王金英 丁 峰 潘介春 張樹偉 楊亞涵 黃 幸 范志毅李 琳王 穎

(1廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院 廣西南寧530004；2廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所 廣西南寧530007)

bZIP轉(zhuǎn)錄因子基因家族極大［1］，在真核生物中廣泛分布、相對(duì)保守，在人、動(dòng)植物、微生物中均有發(fā)現(xiàn)［2-3］，有關(guān)bZIP的研究相對(duì)較多。目前，在部分植物中發(fā)現(xiàn)大量bZIP轉(zhuǎn)錄因子，如模式植物擬南芥，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，它們?cè)谥参锷L發(fā)育、應(yīng)對(duì)脅迫中起重要作用［4-5］。本文對(duì)植物bZIP轉(zhuǎn)錄因子的分類、結(jié)構(gòu)及其參與的植物發(fā)育過程、次生代謝調(diào)控以及逆境脅迫應(yīng)答等方面進(jìn)行綜述，希望能夠?yàn)榻窈蟾由钊氲匮芯亢屠胋ZIP家族提供理論基礎(chǔ)。

1 bZIP轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)特征

bZIP轉(zhuǎn)錄因子由一個(gè)堿性區(qū)域和一個(gè)亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)組成，其中堿性區(qū)域相對(duì)保守，約由20個(gè)氨基酸殘基組成，它能夠通過固定的核定位信號(hào)結(jié)構(gòu)N-（X）7-R/K與DNA順式原件特異性結(jié)合（圖1）。亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域不保守，同時(shí)含有大量疏水殘基，疏水殘基一般位于第3和第4位；亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域的N末端與酸性區(qū)域密切相連。

圖1 bZIP轉(zhuǎn)錄因子基本結(jié)構(gòu)域組成（A）以及GCN4 bZIP結(jié)構(gòu)域與DNA結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)圖（B）［6］

2 bZIP轉(zhuǎn)錄因子的功能多樣性

根據(jù)基因進(jìn)化對(duì)bZIP轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)行分類，在被子植物中將不同類型的bZIP亞家族分為2大分支 （圖2） 。Luiz等［7］認(rèn)為，在功能上可將bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族主要?jiǎng)澐譃?個(gè)原始bZIP亞族，不同亞族分別行使不同的功能，包括參與逆境脅迫、種子發(fā)育、病菌防御、光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、調(diào)控維管發(fā)育等作用。近年來，研究發(fā)現(xiàn)bZIP還參與多種生物學(xué)進(jìn)程，如器官和組織分化［8］、非折疊蛋白響應(yīng)［9］、激素和糖信號(hào)傳導(dǎo)過程［10］以及非生物脅迫響應(yīng)［11］。其中，A亞族主要參與ABA和逆境脅迫的調(diào)控表達(dá)，C亞族主要參與種子發(fā)育和病菌防御，D亞族參與病害防御和生理生長，G亞族參與光信號(hào)調(diào)控，H亞族在光合作用過程中起關(guān)鍵作用。為了適應(yīng)新環(huán)境，10個(gè)或13個(gè)bZIP轉(zhuǎn)錄因子亞家族在4大原始亞族的基礎(chǔ)上形成［12］，而且隨著分子生物信息學(xué)研究的不斷深入，基于轉(zhuǎn)錄組水平對(duì)轉(zhuǎn)錄因子的鑒定技術(shù)也越來越成熟。bZIP家族基因已在水稻和擬南芥等中被鑒定并分類［13］。

圖2 被子植物中bZIP轉(zhuǎn)錄因子的進(jìn)化［7］

3 真核生物中bZIP轉(zhuǎn)錄因子的分布及數(shù)量

目前人類對(duì)擬南芥、水稻等物種的全基因組測(cè)序已經(jīng)完成，bZIP基因在真核生物中分布較多，但在不同真核生物中bZIP轉(zhuǎn)錄因子的分布也存在差異。勒正偉等［13］報(bào)道稱，在線蟲中含有31個(gè)bZIP基因，果蠅有27個(gè)基因，人類有56個(gè)基因，酵母中有17個(gè)基因；而在植物中，目前鑒定的高粱含有92個(gè)基因、蓖麻含有49個(gè)基因、擬南芥含有75個(gè)基因、玉米含有125個(gè)基因、大豆含有131個(gè)基因等。Agni等［14］研究發(fā)現(xiàn)，水稻基因組中bZIP基因模型的數(shù)量預(yù)測(cè)分別為：粳稻含有140個(gè)基因，秈稻94個(gè)基因。

4 bZIP轉(zhuǎn)錄因子參與的植物發(fā)育過程

在植物中，bZIP轉(zhuǎn)錄因子組成了最大的ABA誘導(dǎo)DNA結(jié)合蛋白家族，對(duì)植物生命周期的所有階段基本都有影響，它們已經(jīng)被證明可以調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育進(jìn)程，如種子發(fā)育、光信號(hào)傳遞、花發(fā)育、生物和非生物脅迫、ABA信號(hào)和激素反應(yīng)。

bZIP53蛋白是擬南芥種子成熟和脅迫反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。Prateek等［15］采用等溫循環(huán)二色性（CD）研究來量化bZIP53和5個(gè)A-ZIP53s之間異質(zhì)二聚體形成時(shí)的結(jié)構(gòu)變化，通過電泳遷移率轉(zhuǎn)移法（EMSA）和熒光偏振法（FP）的研究發(fā)現(xiàn)，A-ZIP53和bZIP53混合物形成了異質(zhì)二聚體，無法與DNA結(jié)合；時(shí)間位移動(dòng)力學(xué)研究表明，A-ZIP53s取代DNA-bound bZIP53的等級(jí)次序?yàn)锳-ZIP53＜A-ZIP53（A→E） ＜ A-ZIP53（N→A） ＜ A-ZIP53（R→E）＜ A-ZIP53（A→E， N→A）。

Hardtke等［16］發(fā)現(xiàn)，在光條件下HY5突變苗能夠促進(jìn)光形態(tài)發(fā)生，而在黑暗條件下生長的野生型幼苗，則會(huì)有胚軸伸長、子葉發(fā)育不良且多個(gè)光誘導(dǎo)基因表達(dá)減少的現(xiàn)象。HY5能夠與啟動(dòng)子中的G-box結(jié)合，直接調(diào)控部分基因的表達(dá)。在黑暗條件處理下的擬南芥中，HY5蛋白通過與COP1的WD40結(jié)構(gòu)域相作用而被靶向降解；一小部分HY5由于在CKII位點(diǎn)被磷酸化而免于降解，但其激活電位較低。當(dāng)幼苗接受光照時(shí)，COP1從細(xì)胞核中輸出，HY5蛋白積累；此外，CKII活性降低，新合成的、未磷酸化的HY5具有很高的活化潛力，這導(dǎo)致光誘導(dǎo)的HY5靶基因能夠快速活化。Jakoby等［6］研究表明，一些I組bZIPs可能調(diào)控植株發(fā)育。Fukazawa等［17］發(fā)現(xiàn)，煙草RSG基因在韌皮部特異表達(dá)，同時(shí)能夠激活赤霉素生物合成途徑中的GA3基因，但由于RSG顯陰性而使GA3啟動(dòng)子無法被活化，因此，赤霉素的合成量減少并且轉(zhuǎn)基因植株也相對(duì)矮小。Yin等［18］從水稻中分離出RF2a，與RSG顯陰性的煙草植株一樣，水稻RF2a的沉默株系也表現(xiàn)出矮化的現(xiàn)象，這也可能是在赤霉素生物合成過程中受到影響。Ringli等［19］研究發(fā)現(xiàn)，番茄VSF-1能夠激活編碼細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)蛋白的基因。Mitsutomo等［20］研究表明，bZIP轉(zhuǎn)錄因子FD的活性能夠促進(jìn)植物開花，F(xiàn)D與開花關(guān)鍵基因FT互作，進(jìn)一步調(diào)控下游花分生組織基因的表達(dá)。Rosario等［21］研究發(fā)現(xiàn)，在雙子葉植物中，TFs轉(zhuǎn)錄因子在種子成熟過程中起關(guān)鍵作用。Hartings等［22］研究發(fā)現(xiàn)，玉米（Zea mays） op2（O2）是第一個(gè)被克隆并證明是TF基因的基因。Onate等［23］研究發(fā)現(xiàn)，小麥和大麥的同源基因也發(fā)揮著與O2相同的作用。

5 bZIP轉(zhuǎn)錄因子參與植物次生代謝調(diào)控

王德軍［5］研究表明，在滲透脅迫處理下，轉(zhuǎn)MdbZIP48基因擬南芥株系的種子發(fā)芽率、子葉綠化率、根長均好于野生型，Agni等［14］研究發(fā)現(xiàn)，OsbZIP16在脫水和鹽脅迫處理下的水稻幼苗中轉(zhuǎn)錄本水平升高，在形態(tài)上過表達(dá)的植株表現(xiàn)出與WT相似的表型，然而含有OsbZIP16OX的種子在添加甘露醇/鹽/ABA培養(yǎng)基培養(yǎng)后，其萌發(fā)率高于含WT的種子。在種子發(fā)育過程中bZIP53比靶基因先表達(dá)，并與靶基因重疊。Rosario等［21］研究表明，bZIP53蛋白的數(shù)量與MAT基因表達(dá)之間存在相關(guān)性。bZIP53蛋白在體內(nèi)外能夠與啟動(dòng)子中的G-box元件特異性結(jié)合，同時(shí)與bZIP10或bZIP25相互作用，這就顯著增強(qiáng)其與DNA的結(jié)合活性，同時(shí)增加了靶基因的轉(zhuǎn)錄。bZIP53與擬南芥種子中重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子ABI3無相互作用，而bZIP異源二聚體與ABI3之間的三元復(fù)合物的形成增加了植物MAT基因的表達(dá)，因此證明了C組bZIPs（如bZIP10和bZIP25）先與S1組bZIPs相互作用，特別是C/S1網(wǎng)絡(luò)的成員參與了能量穩(wěn)態(tài)氨基酸代謝壓力反應(yīng)和sinkspecific基因表達(dá)。這些異質(zhì)二聚體能夠傳遞其與靶基因之間的協(xié)同激活特性，表明異質(zhì)二聚體是一種有效的信號(hào)集成機(jī)制。

6 bZIP轉(zhuǎn)錄因子參與生物與非生物脅迫應(yīng)答

作為bZIP轉(zhuǎn)錄因子中的一個(gè)較大亞族S族，在非生物脅迫響應(yīng)、病蟲害的防御以及糖類信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著重要的作用。Rook等［24］研究發(fā)現(xiàn)，光照處理下，ATBZP11/ATB2基因在高碳水化合物的組織和維管組織中的表達(dá)顯著增高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)將黑暗中的幼苗轉(zhuǎn)移到光照條件下時(shí)，可以誘導(dǎo)ATB2的表達(dá)。ATB2基因可以轉(zhuǎn)錄出一段前導(dǎo)序列，其中包含3個(gè)上游開放閱讀框，在有蔗糖存在的條件下可以轉(zhuǎn)錄，起到保持碳水化合物平衡的作用。在植物研究中，Strathmann等［25］發(fā)現(xiàn)，S亞族中的基因在各種非生物脅迫下可以激活轉(zhuǎn)錄調(diào)控，如調(diào)控花分生組織基因進(jìn)行特異性表達(dá)。Crawford等［26］發(fā)現(xiàn)，受到病蟲害的侵襲后，胡椒中的CAbZIP1轉(zhuǎn)錄因子在防御和非生物脅迫響應(yīng)中起著重要的調(diào)控作用。此外，Weltmeier等［27］研究發(fā)現(xiàn)，在高鹽脅迫、ABA誘導(dǎo)或滲透脅迫下擬南芥中的AtbZIP2轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄水平均下調(diào)，這表明S亞族中的轉(zhuǎn)錄因子不僅在蔗糖誘導(dǎo)下行使其相關(guān)功能，還很有可能調(diào)控其他信號(hào)傳導(dǎo)途徑。

Xue等［28］研究發(fā)現(xiàn)，在陸地植物的主要類群中存在一些高度保守的氨基酸殘基，表達(dá)圖譜分析表明bZIP基因可能與創(chuàng)傷反應(yīng)有關(guān)，并建立了一種表達(dá)模式，模式顯示在創(chuàng)傷后不同時(shí)間間隔內(nèi)位于89至715蛋白中分離的77個(gè)基因序列獨(dú)立表達(dá)。劉莉等［3］利用RT-qPCR技術(shù)在脅迫和激素處理?xiàng)l件下對(duì)OsbZIP16進(jìn)行表達(dá)分析，得到了微陣列圖譜，結(jié)果表明在非生物脅迫條件下OsbZIP16被強(qiáng)烈誘導(dǎo)。在植物激素檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，只有ABA對(duì)OsbZIP16的表達(dá)有誘導(dǎo)作用。Lu等［29］發(fā)現(xiàn)，OsbZIP家族中的成員OsbZIP12和OsbzIP72也受ABA誘導(dǎo)和調(diào)控。故OsbZIP16可能參與了非生物脅迫和ABA相關(guān)途徑，尤其是在干旱和鹽脅迫條件下。

GsbZIP67蛋白具有保守的bZIP結(jié)構(gòu)域，屬于S2 bZIP組，目前研究較少。Wu等［30］研究表明，GsbZIP67靶向于擬南芥原生質(zhì)體，同時(shí)可在酵母細(xì)胞中顯示出轉(zhuǎn)錄激活活性。實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析揭示了野生大豆GsbZIP67的鹽脅迫響應(yīng)表達(dá)和組織特異性表達(dá)。在堿性脅迫下，GsbZIP67過表達(dá)促進(jìn)了植株的生長；此外，GsbZIP67過表達(dá)也改變了轉(zhuǎn)基因苜蓿在碳酸氫鹽脅迫下的生理指標(biāo)，證明了GsbZIP67是植物耐受碳酸氫鹽堿性脅迫的積極調(diào)節(jié)因子，這將有助于進(jìn)一步研究GsbZIP67在脅迫反應(yīng)中獲得順式元件和下游基因的表達(dá)模式。Ji等［31］分析了CrebZIP基因的結(jié)構(gòu)和染色體定位，萊卡菌在鹽脅迫下細(xì)胞生長緩慢，光合作用減弱，脂質(zhì)積累增多；同時(shí)，在鹽脅迫下6個(gè)CrebZIP基因的表達(dá)譜發(fā)生了顯著變化，說明部分CrebZIP基因可能在調(diào)節(jié)光合作用和脂質(zhì)積累中發(fā)揮重要作用。

Preeti［32］等共鑒定了191個(gè)bZIP轉(zhuǎn)錄因子小麥，其中對(duì)TabZIP（Traes_7AL_25850F96F.1）進(jìn)行詳細(xì)分析，了解其在不同非生物脅迫條件下的反應(yīng)，基因表達(dá)結(jié)果顯示，TabZIP在不同的逆境脅迫下（高溫、干旱、鹽脅迫）表達(dá)存在差異，同時(shí)bZIP可能在其中各種應(yīng)力緩解機(jī)制中起作用。過表達(dá)的TabZIP能增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因擬南芥耐鹽堿、干旱、高溫、氧化脅迫的能力。因此TabZIP可以作為一個(gè)候選基因，可以改善作物對(duì)溫度和其他非生物脅迫的耐受能力，在脅迫條件下可以提高作物產(chǎn)量。

Yang等［33］研究表明，ABF類的亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子TabZIP60能夠介導(dǎo)小麥利用氮素，當(dāng)缺氮的小麥植株暴露于硝酸鹽中時(shí)TabZIP60的表達(dá)會(huì)受到抑制；通過RNAi去除TabZIP60能夠提高谷氨酸合酶活性、增加側(cè)根分枝數(shù)量和穗數(shù)、加速N吸收、提高糧食產(chǎn)量；而過表達(dá)的TabZIP60-6D則會(huì)起到相反作用。TabZIP60與啟動(dòng)子TANADH-GOGAT-3B能誘導(dǎo)負(fù)調(diào)控的表達(dá)，因此，TabZIP60介導(dǎo)的小麥生長和氮素利用與其對(duì)TaNADH-GOGAT表達(dá)的負(fù)調(diào)控有關(guān)。這些研究結(jié)果表明，TabZIP60和TaNADH-GOGAT之間的相互作用在調(diào)節(jié)N的使用和小麥的生長發(fā)育中起著重要作用，為氮素利用和提高產(chǎn)量提供了有價(jià)值的依據(jù)。

7 bZIP轉(zhuǎn)錄因子參與非生物信號(hào)傳導(dǎo)

目前，研究最多的bZIP轉(zhuǎn)錄因子為A亞族成員，它們可以在逆境脅迫條件下調(diào)節(jié)其下游基因的表達(dá)。Kang等［34］通過分子技術(shù)全面研究了ABF3/ABF4在干旱和鹽脅迫中的作用，研究結(jié)果表明，擬南芥中ABF3或ABF4可提高植株耐旱能力。在脅迫條件下，bZIP轉(zhuǎn)錄因子可以與ABA誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子區(qū)域的ABRE結(jié)合來調(diào)節(jié)下游靶基因的表達(dá)。干旱、高鹽或外源脫落酸能誘導(dǎo)內(nèi)源脫落酸的合成，ABRE中存在許多ABA誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)子序列，具有與bZIP蛋白相結(jié)合的序列，它們相互作用誘導(dǎo)下游多種耐鹽和耐旱的抗逆性基因表達(dá)。目前，從植物中已經(jīng)分離出多種能夠和ABRE相互作用的bZIP轉(zhuǎn)錄因子，如煙草TAF-1、水稻OsBZ8、TRAB 1、擬南芥ABF1-4、玉米ABP9、大麥HvAB15和HvVPI等。Choi等［35］用酵母 One-Hybrid的方法，克隆了擬南芥ABF/AREB bZIP類轉(zhuǎn)錄因子，其成員分 別 為 ABF1、 ABF2/AREB1、 ABF3、 ABF4/AREB2。Class等［36］篩選出的OSBZ8基因編碼的蛋白能與ABA部分基因中的G-box特異結(jié)合。Xiang等［37］研究發(fā)現(xiàn)，OsbZIP23轉(zhuǎn)基因水稻，在干旱脅迫下體內(nèi)ABA依賴型OsbZIP23超量表達(dá)，明顯提高植株的耐旱性。

Chang等［38］通過共表達(dá)分析鑒定了1種在不同發(fā)育時(shí)期對(duì)光有特殊表達(dá)模式的bZIP轉(zhuǎn)錄因子CaLMF，CaLMF是CPT生物合成的負(fù)調(diào)控因子，并且發(fā)現(xiàn)CaLMF對(duì)CPT生物合成基因（CaTDC1、CaG80、CaCYC1、Ca7DLS）的表達(dá)具有負(fù)調(diào)控作用，故CaLMF可能參與了光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過下調(diào)CPT生物合成基因的表達(dá)而抑制CPT生物合成，Chang等［38］也進(jìn)一步證明了CaLMF是抑制CPT生物合成基因表達(dá)的關(guān)鍵光信號(hào)元件。

Smith 等［39］研究發(fā)現(xiàn)，TaABF1 蛋白在 S36D、S37D、S113D、S115D這4個(gè)位點(diǎn)的磷酸化增加了TaABF1的轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性。根據(jù)磷酸化的位點(diǎn)和模式，TaABF1磷酸化既可以刺激也可以抑制TaABF1調(diào)控下游基因的活性。突變的S318和S322（在bZIP域中）消除了TaABF1激活HVA1的能力，但是對(duì)TaABF1下調(diào)Amy32b的能力沒有影響，說明Ta-ABF1通過一種間接的DNA結(jié)合機(jī)制抑制Amy32b的表達(dá)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)ABA或TaABF1誘導(dǎo)的HVA1不受GA的抑制。

8 總結(jié)與展望

bZIP轉(zhuǎn)錄因子在真核生物中廣泛分布并且相對(duì)保守。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)bZIP的表達(dá)、植物抗逆性等方面進(jìn)行了研究。隨著研究的不斷深入，研究人員已經(jīng)確定了bZIP轉(zhuǎn)錄因子在植物生長以及逆境脅迫中的重要作用，它能夠參與植物組織的分化、延伸細(xì)胞、提高病害防御能力，進(jìn)行能量代謝及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、參與光反應(yīng)及對(duì)蛋白進(jìn)行調(diào)控等過程，并且在脅迫條件下，還能促使內(nèi)源ABA的合成，從而激活bZIP家族基因。這些研究結(jié)果為人類通過相應(yīng)的分子或生理技術(shù)提高作物產(chǎn)量、改善作物生長發(fā)育狀況以及提高植物抗逆性提供了新的思路，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

目前關(guān)于bZIP轉(zhuǎn)錄因子家族的研究仍然存在一些不足。首先，研究?jī)H停留在少數(shù)物種中，未來應(yīng)該在更多的物種中進(jìn)行bZIP轉(zhuǎn)錄因子的分析鑒定；其次，關(guān)于bZIP是如何介導(dǎo)下游標(biāo)靶基因表達(dá)及其參與的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究較少，與此同時(shí)，bZIP參加了許多逆境脅迫，但關(guān)于bZIP轉(zhuǎn)錄因子在分子育種方面的作用研究亦較少，并且已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)基因材料也鮮有報(bào)道，還需后續(xù)深入研究。隨著基因工程技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用也越來越普遍，這使使得研究不斷深入細(xì)化，為研究轉(zhuǎn)錄因子的功能提供了極大的便利，使得轉(zhuǎn)錄因子在分子育種中的應(yīng)用成為可能。