棉花MYB轉(zhuǎn)錄因子的研究進展*

朱英潔, 趙 航， 包 穎

(曲阜師范大學生命科學學院，273165，山東省曲阜市)

0 引 言

棉屬(GossypiumL.)，起源于熱帶和亞熱帶地區(qū)，類型包括灌木到小喬木，共約52種[1].根據(jù)染色體數(shù)目、核型以及鑒定的時間順序，在棉屬內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并命名8種二倍體基因組(AA至GG以及KK)和1種四倍體基因組(AADD).目前，棉屬中共有4個棉種被馴化，它們分別是2個具有AA基因組的二倍體——亞洲棉(G.arboretumL.)和草棉(G.herbaceumL.)以及2個具有AADD基因組的四倍體——陸地棉(G.hirsutumL.)和海島棉(G.barbadenseL.)[2].栽培棉花作為世界重要的纖維作物，是紡織工業(yè)的重要原料支撐，在推動國民經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位.因此，進一步提高棉花的纖維品質(zhì)和產(chǎn)量是促進棉花產(chǎn)業(yè)提升的關鍵.目前，分子育種作為作物改良的主要方法已經(jīng)得到廣泛應用，而要做好分子育種，除了需要識別形成植物農(nóng)業(yè)表型的主效基因之外，篩查調(diào)控這些基因表達的轉(zhuǎn)錄因子同樣重要.

轉(zhuǎn)錄因子是指能夠結(jié)合在基因上游特異核苷酸序列上的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)具有DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域和轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域.MYB作為植物和動物中廣泛存在的一類轉(zhuǎn)錄因子，其特點是在N端存在高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(MYB DNA-Binding)，該結(jié)構(gòu)域通常包含1～4個半保守基序(R)，每個R由大約50～53個氨基酸殘基和間隔序列組成.這些氨基酸殘基使MYB結(jié)構(gòu)域折疊成一個螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(HTH)結(jié)構(gòu)[3]，可插入到目標DNA的大溝中.

根據(jù)結(jié)構(gòu)域中R數(shù)目的不同，MYB轉(zhuǎn)錄因子可以分為4個亞家族：1R-MYB、R2R3-MYB、3R-MYB和4R-MYB.1R-MYB轉(zhuǎn)錄因子只含有一個MYB結(jié)構(gòu)域，是一種重要的端粒結(jié)合蛋白，在調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄和維持染色體結(jié)構(gòu)的完整性中起重要作用[4,5].R2R3-MYB亞家族含有2個MYB保守結(jié)構(gòu)域(R2和R3)，是植物MYB家族中數(shù)目最多、功能最廣泛的轉(zhuǎn)錄因子，是研究的重點.含有R1、R2、R3共3個MYB結(jié)構(gòu)域的是3R-MYB亞家族，主要在細胞周期調(diào)節(jié)和細胞分化中起作用[6].4R-MYB轉(zhuǎn)錄因子含有4個MYB結(jié)構(gòu)域，這類MYB轉(zhuǎn)錄因子數(shù)目最少且研究較少，很多功能未知.

本文通過回顧不同棉種MYB蛋白家族的進化特點以及生物學功能，對MYB轉(zhuǎn)錄因子在棉花中的研究做出階段性的總結(jié)，為后續(xù)研究MYB轉(zhuǎn)錄因子在棉花中的功能、調(diào)控機制以及進化動態(tài)提供參考.

1 棉花MYB轉(zhuǎn)錄因子的進化特點

隨著全基因組測序的興起，棉屬中部分棉種的全基因組已經(jīng)公布，目前基于二倍體亞洲棉、草棉和雷蒙德氏棉(G.raimondiiL.,DD基因組)，四倍體陸地棉和海島棉全基因組的MYB轉(zhuǎn)錄因子鑒定已經(jīng)展開[7-9](表1).在這5個基因組中，四倍體陸地棉中鑒定的MYB轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量最多，共有812個；二倍體草棉和雷蒙德氏棉分別鑒定到數(shù)目幾乎相等的MYB(349,348)(表1).MYB的4個亞家族在棉花中都有分布，其中R2R3-MYB亞家族數(shù)量最多.陸地棉、草棉和雷蒙德氏棉基因組內(nèi)分別有55%、59%和62%的MYB轉(zhuǎn)錄因子隸屬R2R3-MYB亞家族(表1)；與之相反，來自4R亞家族的MYB數(shù)量最少，目前僅在二倍體棉中鑒定到1個直系位點，且該位點在四倍體棉中以倍增的形式存在(表1).

表1 棉花中全基因組鑒定的MYB轉(zhuǎn)錄因子

棉花MYB轉(zhuǎn)錄因子根據(jù)進化時間不同可分為3類：在祖先棉花分化之前就已存在的MYB轉(zhuǎn)錄因子，廣泛存在于各種植物中;在AA基因組和DD基因組二倍體棉花分化后，由MYB轉(zhuǎn)錄因子經(jīng)過不斷復制產(chǎn)生，屬于棉花特有的MYB轉(zhuǎn)錄因子;進入AADD基因組，二倍體親本MYB在全基因組加倍后，經(jīng)過丟失、重排、以及再擴增等出現(xiàn)的MYB.系統(tǒng)進化研究發(fā)現(xiàn)，四倍體棉花中D基因組可能的祖先二倍體和雷蒙德氏棉最接近；而A基因組的供體則被認為是已經(jīng)滅絕的A0[10].理論上，如果基因沒有發(fā)生丟失，四倍體內(nèi)的MYB總數(shù)應該等于2個二倍體內(nèi)MYB之和，但是，目前四倍體陸地棉中MYB數(shù)量(812)卻遠大于AA和DD基因組二倍體棉的MYB轉(zhuǎn)錄因子總數(shù)之和(697)(表1)，表明MYB在四倍體棉花內(nèi)可能存在大幅度的擴增現(xiàn)象，或者是在二倍體中有基因丟失(圖1).由此可以看出，四倍體棉中MYB蛋白家族的進化除了由全基因組加倍導致的直系同源倍增基因之外，還有另外的復制方式存在.最近研究證實了這種推測，串聯(lián)復制和轉(zhuǎn)座復制在棉花MYB家族擴增中發(fā)揮重要作用[11].

圖1 MYB在3種棉花不同染色體上的共線性分布

研究證明，大部分MYB同源基因在二倍體之間不但以相同的速率進化，而且基因時空表達的模式在棉種間也相對保守[8].但是，當這些同源基因被異源整合到四倍體棉中，倍增基因組中冗余重復的MYB基因則可能經(jīng)歷不同的命運.近期有研究發(fā)現(xiàn)陸地棉中來自D基因組的MYB轉(zhuǎn)錄因子顯示出比來自A基因組的同源拷貝具有更快的進化速率，并且兩種同源拷貝在所有器官中也不再等量表達，表明這些同源拷貝間可能已經(jīng)發(fā)生了功能上的亞分化[7].

2 棉花中MYB轉(zhuǎn)錄因子的生物學功能

棉花作為重要的經(jīng)濟作物，因此如何提高其產(chǎn)量和纖維質(zhì)量受到廣泛關注.通過匯總棉花MYB轉(zhuǎn)錄因子研究的相關文獻，我們發(fā)現(xiàn)已有功能報道的MYB轉(zhuǎn)錄因子共有56個，其中45個MYB轉(zhuǎn)錄因子屬于陸地棉，海島棉和亞洲棉報道的分別有6個和5個.根據(jù)已有報道，可以看出MYB轉(zhuǎn)錄因子廣泛參與棉花生長發(fā)育階段的多種生物學過程，例如參與纖維發(fā)育、花青素生物合成、應對生物和非生物脅迫等(表2).

表2 棉花中已報道的MYB轉(zhuǎn)錄因子的功能

2.1 MYB轉(zhuǎn)錄因子在纖維發(fā)育中的作用

棉纖維是棉種皮表皮層的單細胞毛狀體.作為世界上重要的天然纖維材料，棉纖維的發(fā)育可分為4個階段：起始階段(Initiation)、伸長階段(Elongation)、次生細胞壁合成階段(Secondary cell wall synthesis)和成熟階段(Maturation).棉纖維在4個不同發(fā)育階段發(fā)生的變化均會對棉花的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生影響.MYB作為植物重要的轉(zhuǎn)錄因子家族之一，已被證明在棉纖維發(fā)育的各個時期均有不同的調(diào)控作用(圖 2).在棉纖維發(fā)育起始階段發(fā)揮作用的MYB基因主要有GhCPC、GhMYB25和GhMYB25-like.擬南芥CAPRICE(CPC)基因被證實是毛狀體起始的負調(diào)節(jié)劑.在棉花中發(fā)現(xiàn)GhCPC與GhTTG1/4和GhMYC1組成CPC-MYC1-TTG1/4復合物，進而調(diào)節(jié)GhHOX3(GL2)和GhRDL1 的表達來負調(diào)節(jié)棉纖維的起始和早期伸長[15].

目前已鑒定在棉纖維伸長期起調(diào)控作用的MYB轉(zhuǎn)錄因子數(shù)量最多(圖2)，其中GhMYB109可抑制乙烯合成酶(GhACO1和GhACO2)的表達，且在棉花中沉默GhMYB109會導致轉(zhuǎn)基因棉花纖維長度變短，表明其有可能參與纖維細胞伸長的調(diào)控[61].有研究者分別從亞洲棉和海島棉中克隆出了MYB2基因，在過表達擬南芥中GbMYB2可激活擬南芥發(fā)育相關基因(GL2)的表達，促進葉片毛狀體和根的發(fā)育；GaMYB2和GbMYB2功能相似，在植物表皮毛細胞分化和發(fā)育過程中起重要的調(diào)控作用[51,57].這些研究表明在不同植物中MYB轉(zhuǎn)錄因子的功能有一定的保守性.

圖2 棉纖維形成過程中已知的MYB轉(zhuǎn)錄因子

棉花纖維發(fā)育的第三階段(次生壁合成階段)決定著棉花纖維的強度和韌度.一些 R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子在該階段通過調(diào)控纖維素合酶(celA1)的轉(zhuǎn)錄來調(diào)節(jié)次生壁的纖維素合成.例如， GhMYBL1可識別并結(jié)合在celA1啟動子的SMRE元件促進次生壁中纖維素的合成[62].同樣，GhMYB46也是通過結(jié)合celA1的啟動子，在棉纖維的次生壁合成階段起作用[21].

2.2 MYB轉(zhuǎn)錄因子在脅迫中的作用

棉花在生長發(fā)育過程中受到各種生物和非生物脅迫，如干旱、低溫、高鹽以及病蟲害侵染等.在長期的進化過程中，棉花形成了抵抗脅迫的多種防御機制.有研究表明，MYB轉(zhuǎn)錄因子可通過直接或間接調(diào)控多個抗逆相關基因的表達，以應對外界不良環(huán)境.

2.2.1非生物脅迫

極端環(huán)境(干旱、高鹽和低溫等)會對植物的生長和發(fā)育產(chǎn)生許多不利的影響，嚴重危害作物的品質(zhì)和產(chǎn)量.植物激素脫落酸(ABA)是植物體內(nèi)一種重要的生物活性物質(zhì)，參與植物發(fā)育和非生物脅迫反應等過程[63].棉花對ABA信號的感知和轉(zhuǎn)導有ABA依賴和非ABA依賴性兩條途徑，其中已報道的MYB轉(zhuǎn)錄因子是通過ABA依賴途徑參與非生物脅迫.

在棉花中，干旱和鹽脅迫會使脫落酸(ABA)含量上升，進而引起棉花的適應性反應.當ABA含量較低時，2C型蛋白磷酸酶(PP2C)通過去磷酸化與SNF1相關蛋白激酶2(SnRK2)相互作用并使其失活；當植物遭受干旱、鹽等脅迫刺激時，ABA含量增加，并與ABA受體蛋白PYL相互作用并激活PP2C，形成PYL-ABA-PP2C三元復合體，釋放SnRK2s[64].釋放的SnRK2s通過自身磷酸化激活，并磷酸化許多下游的效應蛋白從而調(diào)節(jié)脅迫誘導基因的表達，氣孔的開閉和離子轉(zhuǎn)運等[63].在棉花中，MYB轉(zhuǎn)錄因子主要通過兩條途徑調(diào)控ABA介導的脅迫響應：一類是可與ABA受體蛋白PYL相互作用，影響后續(xù)途徑；另一類是通過影響下游脅迫基因的表達來應對脅迫.研究發(fā)現(xiàn)GhMYB44可與ABA受體蛋白PYL相互作用以結(jié)合PP2Cs，通過影響ABA途徑增強植株的抗旱能力[34].Chen等[54]研究顯示在干旱脅迫下，GbMYB5通過激活ABA依賴性信號傳導途徑中的脫水反應基因的表達來減少植物失水，并通過調(diào)節(jié)滲透壓和LEA蛋白質(zhì)的生物合成來維持植物細胞和蛋白質(zhì)的穩(wěn)定.不僅如此，GbMYB5還通過有效的排毒系統(tǒng)清除活性氧(ROS).陸地棉中GhMYB11、GhMYB108-like和GhMYB113，在多種非生物脅迫處理后，表達量明顯變化，也被認為在棉花抵御非生物脅迫的過程中具有一定作用[35,38,39]，但其生物學功能及分子機制有待于更進一步研究.

2.2.2 生物脅迫

自然條件下棉花易受到黃萎病菌和棉鈴蟲的侵害.越來越多的研究表明，植物MYB轉(zhuǎn)錄因子參與抗病原體攻擊的防御，在棉花中MYB轉(zhuǎn)錄因子抵御黃萎病菌攻擊主要集中在防御信號分子途徑.Cheng等[41]發(fā)現(xiàn)過表達GhMYB108可以增強擬南芥對黃萎病的耐受性，GhMYB108與鈣調(diào)蛋白GhCML11相互作用形成正反饋環(huán)，并以Ca2+依賴性方式增強GhMYB108和GhCML11轉(zhuǎn)錄.GhCML11和GhMYB108沉默的植物中可減少Ca2+流入棉花根細胞的胞質(zhì)溶膠中并下調(diào)鈣信號相關基因的表達，這也印證了Ca2+/CaM和TFs協(xié)同作用調(diào)節(jié)防御相關反應.最近Shen等[43]克隆得到GhMYB43，發(fā)現(xiàn)超表達GhMYB43的棉花可增強棉花對黃萎病菌的敏感性，而且GhMYB43負調(diào)控木質(zhì)素合成和JA信號通路相關基因的轉(zhuǎn)錄.在應對棉鈴蟲侵害的研究中發(fā)現(xiàn)，MYB轉(zhuǎn)錄因子可通過調(diào)控類黃酮次生代謝產(chǎn)物——花青素來增強棉花抵御棉鈴蟲的能力.Li等[47,65,66]研究發(fā)現(xiàn)棉花R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子家族中GhPAP(1A、1D、2A和2D)可結(jié)合GhUGFT和GhGST啟動子并激活其轉(zhuǎn)錄，進而調(diào)控棉花花青素的積累.

3 展 望

MYB作為植物體內(nèi)龐大的蛋白家族，因其功能的重要性以及調(diào)控網(wǎng)絡的復雜性，受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關注.近年來，MYB蛋白家族參與植物生長發(fā)育和脅迫響應方面的研究取得突破性進展.然而，目前該家族成員的研究主要集中在擬南芥等少數(shù)模式植物中，許多作物特別是棉花中MYB蛋白的功能和調(diào)控機制尚不清晰.究其原因主要是以下幾點：首先，盡管棉花中已初步報道了部分MYB轉(zhuǎn)錄因子在纖維發(fā)育和脅迫響應方面的功能，然而這些大多是依賴異源轉(zhuǎn)化或者瞬時表達的實驗結(jié)果，如何利用這些MYB轉(zhuǎn)錄因子提高棉花抗逆性或者培育優(yōu)質(zhì)的棉花品種尚有待深入研究.其次，MYB轉(zhuǎn)錄因子的研究主要集中在陸地棉，棉屬其他種的研究相對較少，且研究內(nèi)容多集中于生物信息學數(shù)據(jù)的推測.因此，進一步闡明棉花MYB家族的生物學功能以及其參與的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機制是非常必要的.

現(xiàn)代分子生物學手段在植物學領域的廣泛應用以及組學技術的快速發(fā)展，極大推動了棉花MYB家族功能及調(diào)節(jié)機制的研究.今后我們可以從以下幾方面深入探究棉花MYB蛋白家族生物學功能；第一，借助基因編輯及棉花轉(zhuǎn)基因技術，獲得MYB的過表達及突變體材料，在穩(wěn)定表達的棉花株系中探究MYB家族的生物學功能及調(diào)控機制.第二，通過蛋白互作技術，篩選并鑒定棉花體內(nèi)MYB家族的相互作用蛋白，進而完善棉花MYB蛋白的轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡.第三，不同種類的MYB轉(zhuǎn)錄因子在棉花脅迫響應以及纖維發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用，這兩種性狀直接關乎棉花的經(jīng)濟效益.后續(xù)需要通過對MYB轉(zhuǎn)基因棉花性狀分析，篩選抗逆性強且纖維發(fā)育正常的MYB蛋白成員用于棉花分子育種，繼而為培育抗逆、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的棉花品種提供理論依據(jù)和種質(zhì)資源.