錢金鑫　齊學(xué)軍　解莉楠等

摘要 在植物體中轉(zhuǎn)錄因子通過與順式作用元件相結(jié)合對功能基因進行轉(zhuǎn)錄調(diào)控，完成復(fù)雜的生命活動。文中綜述了WRKY轉(zhuǎn)錄因子的特點及分類，以及擬南芥對環(huán)境脅迫進行應(yīng)答過程中WRKY轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮功能的機制，為WRKY家族基因功能的進一步開發(fā)利用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 擬南芥；WRKY；轉(zhuǎn)錄因子；脅迫；應(yīng)答

中圖分類號 S188 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）05-01295-03

Abstract Transcription factors regulate transcriptional level of functional genes by binding to cisacting element.This process makes plant complete life activities.The types and characters of WRKY transcription factors and functional mechanism of process in which WRKY participate in responding to environmental stress were reviewed，so as to provide a basis for further development and utilization of WRKY family gene function.

Key words Arabidopsis thaliana； WRKY； Transcription factors； Stress； Response

在自然界中，由于植物不能移動，所以會頻繁的遭受各種生物及非生物環(huán)境因素的影響，如：病原菌、水分缺失、鹽分過多和極限溫度等。在植物的生命周期過程中，通常有多種脅迫因素作用于植物，限制植物的生長、發(fā)育，甚至決定植物的物種分布。

在脅迫條件下，植物對環(huán)境壓力所作出響應(yīng)同時完成各種生命活動。植物在多個層面進化形成復(fù)雜的機制，以增加其對不利環(huán)境條件的耐受性。在細胞水平上，氣孔的關(guān)閉可以抑制植物的呼吸作用，幫助植物在缺水的條件下存活；在分子水平上，脅迫應(yīng)答和耐受基因的誘導(dǎo)表達也有助于植物適應(yīng)不利的環(huán)境條件。植物判斷環(huán)境脅迫因子后進行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié)增加其脅迫耐受性。脅迫耐受相關(guān)基因的響應(yīng)主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，其表達和修飾是植物對脅迫應(yīng)答的重要部分。研究表明，植物基因組中有部分基因參與對環(huán)境變化的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)或脅迫耐受相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，轉(zhuǎn)錄因子是參與此類調(diào)控的重要基因之一。轉(zhuǎn)錄因子是一類能直接結(jié)合或間接作用于基因啟動子區(qū)域的蛋白，對基因的轉(zhuǎn)錄具有激活或抑制作用[1]。轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合在各類順式作用元件上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率，從而使植物對環(huán)境變化做出相應(yīng)的反應(yīng)。WRKY轉(zhuǎn)錄因子是植物中一類重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，1994年由2位日本科學(xué)家從甜薯中首次克隆出來[2]。隨后研究人員從其他模式植物中克隆出大量WRKY轉(zhuǎn)錄因子。筆者對WRKY轉(zhuǎn)錄因子的特點及分類，以及擬南芥對環(huán)境脅迫進行應(yīng)答過程中WRKY轉(zhuǎn)錄因子發(fā)揮功能的機制進行綜述，現(xiàn)報道如下。

1 WRKY轉(zhuǎn)錄因子的特點及分類

WRKY家族蛋白具有由60個氨基酸組成的保守域。其中N末端含有7個絕對保守的標志性氨基酸殘基WRKYGQK，在C端含有一個特殊的鋅指結(jié)構(gòu)。大部分的WRKY轉(zhuǎn)錄因子對同源的順式作用元件優(yōu)先結(jié)合，對結(jié)合位點的選擇部分決定于鄰近TTGACY核心序列的DNA序列。根據(jù)WRKY結(jié)構(gòu)域和鋅指結(jié)構(gòu)特點，WRKY家族蛋白可以被分成3類，家族I有2個WRKY域；家族II包含1個WRKY域，并包含相同的Cys2-His2鋅指結(jié)構(gòu)序列；家族III具有1個WRKY域，并包含著2種不同的鋅指結(jié)構(gòu)序列，即Cys2-His/Cys和Cys2-His2[3]。根據(jù)WRKY域外附加的保守結(jié)構(gòu)序列，WRKY家族蛋白II可以被進一步分成亞族a-e。由于II族基因是異源的，所以根據(jù)進化樹分析把WRKY轉(zhuǎn)錄因子分成I族、IIa+IIb族、IId+IIe族和III族。除高度保守的WRKY域和Cys2-His2或Cys2-His/Cys鋅指序列外，WRKY蛋白還包含核定位序列NLS、亮氨酸鏈LZs、富含絲氨酸和蘇氨酸的區(qū)域、谷氨酰胺域、富含脯氨酸區(qū)域和激酶區(qū)域等結(jié)構(gòu)。亞細胞定位顯示，WRKY蛋白質(zhì)位于細胞核，通過與其他轉(zhuǎn)錄因子相互作用形成多聚體而調(diào)控靶基因的表達，在基因表達模式調(diào)控方面起著重要作用[4]。

2 擬南芥WRKY蛋白家族

WRKY家族蛋白是高等植物中重要的轉(zhuǎn)錄因子家族，大部分成員含有保守的WRKYGQK序列，并且存在于整個綠色植物的進化過程中。在擬南芥中WRKY基因確定為74個，大米中有大于100個WRKY基因，在大豆中有197個，木瓜中有66個，白楊中有104個，高粱中有68個，小立碗蘚38個，江南卷柏35個，松屬80個，大麥中大于45個[5-10]。隨著模式植物擬南芥全基因組序列測定完成，利用WRKY蛋白質(zhì)高度保守的氨基酸序列WRKYGQK搜索擬南芥基因組編碼序列，結(jié)果顯示擬南芥具有74個WRKY基因。根據(jù)氨基酸序列比較分析，可以將擬南芥WRKY蛋白質(zhì)家族劃分為3類。第1類具有2個典型的WRKY結(jié)構(gòu)域和Cys2His2鋅指型結(jié)構(gòu)；第2類具有典型的WRKY結(jié)構(gòu)域和Cys2His2鋅指型結(jié)構(gòu)；第3類具有典型的WRKY結(jié)構(gòu)域和Cys2His/Cys鋅指型結(jié)構(gòu)。通過矩陣分析方法所構(gòu)建的擬南芥WRKY蛋白質(zhì)家族系統(tǒng)發(fā)生樹表明，擬南芥第1類和第3類的WRKY蛋白質(zhì)分別獨立聚集成1簇，即I簇和III簇；第2類的WRKY蛋白質(zhì)被劃分為2a～2e等5簇，或者IIa～IIg等7族，或者2a和2b、2c和2d、2e等3族。在擬南芥WRKY蛋白家族中，除了大部分的WRKY蛋白質(zhì)具有典型的WRKYGQK序列外，有3個蛋白質(zhì)的WRKY結(jié)構(gòu)域（AtWRKY50、AtWRKY51和AtWRKY59）氨基酸序列不同于典型的結(jié)構(gòu)域序列，即WRKYGKK[11-12]。

3 擬南芥WRKY在生物脅迫應(yīng)答方面的功能研究

研究表明，WRKY超家族參與植物的多種生理學(xué)過程，包括代謝調(diào)控、形態(tài)建成、種子萌發(fā)、發(fā)育和衰老調(diào)控等[13]。多種生物和非生物脅迫因子在不同程度上誘導(dǎo)擬南芥WRKY基因的表達，說明WRKY蛋白在擬南芥防衛(wèi)反應(yīng)中起著重要的作用。此外，部分WRKY基因表達水平的改變影響擬南芥植株整個生命周期活動。具有不同生物學(xué)功能的家族蛋白基因表達也具有多種模式。WRKY基因具有誘導(dǎo)型表達模式，當植物體受到不同環(huán)境條件的誘導(dǎo)后會大量的表達，而且具有快速、瞬時和組織特異性的特點。在各種環(huán)境壓力中，生物脅迫主要包括植食性昆蟲的取食和病原菌的侵染等。病原菌的入侵或植食性昆蟲的取食會迅速激活水楊酸（salicylic acid，SA）、茉莉酸（jasmonic acid，IA）和乙烯（ethylene，ET）等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，導(dǎo)致植物基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，并引起蛋白的修飾發(fā)生改變。擬南芥的AtWRKY38、AtWRKY62、AtWRKY11和AtWRKY17都是對病原體抗性的負調(diào)控因子，插入突變沉默這些基因后使擬南芥對病原菌的抗性增強。過表達AtWRKY38和AtWRKY62后，病原菌對擬南芥的損害增強[14-16]。WRKY轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子參與了促細胞分裂素激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這個過程是受保護反應(yīng)誘導(dǎo)發(fā)生的。比如，擬南芥的AtWRKY22和AtWRKY29蛋白質(zhì)是MAPK介導(dǎo)植物抵抗病原菌侵染信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要組分，瞬間表達AtWRKY29基因的轉(zhuǎn)基因植株葉片對病原菌侵染具有很強的抗性[17]。植物抗病信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中幾丁質(zhì)（chitin）是重要介質(zhì)，正向調(diào)控擬南芥的2個MAPK基因（AtMPK3和AtMPK6）和活性酶基因的表達水平；還有4個WRKY家族基因（AtWRKY22、AtWRKY29、AtWRKY33和AtWRKY53）的表達水平也受幾丁質(zhì)的正調(diào)節(jié)[18]。

4 擬南芥WRKY在非生物脅迫應(yīng)答方面的功能研究

WRKY轉(zhuǎn)錄因子除了在生物脅迫應(yīng)答方面，在非生物脅迫應(yīng)答方面也具有重要的功能。非生物脅迫包括凍害、干旱和鹽害等。在極端環(huán)境下，植物針對非生物逆境的脅迫進化出非常復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，使植物的生理生化過程發(fā)生改變來得到存活機會。在此調(diào)控網(wǎng)絡(luò)之中WRKY基因家族發(fā)揮重要作用。利用基因芯片技術(shù)和Northern印跡技術(shù)對模式生物水稻、擬南芥的研究發(fā)現(xiàn)，水稻和擬南芥的WRKY基因受到極限溫度和干旱等非生物脅迫因子的誘導(dǎo)表達，從而說明WRKY轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控植物逆境脅迫應(yīng)答過程中發(fā)揮功能。在水稻中，Northern 雜交分析表明10/13的OsWRKY基因?qū)aCl、聚乙二醇（PEG）和冷或熱處理產(chǎn)生應(yīng)答[19]。通過對處理的擬南芥根的微陣列分析表明，在擬南芥中有18個AtWRKY基因被濃度150 mmol/L的NaCl誘導(dǎo)[20]。在缺磷的誘導(dǎo)處理中，AtWRKY6和AtWRKY75的轉(zhuǎn)錄水平都是增強的[21-22]。擬南芥中的7個基因（AtWRKY40、AtWRKY33、AtWRKY53、AtWRKY22、AtWRKY11、AtWRKY15和AtWRKY60）受到傷害誘導(dǎo)的表達[23-25]。2個緊密相關(guān)的擬南芥WRKY轉(zhuǎn)錄因子AtWRKY25和AtWRKY33同時應(yīng)答熱和鹽脅迫。AtWRKY33的無效突變體和AtWRKY25/AtWRKY33雙重突變體對NaCl的敏感性增強，過表達AtWRKY25或AtWRKY33都會導(dǎo)致對NaCl的耐受性增強[26-28]。這些結(jié)果表明，各種WRKY蛋白在不同的非生物脅迫面前表現(xiàn)出功能多樣性。植物遭受到各種非生物因素影響時，WRKY基因可以在不同的非生物脅迫下可以參與到調(diào)控信號處理和轉(zhuǎn)錄的重新編程。

脫落酸（abscisic acid，ABA）是一種應(yīng)激激素，在植物對非生物脅迫應(yīng)答方面起到重要的作用。WRKY蛋白在ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面起到催化劑或者抑制劑的作用。AtWRKY2可以被NaCl和甘露醇誘導(dǎo)[29]。通過T-DNA插入突變體試驗表明，AtWRKY2負調(diào)控由ABA參與的種子發(fā)芽抑制和發(fā)芽后生長過程。對AtWRKY63的T-DNA插入突變體分析表明，AtWRKY63在應(yīng)答ABA和干旱脅迫方面具有十分重要的作用[30]。AtWRKY18、AtWRKY40和AtWRKY60參與ABA信號傳導(dǎo)，在種子萌發(fā)期和發(fā)芽后生長期的功能也是作為負調(diào)控因子。遺傳學(xué)試驗分析表明，AtWRKY40作為主要的負調(diào)控因子通過結(jié)合啟動子上游的W-BOX序列負調(diào)控與ABA相關(guān)的響應(yīng)基因，如：AtABF4、AtABI4、AtABI5、AtDREB1A、AtMYB2和AtRAB18。高濃度ABA促使AtWRKY40的核質(zhì)轉(zhuǎn)移，進一步加速ABAR-WRKY40的互作。隨后ABA下游響應(yīng)基因進行轉(zhuǎn)錄翻譯并參與應(yīng)答過程[31]。研究通過使用正反遺傳學(xué)試驗分析表明，ATWRKY18和ATWRKY60在種子萌發(fā)抑制和根的生長過程中具有正調(diào)控作用，這些過程和植株對ABA敏感性相關(guān)。它們也會增強植物對鹽和滲透壓脅迫的應(yīng)答。植物在發(fā)芽和生長過程中對ABA和非生物脅迫進行響應(yīng)時，AtWRKY40與AtWRKYA18和AtWRKY60起拮抗作用。在種子發(fā)芽及發(fā)育階段，AtWRKY40負調(diào)控ABA響應(yīng)，AtWRKY18和AtWRKY60正調(diào)控ABA響應(yīng)，且AtWRKY18和AtWRKY40能夠被快速的誘導(dǎo)，而AtWRKY60較慢。同時研究人員還發(fā)現(xiàn)AtWRKY40和AtWRKY18能夠識別AtWRKY60啟動子從而調(diào)節(jié)AtWRKY60表達[32]。這些結(jié)果表明，WRKY蛋白在ABA信號傳導(dǎo)方面起到關(guān)鍵的作用。

溫度超過有機體的忍受范圍是重要的脅迫因素。研究表明，WRKY蛋白參與對熱和冷脅迫應(yīng)答。在AtMBF1c過表達的植株中，AtWRKY18、AtWRKY33、AtWRKY40和AtWRKY46的表達量提高，這些植株與野生型植株相比具有較強的耐熱性[33]。hsf1a/hsf1b雙突變體的微陣列分析顯示，AtWRKY中有9個基因被熱脅迫誘導(dǎo)。在這9個基因中，AtWRKY7是依賴 hsfA1a/1b的熱脅迫基因[34]。最近的研究表明，AtWRKY25、AtWRKY26和AtWRKY33 3個家族I的WRKY蛋白參與到對熱脅迫的調(diào)節(jié)作用。在較高溫度下處理擬南芥植株后，AtWRKY25和AtWRKY26受正調(diào)控表達，AtWRKY33受負調(diào)控表達。這3個基因的突變體植株對熱脅迫更敏感，表現(xiàn)出發(fā)芽減少及存活率降低的現(xiàn)象。受熱脅迫誘導(dǎo)的AtWRKY39同時調(diào)節(jié)水楊酸和茉莉酸信號通路，從而共同調(diào)節(jié)對熱脅迫的應(yīng)答[35]。與AtWRKY25、AtWRKY26、AtWRKY33和AtWRKY39相比，AtWRKY34是花粉獨有的的冷脅迫應(yīng)答蛋白。啟動子GUS分析表明，AtWRKY34在花粉中特異性表達，并且在低溫處理下表達量增強。與野生型相比，AtWRKY34轉(zhuǎn)基因植株的花粉在低溫脅迫下有較強的抵抗力[36]。

各種營養(yǎng)元素對于植物正常的生長發(fā)育是必需的，所以缺少任何一種必須的營養(yǎng)元素都會對植物的外觀形態(tài)或者植物本身對外界環(huán)境的適應(yīng)性產(chǎn)生明顯的影響。研究表明，WRKY轉(zhuǎn)錄因子可以參與對營養(yǎng)元素缺失的應(yīng)答。AtWRKY75基因在WRKY家族中首先被研究參與調(diào)節(jié)磷酸鹽饑餓過程。AtWRKY75在植物處于磷缺失時被強烈的誘導(dǎo)表達，對AtWRKY75基因表達的抑制會使植株對磷酸鹽缺失表現(xiàn)敏感[37]。AtWRKY6也參與植物對磷饑餓脅迫應(yīng)答中，是通過負調(diào)控擬南芥磷酸鹽轉(zhuǎn)運相關(guān)的PHOSPHATE1基因?qū)崿F(xiàn)。與野生型植株相比，過量表達的AtWRKY6轉(zhuǎn)基因植株表現(xiàn)出與AtPHO1突變體植株非常相似的表型，兩者對磷脅迫變得更加敏感同時嫩枝中磷的積累是非常低。通過染色質(zhì)的免疫共沉淀分析表明，AtWRKY6通過直接結(jié)合AtPHO1啟動子上游的2個W-box進行負調(diào)控，說明AtWRKY6通過調(diào)節(jié)PHO1基因的表達來應(yīng)對磷酸鹽饑餓的脅迫[14]。AtWRKY6還參與到對硼元素缺失的應(yīng)答。但是與磷脅迫相反，AtWRKY6作為正調(diào)控因子參與低硼的脅迫應(yīng)答[15]。AtWRKY42與AtWRKY6形成二聚體并直接結(jié)合AtPHO1啟動子的Wbox來抑制其表達，從而參與對磷酸鹽饑餓脅迫的應(yīng)答。AtWRKY45和AtWRKY65參與碳元素饑餓的應(yīng)答[16]。WRKY蛋白除參與上述非生物脅迫應(yīng)答外，同樣也參與其他的非生物脅迫應(yīng)答，比如：傷害和UV輻射等。在擬南芥中有3個WRKY基因會被UV-B光處理強烈的誘導(dǎo)。研究者還發(fā)現(xiàn)過量表達AtWRKY22的擬南芥植株，在夜晚中會加速葉片的衰老[37]。

5 小結(jié)與展望

WRKY轉(zhuǎn)錄因子作為植物響應(yīng)環(huán)境壓力的重要蛋白，已經(jīng)逐漸引起研究人員的關(guān)注。自從WRKY轉(zhuǎn)錄因子于1994年由Ishiguro和Nakamura從甜薯中首次克隆出來，研究者一直認為其是植物中所特有的一類轉(zhuǎn)錄因子。但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)在原生生物藍氏賈第鞭毛蟲和真菌的基因組中也發(fā)現(xiàn)了WRKY基因[4]，所以WRKY蛋白并非植物所特有的。近年來通過遺傳和非遺傳學(xué)的方法使研究人員在基因轉(zhuǎn)錄翻譯調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面獲得重要的進展，表明WRKY基因不但參與了植物生長發(fā)育和新陳代謝過程，更重要的是還參與植物應(yīng)對外界生物及非生物脅迫反應(yīng)。雖然對WRKY轉(zhuǎn)錄因子功能的研究已經(jīng)取得很大的進展，但是大部分的進展都是在生物脅迫方面的，只有少量的功能研究是涉及到非生物脅迫方面的。因此，考慮到WRKY基因家族的規(guī)模，對于WRKY基因在非生物脅迫方面功能的確定仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

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