīng)。黃瓜HD-ZIP Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ亞家族均被白粉病脅迫誘導(dǎo)表達，尤其是HD-ZIP Ⅲ亞家族中 CsHDZ30，在96 小時達到25 倍的峰值[5]。HD-ZIPⅡ亞家族HAT1 通過抑制擬南芥中防御相關(guān)基因的表達如PR1 和PR2，ROS 相關(guān)的耐藥性蛋白質(zhì)谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶（GST）而抑制了對黃花葉病毒（CMV）的防御。在hat1hat2hat3 和hat1 或hat2hat3 功能喪失突變體對接種病毒實驗中發(fā)現(xiàn)HAT1，HAT2和HAT3都作為病毒抗性的負向調(diào)節(jié)因子[20]。

3 非生物脅迫的調(diào)控機制

在響應(yīng)非生物脅迫中，HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ仍作為重要的調(diào)控因子，成員對多種逆境脅迫均有響應(yīng)。HDZIP I 亞家族已被鑒定在干旱與鹽脅迫中發(fā)揮重要作用。HD-ZIP Ⅱ主要參與避光反應(yīng)響應(yīng)光質(zhì)變化。而HD-ZIP Ⅲ主要在植物維管組織發(fā)育以及葉片、生長素極性等方面發(fā)揮重要調(diào)控作用，參與非生物脅迫較少。HD-ZIP Ⅳ在干旱中的調(diào)控作用尤為顯著。本文主要歸納總結(jié)了HD-ZIP 在干旱、鹽、溫度、弱光、金屬、機械損傷非生物脅迫下的響應(yīng)機制。

3.1 響應(yīng)干旱脅迫機制

HD-ZIP 在干旱脅迫下顯示出普遍的誘導(dǎo)水平。HD-ZIP 參與的干旱脅迫響應(yīng)機制在雙子葉植物和單子葉植物中被廣泛研究，以Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ三類亞家族誘導(dǎo)表達最為顯著（表1、圖2）。在缺水條件下，葉片氣孔密度和保衛(wèi)細胞大小將根據(jù)水分狀況而變化，從而影響植物蒸騰作用。氣孔密度的減小可降低蒸騰速率，防止水分散失[28,29]。桉樹EcHB1 過表達品系由于葉面積減少而氣孔密度沒有變化導(dǎo)致蒸騰速率降低，減少了樹木的水分流失，提高了植物耐旱性[11]。AtEDT1/HDG11 的過表達通過降低氣孔密度，促進氣孔閉合來增強轉(zhuǎn)基因水稻、棉花和楊樹、胡椒和芥藍的干旱和滲透脅迫耐受性并增加谷物產(chǎn)量[30?33]。HDG11 通過與ERECTA 啟動子中的同源域結(jié)合（HD）順式元件結(jié)合，轉(zhuǎn)錄激活ERECTA。反過來，ERECTA 依靠E2Fa 來調(diào)節(jié)細胞周期相關(guān)基因的表達。HDG11-ERECTA-E2Fa 遺傳途徑可通過增加細胞大小來降低氣孔密度，從而改善作物水分利用率來控制生長。ABA 的增加可以通過觸發(fā)氣孔閉合來控制蒸騰作用。擬南芥HD-ZIP IV 基因HDG11是提高耐旱性的重要轉(zhuǎn)錄因子。轉(zhuǎn)基因水稻中，過表達的HDG11 通過誘導(dǎo)ABA 生物合成的關(guān)鍵基因OsNCED的表達，從而提高ABA 的含量，促使氣孔閉合能力增強[30]。在轉(zhuǎn)基因芥藍中，HDG11 過表達導(dǎo)致ABA 超敏反應(yīng)，誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，而且靶向生長素生物合成基因YUCC6 和ABA 響應(yīng)基因ABI3 和ABI5，說明HDG11 通過生長素和ABA 介導(dǎo)的芥藍增強干旱和鹽脅迫耐受能力[33]。AtHB12 和AtHB7 充當ABA 信號的負調(diào)節(jié)因子，在成熟植物中，AtHB7和AtHB12 的協(xié)調(diào)表達導(dǎo)致不同的氣孔狀態(tài)和蒸騰作用來響應(yīng)ABA 介導(dǎo)的干旱調(diào)控[34]。然而，鷹嘴豆中的PP2C 在CaHDZ12 過表達植物中被下調(diào)，并且SnRK2激酶的表達得到增強，從而誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。所以CaHDZ12 作為ABA 調(diào)控路徑的正調(diào)節(jié)劑。過表達品系中顯著上調(diào)了多種干旱脅迫響應(yīng)基因，轉(zhuǎn)基因品系的耐旱性增強[14]。鹽芥中HD-ZIP IV 基因EsHdzip1在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因煙草中的ABA 含量明顯高于野生植物。ABA 的高水平積累與其生理和生化反應(yīng)一致。同時過表達的EsHdzip1 品系中抗壞血酸過氧化物酶（APX）和TSS 的含量升高，誘導(dǎo)了NtP5CS，NtERD10C和NtLEA5 的表達，使植物遭受干旱脅迫時控制較低的細胞水勢，增強了保水能力[35]。OsHOX24 也參與了生長素和ABA 的交叉互作。OsHOX24 的過表達下調(diào)了IAA 的生物合成涉及的基因的表達。過表達與野生型相比對ABA 的敏感性更高，在干旱脅迫下氣孔關(guān)閉能力受損。過表達品系中根系和芽的生長受到抑制，葉綠素含量顯著低于野生型，以此作為干旱防御機制的負調(diào)控因子[36,37]。玉米ZmHDZ4，ZmHDZ10過表達在ABA 培養(yǎng)基中抑制了發(fā)芽率，苗高和根長高于野生型，說明都對ABA 顯示出高敏感性，都有可能影響ABA 信號傳導(dǎo)[38,39]。轉(zhuǎn)基因植物具有比野生植物更高的相對含水量（RWC），存活率仍高于野生型。關(guān)于ZmHDZ10 應(yīng)對脅迫條件的分子機制。干旱處理5 天后，WT 和轉(zhuǎn)基因擬南芥均激活了脅迫和ABA 響應(yīng)基因，包括P5CS1，RD22，RD29B和ABI1 這些植物在轉(zhuǎn)基因植物中的表達水平顯著高于野生型植物中的水平[39]。

根部的生長發(fā)育對干旱脅迫發(fā)揮關(guān)鍵作用。JA相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平通過HDG11 的過表達而上調(diào)，促進側(cè)根形成使根吸收土壤水響應(yīng)干旱脅迫[40]。HDG11 也可能調(diào)節(jié)影響根發(fā)育的其他下游信號通路。功能獲得突變體 edt1D 的主根伸長和側(cè)根增多表型可能是多種信號通路整合的結(jié)果。研究證明，HDG11 通過上調(diào)細胞壁松弛蛋白基因以促進擬南芥中的根的發(fā)育[41]。

表 1 HD-ZIP 在干旱脅迫下的不同表達模式Table 1 Differential expressions of HD-ZIP transcription factors under drought stress

圖 2 HD-ZIP 干旱脅迫調(diào)控通路Fig. 2 Regulatory route of HD-ZIP in response to drought stress

木質(zhì)素的積累也會影響干旱耐受性。比如卷曲的葉子和矮化（cld1）突變體在次生細胞壁中的木質(zhì)素含量顯著降低，從而導(dǎo)致cld1 葉片缺水并降低了抗旱性[42]。桉樹EcHB1 過表達細胞株莖干中的維管解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，徑向直徑減小且細胞壁厚度增大。這些變化增強木質(zhì)部細胞的剛度，但會降低莖中的水力傳導(dǎo)度，因此，還將減少干旱期間樹木的水分流失[11]。水稻OsTF1L的過表達誘導(dǎo)木質(zhì)素合成基因的表達從而促進了木質(zhì)素在芽中的積累，介導(dǎo)干旱防御機制。此外OsTF1L直接綁定到氣孔運動基因的啟動子，促使氣孔關(guān)閉，并且OsTF1L可上調(diào)許多干旱誘導(dǎo)基因，比如PMEI，LEA，HSP等，當這些基因過表達時可提高植物耐旱性[43]。

HD-ZIP 還與其他干旱應(yīng)答基因互作，響應(yīng)干旱調(diào)控機制。通過酵母單雜交篩選，鑒定出HD-ZIPⅠ類TFAtHB13 是干旱防御因子JUB1 的上游調(diào)節(jié)基因。因此表明，AtHB13 和JUB1 建立了聯(lián)合干旱脅迫控制模塊[44]。TaCBF5L在嚴重干旱條件下被劇烈上調(diào)，將玉米TaHDZipI-4 啟動子與TaCBF5L基因結(jié)合作用可顯著提高轉(zhuǎn)基因小麥在嚴重干旱脅迫下（＞4 MPa）開花期間的籽粒產(chǎn)量。但當植物在良好的澆水條件和中度干旱條件下并沒有觀察到產(chǎn)量的提 高[45,46,47]。綜上所述，HD-ZIP 在干旱脅迫下調(diào)控通路較為多元，HD-ZIPⅠ轉(zhuǎn)錄因子主要參與激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。越來越多報道顯示HD-ZIPⅣ參與干旱誘導(dǎo)的氧化脅迫調(diào)控，在此基礎(chǔ)上著重于干旱脅迫調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中HD-ZIP 的共調(diào)節(jié)因子，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜通路中基因的關(guān)聯(lián)性和互動性。

表 2 HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在鹽脅迫下不同表達模式Table 2 Differential expressions of HD-ZIP transcription factors under salt stress

3.2 響應(yīng)鹽脅迫的分子機制

芝麻[8]、木薯[13]、茶樹[6]、梨[26]、麻風(fēng)樹[10]的某些HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在干旱脅迫和鹽脅迫下均被誘導(dǎo)。此外，多數(shù)黃瓜HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在鹽脅迫下上調(diào)表達[5]。鹽脅迫下Na+、CO32?、HCO?以及高pH值都會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生負面影響。其中Na 鹽對植物的危害最為普遍。高鹽環(huán)境會導(dǎo)致嚴重的滲透脅迫并破壞細胞的正?；顒印１热缡怪参锂a(chǎn)生過量ROS，從而造成膜脂過氧化、酶失活以及DNA 破壞等傷害[48,49]。因此，鹽脅迫可相繼引發(fā)滲透脅迫和氧化脅迫。HD-ZIP 在鹽脅迫下的調(diào)控機制也較為細致（表2，圖3）。HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子可通過激活抗氧化系統(tǒng)、調(diào)節(jié)滲透穩(wěn)態(tài)、維持Na+/K+的穩(wěn)態(tài)以及調(diào)控下游脅迫響應(yīng)基因參與ABA調(diào)控通路參與鹽脅迫應(yīng)答。HD-ZIP 基因可以提高抗氧化酶的活性和一些可溶性有機物質(zhì)的積累[50]。比如HDG11 轉(zhuǎn)基因胡椒和棉花楊樹中，在高濃度NaCl 脅迫處理期間具有較高水平的脯氨酸、可溶性糖，抗氧化酶（SOD）和CAT，使植物的氧化損傷降低并且有利于通過調(diào)節(jié)滲透穩(wěn)態(tài)來耐受鹽脅迫壓力。HDG11 轉(zhuǎn)基因植物呈現(xiàn)出低含量的MDA，其作為脂質(zhì)過氧化作用的終產(chǎn)物，其含量越低，越有助于維持膜和蛋白質(zhì)體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)[30,31]。此外，AtHDG11過表達植物鹽脅迫條件下具有更好的維持Na+/K+穩(wěn)態(tài)的能力。先前的研究報道，經(jīng)過鹽處理后，AtHDG11轉(zhuǎn)基因高羊茅可以在葉片和根部保持相對穩(wěn)定的Na+/K+比值，從而提高了轉(zhuǎn)基因植物的耐鹽性[51]。PtrHox11 基因能夠提高植物體內(nèi)過氧化物酶的活性。過表達PtrHox11 中POD 活力迅速升高減少了過氧化氫等物質(zhì)對植物體的危害，并且過表達PtrHox11 的植株相對電導(dǎo)率低于野生型植株和基因沉默型植株。這說明了PtrHox11 過表達能夠減小細胞膜破壞程度，從而維持較低水平的膜透性[52]。過表達鷹嘴豆CaHDZ12 品系中，谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）和谷胱甘肽還原酶（GR）內(nèi)源性水平比野生型中增長使離子泄露減少，降低了膜損傷[14]?？箟难幔ˋsA）可清除活性氧，參與抗氧化防御系統(tǒng)。有研究揭示，番茄SlHZ24 通過上調(diào)SlGMP3、SlGME1 或SlGME2 等基因的表達來促進AsA 的生物合成。結(jié)果表明過表達SlHZ24 的植物對氧化應(yīng)激的敏感性降低，提高了鹽脅迫耐受能力[53,54]。與野生型植物相比，鹽脅迫下ATHB17 過表達系具有更好的根系生長優(yōu)勢，并且ATHB17 通過直接激活A(yù)TSIG5，提高抗氧化能力，調(diào)節(jié)鹽脅迫耐受性[55]。

HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子還可通過直接調(diào)控下游脅迫響應(yīng)基因參與鹽脅迫。比如碳酸氫鹽（NaHCO3）脅迫下，大豆Gshdz4 通過直接誘導(dǎo)碳酸氫鹽防御基因（比如NADP-ME和H+-Ppase）的高表達來調(diào)節(jié)細胞內(nèi)細胞質(zhì)的潛在酸化，此外還誘導(dǎo)了ABA 響應(yīng)基因（KIN1 和RD29B）協(xié)調(diào)鹽脅迫下植物細胞的生理條件[56]。番茄SIHB2 沉默品系中抗氧化酶和脯氨酸的上調(diào)外，還誘導(dǎo)了ABA 反應(yīng)元件結(jié)合因子AREBs，乙烯反應(yīng)性元素結(jié)合因子ERF 的表達，說明番茄SIHB2 負調(diào)控鹽脅迫通路[57]。玉米HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子HD-ZIPⅠ亞家族也參與ABA 介導(dǎo)的鹽脅迫響應(yīng)途徑。用200 mmol·L?1NaCl 處 理 對ABA 敏 感 性 高 的ZmHDZ10 15 天后，大多數(shù)轉(zhuǎn)基因植物仍生長良好，綠葉數(shù)量多且重量高于野生型植物，存活率遠遠高于野生型[39]。鹽脅迫下玉米ZmHDZ1 過表達使ABA響應(yīng)基因OsABI5 的轉(zhuǎn)錄本比WT 中的更多。同時上調(diào)了鹽脅迫負調(diào)節(jié)因子OsHox22，下調(diào)了脅迫應(yīng)答關(guān)鍵基因OsLEA3 和OsRAB16A，所以ZmHDZ1是ABA調(diào)控鹽脅迫通路的負調(diào)節(jié)因子[58]。麻風(fēng)樹耐鹽性試驗結(jié)果顯示JcHDZ16 降低了轉(zhuǎn)基因水稻的耐鹽性，并提高了對ABA 的敏感性，是ABA介導(dǎo)的鹽脅迫響應(yīng)中的負調(diào)節(jié)因子[10]。以上可知，HD-ZIP 在鹽脅迫下部分調(diào)控路徑與干旱脅迫下相似。干旱與高鹽環(huán)境下植物生理生化指標相似，都可通過調(diào)節(jié)滲透勢緩解，HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子可作為中間節(jié)點，將兩種脅迫串聯(lián)成相互制約影響的雙向調(diào)控通路。

表 3 HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在高溫與低溫脅迫中的不同表達模式Table 3 Differential expressions of HD-ZIP transcription factors under high- and low-temp stresses

3.3 響應(yīng)溫度脅迫的機制

溫度脅迫包括高溫、低溫和劇烈變溫脅迫。HDZIP 研究較多的是高溫和低溫脅迫。這兩種脅迫下都會使多數(shù)酶活性減弱，導(dǎo)致異常的生化反應(yīng)和細胞的死亡。某些HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在兩種脅迫下都可被誘導(dǎo)表達，比如黃瓜、土豆的某些基因均被上調(diào)[8,59]（表3）。黑麥草中兩種脅迫處理表現(xiàn)出極大的差異。在冷處理中（4 ℃）13 個LpHOX基因的表達水平在葉片中均顯著上調(diào)。在熱脅迫下（40 ℃），大多數(shù)基因在葉片和根部中均被下調(diào)[12]。

低溫脅迫主要分為冷害和凍害，以高于或低于0 ℃為界限。番茄HD-ZIP I 基因結(jié)果表明，全部22 個基因均受冷脅迫誘導(dǎo)。其中有13 個（59%）顯著上調(diào)，8 個（36%）下調(diào)[60]。DREB/CBF是低溫誘導(dǎo)蛋白，在低溫時激活一系列下游抗逆基因的表達。TaHDZipI-3和TaHDZipI-4 在轉(zhuǎn)基因小麥和大麥中驅(qū)動誘導(dǎo)了兩個DREB/CBF基因TaDREB3 和TaCBF5L的表達。兩個基因的過表達提高了轉(zhuǎn)基因大麥和小麥幼苗的夜晚霜凍耐受性[45,46]。Nataliya等[61]研究表明小麥受冷脅迫處理導(dǎo)致TaHDZipI-2 內(nèi)源轉(zhuǎn)錄本水平降低，但通過過表達該基因卻增強了植物抗凍性。這是因為一些DREB/CBF基因獨立于TaHDZipI-2 而表達，并且HDZipI-2 在轉(zhuǎn)基因中的組成型過表達顯著上調(diào)了低溫耐受基因VRN1、TMC-AP3 和BM3 的表達，從而提高低溫脅迫抗逆性。TaHDZipI-5 被凍害強烈誘導(dǎo)，通過耐寒性試驗表明TaHDZipI-5 在寒冷脅迫下（?7 ℃和?8 ℃）6.5小時的存活率明顯高于野生型。TaHDZipI-5 在受精前和籽粒發(fā)育的早期在花中的表達，可能表明該基因參與了對夜霜最脆弱的小麥組織的保護[47]。

對于高溫耐受性的研究較少。已知數(shù)據(jù)顯示，通過檢測多年生黑麥草HD-ZIP 基因在耐熱品系與熱敏性品系之間的表達水平，推斷黑麥草基因的耐熱基因。多年生黑麥草熱敏系中LpHOX6，LpHOX8 和LpHOX24 的表達水平較高，因此對耐熱性產(chǎn)生負調(diào)控因子，而LpHOX21 在耐熱品系中表達較高，可能作為多年生黑麥草耐熱性的正轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子[12]。熱休克蛋白（HSP）在植物應(yīng)對高溫脅迫時會大量合成，維持細胞蛋白內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性提高應(yīng)激耐受性。在溫暖（20-30 ℃）干燥的環(huán)境中，HaHB4 通過誘導(dǎo)氧化還原和熱休克蛋白編碼基因在轉(zhuǎn)基因大豆中的表達，表明HaHB4在耐熱機制的潛在功能[62]。HSP 是研究高溫脅迫重要的調(diào)節(jié)因子，因此HDZIP 與HSP 之間調(diào)控通路研究可以作為發(fā)掘HDZIP 高溫脅迫下生物功能的一個重要突破口。

3.4 響應(yīng)弱光脅迫的機制

當植物受到周圍植物冠層遮陰后，會導(dǎo)致莖稈暴露在低R/FR 和藍光下，形成弱光脅迫。歸結(jié)多種報道可知，擬南芥HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ?qū)赓|(zhì)變化較為敏感，當光敏色素感知到冠層光信號后主要通過誘導(dǎo)莖稈生長參與避光反應(yīng)（圖4）[63,64]。在擬南芥中，避蔭是由基因表達的正向（PIF）和負向（HFR1/SICS1）調(diào)節(jié)因子進行調(diào)節(jié)，從而確保植物體快速重塑成最適合生長的環(huán)境[64]。PIF1 誘導(dǎo)了AtHB1 的表達，主要集中在下胚軸和根中。AtHB1 在PIF1 下游起作用，在短時間的光周期下促進下胚軸生長[65]。ATHB21，ATHB40，ATHB53 參與了激素響應(yīng)光信號途徑。在低R：FR 或短光周期條件下，腋芽發(fā)育抑制因子BRC1可以直接激活A(yù)THB21，ATHB40，ATHB53。 這些基因上調(diào)ABA 生物合成基因NCED3 的表達，從而使植物在腋芽內(nèi)正常充足的ABA 積累，對有限光照條件下芽發(fā)育和分支生長的調(diào)控至關(guān)重要[66]。

圖 4 HD-ZIP 避光反應(yīng)調(diào)控通路Fig. 4 Regulatory route of HD-ZIP in response to shading

HD-ZIP II 亞家族中，低R/FR 光線可在下胚軸和子葉柄的延長部分的所有細胞層中迅速誘導(dǎo)ATHB2:GUS表達，因此表明ATHB2 在這些器官中起到控制避光的作用。長時間暴露于低R/FR 下，ATHB2:GUS和ATHB2:GFP蛋白水平都會降低，這表明ATHB2 也可以在蛋白質(zhì)穩(wěn)定性水平上進行調(diào)節(jié)[67]。同時低R/FR誘導(dǎo)的植物生長素穩(wěn)態(tài)和植物生長素運輸變化是避光的關(guān)鍵，表明已經(jīng)建立了ATHB2 和生長素之間的聯(lián)系，在避光反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用[68]。植物色素（擬南芥中的phyB，phyD和phyE）感知到紅（R）與遠紅（FR）的比率的變化，從而在光質(zhì)變化之間產(chǎn)生動態(tài)的光平衡。phyB，phyD 和phyE 都通過低比率R/ FR 來參與ATHB2 的調(diào)控，已證實phyB在遮陰條件下負調(diào)控植物下胚軸的伸長率[63,64, 67]與此相關(guān)的是，ATHB2 同源基因在單子葉植物（玉米）和雙子葉（番茄）植物中都是通過低比率R/FR誘導(dǎo)的，強烈表明HD-ZIP II 的功能可能通過進化得以保持[69,70]。ATHB2 與ATHB4 受避蔭反應(yīng)的負調(diào)控因子HFRl/SICSl 的調(diào)控。長時間暴露于遮蔭條件下，hfr1-4/sics1-1 功能喪失突變幼苗的下胚軸和子葉柄中的ATHB2，ATHB4 上調(diào)，而HAT1 和HAT3 則沒有變化。ATHB2 和ATHB4 基因協(xié)同作用，植物被遮蔽時均顯示出葉肉細胞增殖的早期終止，表明在樹冠遮蔭下控制葉片發(fā)育[71]。

HD-ZIP Ⅲ中REV 直接影響幾個與植物避蔭作用相關(guān)的HD-ZIP Ⅱ基因的表達。比如REV 的基因靶標中有HAT3，ATHB4，ATHB2 和HAT2，并且有證據(jù)表明HAT3 還同時受PHB 和PHV 的調(diào)控，在模擬陽光下HAT3、ATHB4 和PHB，PHV 和REV 中表現(xiàn)出重疊的表達模式[67,72]。上述總結(jié)得知，HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子在弱光脅迫下處于下游調(diào)控的位置，受到多種因素調(diào)控，因此研究HD-ZIP 是否可以在上游發(fā)揮作用成為比較新穎的方向。比如HD-ZIP Ⅱ能否在上游通過激活其他轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控PIF 的表達，比如ATHB2 與植物色素PhyB/D/E（PIF 的抑制因子）的負反饋通路，從而達到正調(diào)控弱光脅迫的作用。

3.5 響應(yīng)重金屬脅迫的機制

重金屬是脂質(zhì)過氧化的誘導(dǎo)劑，當植物受到重金屬特別是有毒重金屬污染后會造成生物膜結(jié)構(gòu)功能破壞影響植物代謝。某些重金屬元素比如鐵（Fe）需要維持含量的穩(wěn)態(tài)從而使植物正常發(fā)育。ATHB1通過和Myb.Ph 轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合從而負調(diào)控CaFer1響應(yīng)鐵的表達，從而抑制鐵元素過度表達，以此參與對鐵元素穩(wěn)態(tài)的調(diào)控[73,74]。錳（Mn）是一種有毒重金屬，在土壤中誘導(dǎo)會限制農(nóng)作物的生長。有數(shù)據(jù)表示，使用cDNA-AFLP 從不耐錳的柑橘和耐錳的柑橘根中鑒定出87 和63 個錳反應(yīng)基因。在這些基因中，根中HD-ZIP I 蛋白（TDF#170-1 和170-1k）在錳毒性下被上調(diào)。HD-ZIP I 的上調(diào)在不耐錳性柑橘中比在耐錳性根中更為明顯。這些發(fā)現(xiàn)突出了HD-ZIP I 蛋白在錳耐受性調(diào)節(jié)中的作用[75]。鎘（Cd）也屬于重金屬的一種，有研究表明，miR166 與其HD-ZIPⅢ靶基因共同作用，對鎘脅迫產(chǎn)生響應(yīng)[74]。結(jié)果顯示在Cd 脅迫下葉片中miR166 及其靶基因HD-ZIP 的表達水平呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。當施加外源SA 處理后加大了誘導(dǎo)幅度，miR166 顯著上調(diào)，而HD-ZIP 因子被顯著下調(diào)。HD-ZIP 過表達可顯著增加稻Cd 積累，可以得知HD-ZIP Ⅲ作為水稻抵御鎘元素損傷的負調(diào)節(jié)因子[76]。

3.6 響應(yīng)機械損傷的機制

最新的研究表明[77]，在機械性創(chuàng)傷下，小麥HD-ZIP Ⅳ蛋白TaGL7 和TdGL7 轉(zhuǎn)錄數(shù)量迅速增加（在1 小時內(nèi)），但在發(fā)生創(chuàng)傷后3 小時又恢復(fù)到原始水平。說明GL7 基因?qū)?chuàng)傷脅迫的響應(yīng)是短暫的。GL7 啟動子在轉(zhuǎn)基因水稻中的活性總體上強于小麥和大麥則可以證明它具有谷物特異性。小麥HD-ZIP IV 轉(zhuǎn)錄因子GL7 激活了三個創(chuàng)傷誘導(dǎo)型防御素啟動子TdPRPI-5、TdPRPI-7、TdPRPI-8，觸發(fā)創(chuàng)傷響應(yīng)?？赡鼙砻鱐dGL7 位于傷口誘導(dǎo)途徑的末端，其產(chǎn)物參與防御和脂質(zhì)輸送以修復(fù)受損的細胞壁或表皮，暗示HD-ZIP IV TF 可以直接通過激活某些與病程相關(guān)的蛋白來參與植物對病原體的防御[77,78]。除此之外，HD-ZIP I 的基因也被檢測到受機械損傷誘導(dǎo)。HD-ZIP I中SIHB2 在機械損傷顯著誘導(dǎo)。在0～8 h 上調(diào)，在8 h 達到18.1 倍，之后表達量逐漸減少[57]。通過對蘋果MdHB-1 啟動子在轉(zhuǎn)基因煙草葉子中對脅迫響應(yīng)分析得知，機械損傷的葉子GUS 活性比對照高1.3 倍，表明MdHB-1 基因啟動子可以響應(yīng)機械損傷脅迫來調(diào)節(jié)MdHB-1 蛋白的表達[79]。綜上，現(xiàn)階段對于機械損傷的分子調(diào)控機制研究不夠深入。植物角質(zhì)層的發(fā)育可以抵御機械損傷脅迫以及生物脅迫，所以闡明HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子與脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白之間的調(diào)控關(guān)系有利于跟進植物防御體系研究。

4 研究展望

HD-ZIP 轉(zhuǎn)錄因子參與植物的適應(yīng)性反應(yīng)是通過多種機制實現(xiàn)的，這些機制與每個外部因素的信號遺傳系統(tǒng)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，這些基因是一個中間環(huán)節(jié)，將不同的級聯(lián)結(jié)合在一起，并將環(huán)境信號導(dǎo)向抗性效應(yīng)基因。這決定了HD-ZIP 基因成為植物對外部不利因素適應(yīng)性反應(yīng)的重要調(diào)節(jié)劑。對于脅迫應(yīng)答機制HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ亞家族的研究比較詳盡，除廣泛研究的ABA 信號通路外，其他激素的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中也可深入探討HD-ZIP Ⅰ、Ⅱ亞家族的調(diào)控路徑。HD-ZIP Ⅲ亞家族可以結(jié)合MIR165/166進行更多關(guān)于逆境脅迫的探討。HD-ZIP Ⅳ亞家族中的HDG11 基因參與了多種調(diào)控機制，在調(diào)控干旱和鹽脅迫中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。機械創(chuàng)傷脅迫響應(yīng)是HD-ZIPⅣ轉(zhuǎn)錄因子較為新穎的生物功能，今后可以作為深入研究的方向。HD-ZIP 分子機制仍需要繼續(xù)完善，比如不同成員新的逆境表達模式，如何參與不同激素的信號傳導(dǎo)途徑以及對下游基因的調(diào)控表達都需要進一步探討，以期達到對HD-ZIP 逆境調(diào)控機理更為細致全面的闡釋。