WRKY家族基因功能的研究進(jìn)展

鹿宏麗付嘉智武鵬雨龍國(guó)輝張銳

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.南疆特色果樹(shù)高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300)

前言

植物的生長(zhǎng)離不開(kāi)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)基因的調(diào)控，WRKY轉(zhuǎn)錄因子存在于高等植物各個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，因整個(gè)WRKY基因家族都具有保守的由WRKYGQK氨基酸殘基形成的序列而得名。WRKY基因?qū)χ参锷L(zhǎng)發(fā)育、休眠、調(diào)控木質(zhì)素生物合成以及抗逆等過(guò)程起到重要調(diào)控作用[1]。

隨著分子技術(shù)水平的不斷提升，越來(lái)越多該基因家族成員被鑒定并進(jìn)行了克隆和表達(dá)。第1個(gè)被克隆的WRKY家族的成員是甘薯中的SPF1[2]。多數(shù)植物鑒定得到的WRKY基因家族成員的數(shù)量一般在50～90左右，但如蘋(píng)果、楊樹(shù)WRKY基因家族成員相對(duì)較多，超過(guò)100個(gè)[3-12]。WRKY轉(zhuǎn)錄因子具有特殊的DNA結(jié)合域，含有1個(gè)或2個(gè)由60個(gè)氨基酸組成的WRKY保守序列，該序列N端含有由色氨酸、精氨酸等7個(gè)氨基酸殘基組成的WRKY七肽，C端是具有C2H2型或C2HC型鋅指結(jié)構(gòu)[13]。雖然絕大多數(shù)植物中WRKY基因家族成員該序列是絕對(duì)保守的，但近年來(lái)發(fā)現(xiàn)有些植物WRKY基因家族部分成員的WRKY保守序列中出現(xiàn)了N端保守序列氨基酸殘基的缺失、替換或C端鋅質(zhì)結(jié)構(gòu)的缺失[4]。除此之外，WRKY轉(zhuǎn)錄因子作為轉(zhuǎn)錄因子還含有核信號(hào)定位區(qū)(NLS)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)、亮氨酸拉鏈以及各種氨基酸富集區(qū)等結(jié)構(gòu)域[14]。以WRKY保守序列作為依據(jù)，可將植物WRKY基因家族分為3種類(lèi)型。N端有2個(gè)WRKY七肽保守序列和C端為C2H2型的鋅質(zhì)結(jié)構(gòu)的為第1類(lèi)；N端只有1個(gè)WRKY七肽保守序列，同樣C端為C2H2型的鋅質(zhì)結(jié)構(gòu)的為第2類(lèi)，其中根據(jù)氨基酸數(shù)量的差異又細(xì)分為a、b、c、d、e 5個(gè)亞類(lèi)；第3類(lèi)N端含有1個(gè)WRKY七肽保守序列，而C端鋅質(zhì)結(jié)構(gòu)為C2HC型。植物WRKY基因家族成員相對(duì)來(lái)說(shuō)第2類(lèi)居多，而Ⅱ-c的成員數(shù)明顯多于其它亞組，合理的分組歸類(lèi)也有利于分析植物WRKY轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控功能[7,8,15]。本文綜述了WRKY基因家族的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)，分析了該基因家族成員在各類(lèi)植物中所起到的調(diào)控作用。為日后明晰WRKY基因家族功能提供借鑒。

1 對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控

WRKY轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)的多樣性為調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育以及抗逆響應(yīng)提供了基礎(chǔ)[14]，WRKY轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)其保守結(jié)構(gòu)域與靶基因啟動(dòng)子上的W-box特異性結(jié)合，來(lái)實(shí)現(xiàn)基因?qū)χ参锷L(zhǎng)發(fā)育和抗逆的調(diào)控功能[16]。

WRKY轉(zhuǎn)錄因子存在于植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)過(guò)程，細(xì)胞器構(gòu)成、矮化、開(kāi)花、結(jié)果、休眠、衰老。

1.1 對(duì)細(xì)胞器構(gòu)成的影響

WRKY基因家族成員參與調(diào)控植物的細(xì)胞器構(gòu)成。張高原等人對(duì)甜瓜進(jìn)行基因本體分析發(fā)現(xiàn)，甜瓜中所含的59個(gè)WRKY基因中，就有58個(gè)該基因家族成員參與甜瓜細(xì)胞及細(xì)胞器構(gòu)成，其中有3個(gè)參與細(xì)胞膜構(gòu)成[11]。木質(zhì)素是構(gòu)成核果類(lèi)內(nèi)果皮、植物果肉和石細(xì)胞等的重要組成成分[17]，能夠增強(qiáng)細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)果肉形成物理屏障，避免果肉磕碰，隔絕病菌入侵，同時(shí)參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)植物的分生、光合以及根系發(fā)育，提高果實(shí)品質(zhì)和產(chǎn)量[18]。植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞壁、毛狀根、核果類(lèi)內(nèi)果皮以及梨石細(xì)胞的生成都與木質(zhì)素積累密切相關(guān)。有實(shí)驗(yàn)證明，WRKY基因家族成員在木質(zhì)素合成中起調(diào)控作用。Wang等人以分離莖組織生物量密度增加的紫花苜蓿和擬南芥為材料，研究WRKY基因調(diào)控木質(zhì)素合成的機(jī)理。分析發(fā)現(xiàn)，其突變是由莖表達(dá)的WRKY轉(zhuǎn)錄因子(TF)基因斷裂引起的，上調(diào)了編碼NAM、ATAF1/2、CUC2(NAC)和CCCH型鋅指TFs的下游基因，從而激活了次生壁合成[19]。通過(guò)在擬南芥、楊樹(shù)等植物中對(duì)WRKY轉(zhuǎn)錄因子的功能研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)對(duì)WRKY基因進(jìn)行過(guò)表達(dá)時(shí)，會(huì)造成木質(zhì)素合成途徑中的關(guān)鍵酶CAD、F5H4表達(dá)上調(diào)；PAL、4CL、C3H、HCT表達(dá)下調(diào)。同樣，通過(guò)對(duì)克隆獲得的楊樹(shù)PtrWRKY36、PtrWRKY25進(jìn)行轉(zhuǎn)基因，所獲得的過(guò)表達(dá)植株出現(xiàn)生根緩慢、葉片狹小等現(xiàn)象，證明了WRKY基因負(fù)向調(diào)控木質(zhì)素的生物合成[20,21]。但在菘藍(lán)IiWRKY34和葡萄VqWRKY52通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，過(guò)表達(dá)株系中木質(zhì)素合成途徑相關(guān)基因加強(qiáng)了，這2個(gè)基因的表達(dá)與木質(zhì)化程度呈正相關(guān)[22,23]。

1.2 對(duì)植株生長(zhǎng)的影響

植株矮化對(duì)于果樹(shù)是一種優(yōu)勢(shì)性狀，既能減少不必要的養(yǎng)分消耗也更方便采收。在對(duì)擬南芥、水稻進(jìn)行研究時(shí)，認(rèn)為矮化是因赤霉素、細(xì)胞分裂素等生長(zhǎng)素運(yùn)輸受阻引起的，在蘋(píng)果中發(fā)現(xiàn)MdWRKY9基因通過(guò)抑制油菜素甾體(BR)限速合成酶的轉(zhuǎn)錄和減少BR的產(chǎn)生調(diào)控植株矮化。同時(shí)將克隆得到的水稻OsWRKY11和蘋(píng)果MdWRKY9，進(jìn)行超表達(dá)后，發(fā)現(xiàn)所獲得的轉(zhuǎn)基因植株高度明顯降低[24-26]。

1.3 對(duì)植物開(kāi)花結(jié)實(shí)的影響

WRKY轉(zhuǎn)錄因子可與相關(guān)蛋白家族如擬南芥DELLA蛋白家族互作，或直接與開(kāi)花基因啟動(dòng)子W-box結(jié)合，誘導(dǎo)開(kāi)花基因表達(dá)。從而上調(diào)FT、SOC1、CO、API、LFY、FUL等開(kāi)花基因促進(jìn)開(kāi)花。擬南芥WRKY家族中WRKY12、WRKY13、WRKY25、WRKY71、WRKY75，茉莉基因家族成員WRKY25和WRKY20等WRKY基因家族成員均參與開(kāi)花調(diào)控。有研究表明，WRKY主要存在于開(kāi)花植物中[16,27]。在果實(shí)發(fā)育過(guò)程中WRKY基因隨著果實(shí)的成熟表達(dá)量顯著升高。西瓜WRKY基因家族中超過(guò)56個(gè)成員在果實(shí)中均有表達(dá)，而通過(guò)對(duì)克隆獲得的草莓FvWRKY71不同發(fā)育階段表達(dá)模式的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該基因主要在果實(shí)中表達(dá)[28,29]。

1.4 對(duì)植物休眠衰老的影響

通過(guò)對(duì)桃PpWRKY11以及荔枝LcWRKYs進(jìn)行克隆分析，發(fā)現(xiàn)在休眠時(shí)期均表現(xiàn)為高表達(dá)量，而一旦解除休眠表達(dá)量迅速降低。表明WRKY轉(zhuǎn)錄因子與植物休眠相關(guān)[30,31]。WRKY基因家族成員能夠激活成熟衰老相關(guān)基因SAG1的啟動(dòng)子活性，來(lái)參與果實(shí)成熟衰老過(guò)程。在香蕉、番茄的成熟果實(shí)中，WRKY基因的表達(dá)量明顯上調(diào)，表明這些轉(zhuǎn)錄因子正調(diào)控果實(shí)的衰老進(jìn)程[23,24]。而在擬南芥中AtWRKY45能和DELLA蛋白R(shí)GL1互作，正向調(diào)控葉片衰老[32-34]。

2 對(duì)逆境脅迫的調(diào)控

當(dāng)前研究表明，大部分WRKY轉(zhuǎn)錄因子在逆境脅迫中發(fā)揮重要作用。當(dāng)植物面對(duì)干旱、低溫、冷害、鹽害和外源激素以及病蟲(chóng)害威脅時(shí)，WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物應(yīng)激過(guò)程中具有一定的調(diào)控功能[13]。

2.1 應(yīng)對(duì)非生物脅迫的作用

在對(duì)蘋(píng)果、葡萄等植物WRKY基因家族成員進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些基因同時(shí)對(duì)多種逆境進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)對(duì)WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物遭遇脅迫時(shí)的表達(dá)量的變換，可以驗(yàn)證WRKY基因在植物逆境中的調(diào)控能力。通過(guò)脫落酸、水楊酸等激素溶液、NaCl溶液以及低溫對(duì)基因進(jìn)行處理來(lái)觀察蘋(píng)果MaWRKY26和葡萄VaWRKY1基因的表達(dá)量，同時(shí)能夠?qū)@些處理產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)。隨著生物技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)在可以通過(guò)分子手段對(duì)基因進(jìn)行鑒定，從而預(yù)測(cè)基因功能。WRKY基因組啟動(dòng)子中存在多種順式作用元件，如蘋(píng)果MdWRKY53基因啟動(dòng)子上存在ABA、低溫、干旱等脅迫的順式作用元件，因此認(rèn)為該基因能夠?qū)BA、低溫和干旱進(jìn)行響應(yīng)[35]。

2.2 應(yīng)對(duì)生物脅迫的作用

WRKY轉(zhuǎn)錄因子處于植物病原菌互作通路下游的重要位置，通過(guò)調(diào)控某些抗性基因的表達(dá)，來(lái)參與植物的抗病反應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)參與激素信號(hào)通路，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)JA、SA等，對(duì)植物抗病具有一定的調(diào)控作用。在受到病原菌侵染后，對(duì)葡萄VvWRKY1、芍藥PlWRKY13和PlWRKY65進(jìn)行過(guò)表達(dá)或沉默處理，發(fā)現(xiàn)WRKY基因能夠激活JA、SA與ABA途徑相關(guān)基因啟動(dòng)子，且參與了這3種激素介導(dǎo)的抗病信號(hào)途徑，進(jìn)而增強(qiáng)植株抗性[36,37]。昆蟲(chóng)取食或病原菌侵染后，植物細(xì)胞內(nèi)的黃酮、萜類(lèi)等次生代謝產(chǎn)物被誘導(dǎo)大量合成。在研究桃樹(shù)PpWRKY基因時(shí)發(fā)現(xiàn)，WRKY轉(zhuǎn)錄因子正向調(diào)控萜類(lèi)和黃酮類(lèi)物質(zhì)的合成，參與植物抗蟲(chóng)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)在對(duì)草莓、蘋(píng)果的研究中發(fā)現(xiàn)，在感染病菌后草莓FAWRKY1和蘋(píng)果MdWRKY40基因均出現(xiàn)表達(dá)上調(diào)[38]。WRKY基因也通過(guò)與其它轉(zhuǎn)錄因子相互作用抑制病菌感染。研究證明，紅皮梨果實(shí)通過(guò)PyWRKY26和PybHLH3的相互作用共同靶向激活PyMYB114啟動(dòng)子，從而導(dǎo)致花青素在紅皮梨中積累，進(jìn)而抑制黑曲霉侵染[39]。

3 總結(jié)與展望

WRKY基因家族廣泛存在于植物整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，對(duì)木質(zhì)素合成調(diào)控以及抗逆過(guò)程起到至關(guān)重要的作用。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)對(duì)各類(lèi)植物的WRKY基因家族成員的功能驗(yàn)證，WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物中的研究取得了一定進(jìn)展，為探索WRKY調(diào)控機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。但由于WRKY轉(zhuǎn)錄因子參與的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控途徑十分復(fù)雜，且WRKY基因種類(lèi)繁多,廣泛存在于各類(lèi)植物之中，在調(diào)節(jié)重要的生物學(xué)功能的分子機(jī)制和功能方面還需進(jìn)一步研究。未來(lái)，將會(huì)有更多的WRKY基因家族成員功能被發(fā)掘，同時(shí)實(shí)現(xiàn)WRKY基因家族在各個(gè)植物生理過(guò)程的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及功能特性的驗(yàn)證。