呂朝鵬，楊紅春

（武漢大學生命科學學院雜交水稻國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

鋅指蛋白是一類重要的轉(zhuǎn)錄因子，具有結(jié)合Zn2+的手指狀結(jié)構(gòu)，能夠調(diào)控植物生長發(fā)育、參與脅迫應(yīng)答[1,2]。根據(jù)鋅指蛋白氨基酸序列中半胱氨酸和組氨酸殘基排列順序和數(shù)量的差異，可分為C2H2、C2HC、C3H、C2HC5、C3HC4、C4、C4HC3、C6、C8九種亞型[3]。植物中存在大量的C2H2型鋅指蛋白，水稻中至少發(fā)現(xiàn)了189個該類蛋白[4]。本文總結(jié)了近年來水稻中C2H2型鋅指蛋白在水稻生長發(fā)育、非生物脅迫中的研究進展，以期對水稻中該類蛋白的研究提供參考。

1 C2H2型鋅指蛋白分類與結(jié)構(gòu)特征

首個C2H2型鋅指蛋白TFIIIA（transcription factor IIIA）發(fā)現(xiàn)于非洲爪蟾的卵母細胞中，能夠結(jié)合并起始5SrRNA基因的轉(zhuǎn)錄[5]。植物中首個被報道的C2H2型鋅指蛋白是矮牽?；ò曛袃?yōu)勢表達的EPF1[6]，隨后在大豆[7]、小麥[8]、擬南芥[9]、水稻[10]中均發(fā)現(xiàn)了C2H2型鋅指蛋白。

C2H2型鋅指蛋白含有保守的CX2-4CX3FX5LX2HX3-5H序列（C代表半胱氨酸、X代表任意氨基酸，H代表組氨酸），這段保守的序列形成1個雙鏈反向平行的β折疊和1個α螺旋，并通過結(jié)合鋅離子構(gòu)成穩(wěn)定的鋅指結(jié)構(gòu)[11]。根據(jù)α螺旋區(qū)域是否存在保守的QALGGH序列，C2H2型鋅指蛋白可分為包含該序列的Q型和不含該序列C型[11]。當Q型鋅指蛋白中該保守序列突變時，蛋白對DNA的結(jié)合能力減弱甚至喪失[12]。此外，根據(jù)鋅指數(shù)量和位置的不同又可將其分為三C2H2型、分散成對排列的C2H2型及多個毗鄰的C2H2型[13]，如圖1所示。

圖1 植物C2H2型鋅指蛋白結(jié)構(gòu)圖

絕大多數(shù)C2H2型鋅指蛋白除了鋅指結(jié)構(gòu)域外，還含有核定位信號（nuclear localization signal，NLS），可能和蛋白互作相關(guān)的L-BOX結(jié)構(gòu)域，以及和轉(zhuǎn)錄活性相關(guān)的EAR結(jié)構(gòu)域（ethylene-responsive element-binding factor(ERF)-associated amphiphilic repression (EAR) domain）[14]。盡管C2H2型鋅指蛋白OsDRZ1（Oryza sativa droughtresponsive zinc finger protein 1）和ZFP179都擁有EAR結(jié)構(gòu)域，然而OsDRZ1具有轉(zhuǎn)錄抑制活性，ZFP179具有轉(zhuǎn)錄激活作用[15,16]，說明C2H2型鋅指蛋白對轉(zhuǎn)錄的抑制或者激活不僅僅取決于EAR結(jié)構(gòu)域。

2 C2H2型鋅指蛋白在水稻生長發(fā)育中的功能

C2H2型鋅指蛋白調(diào)控了水稻株高、小穗發(fā)育以及開花時間等。近年來水稻中報道的該類蛋白在生長發(fā)育中的功能如表1所示。

表1 水稻C2H2型鋅指蛋白在水稻生長、發(fā)育中的功能

2.1 C2H2型鋅指蛋白ZFP207、OsDRZ1調(diào)控水稻株高

株高是影響水稻生物量、抗倒伏性、機械收獲效果的重要因素。赤霉素（Gibberellin, GA）是影響株高的主要激素，正向調(diào)控植物株高[17]。C2H2型鋅指蛋白ZFP207、OsDRZ1通過GA調(diào)控水稻株高。ZFP207在水稻節(jié)間高水平表達，ZFP207過表達植株表現(xiàn)出矮化、根長變短、花粉活性降低等類似GA缺乏的發(fā)育缺陷，外源施加GA3能回復過表達ZFP207引起的半矮桿表型，表明ZFP207對水稻的生長抑制和GA信號途徑相關(guān)。ZFP207結(jié)合綠色革命基因SD1/OsGA20ox2（GA20 oxidase）染色質(zhì)，并抑制其表達。SD1/OsGA20ox2編碼參與GA合成的GA20氧化酶，通過調(diào)控GA的含量調(diào)控株高[18]。ZFP207通過抑制SD1/OsGA20ox2的表達阻礙具有生物活性GA的合成，從而負向調(diào)控株高[19,20]。過表達OsDRZ1可以促進水稻生長，RNA-Seq分析表明，OsDRZ1過表達植株中GA受體蛋白基因GID1L2表達上調(diào)，該基因的上調(diào)可能增強GA信號，促進水稻生長[16]。

2.2 C2H2型鋅指蛋白SIP1調(diào)控水稻花期

開花時間是一項重要的農(nóng)藝性狀，展示植物對季節(jié)和地域的適應(yīng)情況，影響作物產(chǎn)量。水稻Hd3a（Heading date 3a）、RFT1（RICE FLOWERING LOCUS T 1）分別在短日照、長日照條件下促進開花[21,22]。Ehd1（Early heading date 1）促進Hd3a、RFT1的表達，加速開花[23]。C2H2型鋅指蛋白SIP1（SDG723/OsTrx1/OsSET33 Interaction Protein 1） 參與Ehd1-RFT1通路調(diào)控開花[1]。在長日照條件下，SIP1突變體中Ehd1、RFT1表達下調(diào)，開花延遲。研究表明SIP1能夠和組蛋白H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶OsTrX1（Oryza sativa Trithorax1）互作，招募OsTrX1結(jié)合到Ehd1染色質(zhì)上，促進基因激活修飾H3K4me3在Ehd1染色質(zhì)上的沉積，增加Ehd1的表達促進開花。

2.3 C2H2型鋅指蛋白LRG1、NSG1、LHS1調(diào)控水稻小穗發(fā)育

水稻的每個小穗由1朵小花和1對護穎、1對副護穎組成，最終發(fā)育成1粒種子，其中小花由6個雄蕊、1個雌蕊、1個外稃、1個內(nèi)稃、2個漿片共同組成。C2H2型鋅指蛋白LRG1（LACKING RUDIMENTARY GLUME 1）、NSG1（NONSTOP GLUMES1）、SL1（STAMENLESS 1）通過調(diào)控花器官決定基因的表達，控制小穗發(fā)育。LRG1在小穗發(fā)育期間在花序中表達增加，突變體中，護穎變長、產(chǎn)生額外的外稃樣器官，并且和野生型外稃具有相似的維管束數(shù)量；同時花器官決定基因OsMADS1、OsMADS14、OsMADS15、DL（DROOPING LEAF）也在變長的護穎和外稃樣器官中異位表達，暗示lrg1中額外產(chǎn)生了具有部分外稃特征的器官。這表明，C2H2型鋅指蛋白LRG1抑制護穎到外稃的同源轉(zhuǎn)化，維持小穗的正常發(fā)育[24]。此外，NSG1突變體中除了含有正常數(shù)量和形狀的外稃外，部分護穎、漿片轉(zhuǎn)變?yōu)橥怙麡悠鞴?，花器官決定基因LHS1（LEAFY HULL STERILE1）、DL在護穎中異位表達，并且DL也在漿片中異位表達，暗示C2H2型鋅指蛋白NSG1抑制護穎、漿片到外稃的同源轉(zhuǎn)化，維持小穗的正常發(fā)育。LHS1啟動子區(qū)存在DBS（DST-binding sequence）元件，NSG1結(jié)合該基序，并通過和OsTPRs（TOPLESS-RELATED genes）互作招募組蛋白去乙酰化酶HDACs（histone deacetylases），從而降低LHS1染色質(zhì)上的乙?；?，抑制其表達，調(diào)控小穗發(fā)育[25]。此外，單鋅指C2H2型蛋白突變體SL1中漿片和雄蕊轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)稃、外稃樣器官，且SPW1（SUPERWOMAN1）/OsMADS16在雄蕊原基和漿片原基中的表達消失，而SPW1/OsMADS16是決定雄蕊和漿片形成的關(guān)鍵基因[26]，因此，SL1可能通過促進SPW1/OsMADS16轉(zhuǎn)錄決定漿片和雄蕊的發(fā)育[27]。

2.4 C2H2型鋅指蛋白DST、LRG1調(diào)控水稻穗及籽粒發(fā)育

水稻產(chǎn)量主要由籽粒數(shù)、千粒重決定，籽粒數(shù)由水稻穗分枝數(shù)決定，籽粒大小是影響千粒重的重要因素。水稻C2H2型鋅指蛋白DST（DROUGHT AND SALT TOLERANCE）能夠通過細胞分裂素（cytokinin, CK）途徑調(diào)控穗分枝數(shù)進而決定籽粒數(shù)，影響作物產(chǎn)量[16]。DST半顯性等位突變DSTreg1中，CK在莖尖分生組織處積累導致穗分枝增加[28]，籽粒數(shù)增加[29]。DST能夠激活CK氧化酶基因Gn1a/OsCKX2（Grain number 1a/Cytokinin oxidase 2）的表達從而降解具有生物活性的CK。而DSTreg1轉(zhuǎn)錄激活功能喪失，導致OsCKX2表達下降，促進CK在SAM中積累，穗分枝數(shù)目增加，最終增加籽粒數(shù)量。并且將DSTreg1引入到水稻中，水稻的小穗數(shù)目增加，籽粒數(shù)也增加，暗示了其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛力。

C2H2型鋅指蛋白LRG1不僅調(diào)控花發(fā)育，也通過調(diào)控細胞周期、細胞擴展基因的表達，參與穎殼大小的調(diào)控。LRG1突變體中穎殼縱切面的內(nèi)外層表皮細胞變短，細胞數(shù)目減少，導致籽粒變短；橫截面的細胞增大，造成穎殼變寬[24]。同時LRG1突變體細胞增殖速度變慢，細胞增殖和擴展相關(guān)基因BG1（Big Grain 1）、BG2、GS3（Grain Size 3）表達增加；促進籽粒增大的基因GS2、GS5表達減少；細胞周期相關(guān)基因CDKA1（Cyclin-dependent kinase A-1）、CDKA2降低；細胞擴展相關(guān)基因EXPA1（expansin-A 1）表達明顯減少，但EXPA25表達增加。這些結(jié)果表明，C2H2型鋅指蛋白LRG1通過正向或者負向調(diào)控細胞增殖和擴展相關(guān)的基因，控制穎殼的細胞增殖和擴展，從而影響穗粒大小。

3 C2H2型鋅指蛋白在水稻脅迫中的功能

鹽、干旱、冷等非生物脅迫能夠通過滲透脅迫、氧化脅迫和離子毒害等次級作用損傷細胞，抑制植物生長。植物通過合成脯氨酸、可溶性糖、甘氨酸、甜菜堿等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)維持細胞滲透平衡，并且利用超氧化物歧化酶（Super Oxide Dimutase，SOD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GPX）清除過氧化氫（H2O2）、超氧陰離子（O2-）等活性氧（reactive oxygen species，ROS），減少ROS造成的細胞損傷[30]。近年來有關(guān)水稻中C2H2型鋅指蛋白在脅迫中的功能如表2所示。

表2 水稻C2H2型鋅指蛋白在非生物脅迫中的功能

3.1 C2H2型鋅指蛋白ZFP179、ZFP213、DST、ZFP252等參與水稻對鹽脅迫的應(yīng)答

鹽脅迫是植物面臨的主要非生物脅迫之一，高鹽抑制植物生長導致糧食減產(chǎn)，嚴重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，威脅糧食安全。過表達C2H2型鋅指蛋白基因ZFP179、ZFP213、ZFP252能夠通過維持滲透平衡和ROS穩(wěn)態(tài)，提高水稻幼苗在鹽脅迫下的存活率[31-34]。鹽處理ZFP179過表達植株幼苗時，脯氨酸合成限速酶基因OsP5CS（Pyrroline-5-carboxylate synthetase）、脯氨酸轉(zhuǎn)運蛋白基因OsProT（Proline transporter 1-like）、脅迫相關(guān)基因OsDREB2A（Dehydration-Responsive Element-Binding Protein 2A）、OsLea3（Late embryogenesis abundant protein, group 3） 表達水平提高，可溶性糖和脯氨酸含量增加[15,35]，暗示ZFP179可能通過促進脯氨酸、可溶性糖合成、轉(zhuǎn)運相關(guān)基因的表達，促進細胞內(nèi)脯氨酸、可溶性糖的積累，維持滲透平衡，提高水稻在鹽脅迫下的存活率。鹽處理OsZFP213過表達植株，幼苗中OsSOD、OsAPX、OsCAT表達增加，H2O2含量減少，存活率提高[32]。而過表達AtSOD、OsAPX2能夠提高植物對鹽脅迫的耐受性[36,37]，表明C2H2型鋅指蛋白OsZFP213可能通過提高ROS的清除能力，減少H2O2的積累從而提高水稻在鹽脅迫下的存活率。此外，鹽處理DST突變體，莖中Na+的積累減少，幼苗對鹽的耐受性增加。該突變體可能通過促使氣孔關(guān)閉，降低呼吸速率從而減少Na+從根到莖的轉(zhuǎn)運，減少鹽離子在水稻中的積累，提高其在鹽脅迫下的存活率[38]。

3.2 C2H2型鋅指蛋白 ZFP252、ZFP245、OsDRZ1、DST等參與水稻對干旱脅迫的應(yīng)答

全球人口的增長造成農(nóng)業(yè)用水需求不斷增加，然而全球可用的淡水資源日益匱乏，因此干旱對全球糧食安全影響越來越大。植物受到干旱脅迫時，種子萌發(fā)、開花受精等過程受到影響，導致作物減產(chǎn)。過表達C2H2型鋅指蛋白基因ZFP252、ZFP245、OsDRZ1等能夠通過維持滲透平衡、ROS穩(wěn)態(tài)，提高水稻幼苗在干旱脅迫下的存活率。和鹽處理ZFP179過表達植株類似，干旱處理ZFP252過表達植株，OsP5CS、OsProT、OsDREB1A、OsLea3表達水平提高，脯氨酸和可溶性糖含量增加，幼苗存活率提高[31]。這暗示C2H2型鋅指蛋白ZFP252可能通過促進滲透物質(zhì)的積累增強植物的抗旱性。干旱處理ZFP245、OsDRZ1過表達的植株，相比于野生型，幼苗中H2O2、O2-積累更少，POD、SOD活性增加，存活率提高[10,16]。RNA-Seq分析表明，與野生型相比，干旱處理下OsDRZ1過表達植物的抗氧化活性相關(guān)基因表達水平更高[16]，暗示C2H2型鋅指蛋白OsDRZ1、ZFP245可能通過維持ROS穩(wěn)態(tài)增強植物的抗旱性。此外，C2H2型鋅指蛋白OsDRZ1、DST也能通過調(diào)控氣孔活動增強植物的抗旱性。干旱處理OsDRZ1過表達植株，氣孔關(guān)閉程度增加，幼苗相對水含量更高，相對水分丟失速率更低，耐旱性增強[16]。與此不同的是，DST突變體氣孔密度減少、關(guān)閉程度增加，水稻的抗旱性增強。DST能夠通過直接結(jié)合到Prx24（Peroxidase 24 precursor）啟動子區(qū)域的DBS元件，促進Prx24表達，分解控制水稻氣孔關(guān)閉的H2O2[39]。干旱條件下，DST表達水平降低造成Prx24表達下降和H2O2積累，從而促進氣孔關(guān)閉，增強水稻的抗旱性[38]。

3.3 C2H2型鋅指蛋白ZFP245參與水稻對低溫脅迫的應(yīng)答

在營養(yǎng)生長階段低溫脅迫造成水稻分蘗減少，在生殖生長階段導致水稻雄性不育，在灌漿期降低水稻灌漿率。C2H2型鋅指蛋白ZFP245是水稻中鑒定出的首個同脅迫應(yīng)答相關(guān)的蛋白，低溫能誘導其表達。低溫處理ZFP245過表達植株，OsP5CS表達增加，自由脯氨酸含量增加，植物存活率明顯上升[40]；同時SOD、POD含量增加，水稻的抗氧化能力提高[10]，這些結(jié)果暗示，C2H2型鋅指蛋白ZFP245可能通過調(diào)控滲透物質(zhì)的積累和維持ROS穩(wěn)態(tài)增強植物的耐冷性。此外，大豆中鑒定出的C2H2型鋅指蛋白SCOF（soybean cold-inducible zinc finger protein）通過和bZIP轉(zhuǎn)錄因子SGBF-1互作，促進COR（cold response protein）表達[7]，而水稻中的C2H2型鋅指蛋白是否能夠以及如何調(diào)控低溫基因應(yīng)答有待進一步的研究。

3.4 C2H2型鋅指蛋白OsART1參與水稻對鋁脅迫的應(yīng)答

鋁以Al3+離子的形式溶解在酸性土壤中，通過抑制植物根系生長，影響植物對水分、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，對植物產(chǎn)生毒害，限制作物產(chǎn)量[41,42]。相比于其他主要農(nóng)作物，水稻對鋁的耐受能力更強。這種耐受同C2H2型鋅指蛋白OsART1（Al resistance transcription factor 1）相關(guān)[43]。OsART1在根中組成型表達，表達水平不受鋁的影響，OsART1能夠直接結(jié)合GGNVS順式作用元件[44]，激活鋁耐受相關(guān)下游基因OsNRAT1（Nramp aluminum transporter 1）、OsALS1（ALUMINUM SENSITIVE 1）的表達，增加水稻對鋁的耐受能力[43]。OsNRAT1（Nramp aluminum transporter 1）是特異性Al3+轉(zhuǎn)運蛋白，定位于除表皮細胞外的所有根尖細胞的質(zhì)膜上。敲除OsNRAT1，鋁與細胞壁結(jié)合增加，水稻對鋁的吸收減少，敏感性增強[45]。OsALS1定位于液泡膜上，負責將鋁隔離到液泡中，減輕鋁對水稻的毒害[46]。這些結(jié)果表明，C2H2型鋅指蛋白OsART1能夠通過調(diào)控鋁下游基因OsNRAT1、OsART1的表達，吸收環(huán)境中的Al3+并轉(zhuǎn)運到液泡中，增強水稻對鋁脅迫的耐受性。

4 C2H2型鋅指蛋白在水稻ABA信號轉(zhuǎn)導途徑中的功能

4.1 C2H2型鋅指蛋白 ZFP179、ZFP36、ZFP213等通過ABA依賴途徑參與水稻對脅迫的響應(yīng)

脫落酸（abscisic acid，ABA）在種子成熟、萌發(fā)、氣孔運動等發(fā)育和脅迫應(yīng)答調(diào)控中扮演了重要角色[49]。鹽、干旱脅迫能夠促進ABA積累。ZFP179、ZFP182啟動子上存在ABA響應(yīng)元件ABRE（ABA-responsive element）[15,34]，ABA能夠誘導ZFP179、ZFP182表達，這暗示C2H2型鋅指蛋白ZFP179、ZFP182可能通過ABA依賴途徑發(fā)揮作用。ABA處理ZFP179過表達植株，滲透壓相關(guān)基因OsP5CS、OsLea3、OsProT表達增加，暗示C2H2型鋅指蛋白ZFP179可能通過ABA依賴途徑維持脅迫條件下的滲透平衡[15]，提高水稻在逆境下的存活率；ABA處理ZFP182過表達植株，OsMAPK1、OsMAPK5表達上調(diào)，SOD、APX活性增強[47]；ABA處理ZFP36過表達植株，OsMAPK表達增加，SOD、APX活性增強，水稻對H2O2的敏感性減弱[48]。MAPK是ABA依賴途徑中與抗氧化相關(guān)的信使分子[50]。這些結(jié)果暗示，C2H2型鋅指蛋白ZFP182、ZFP36可能通過參與ABA誘導的抗氧化防御反應(yīng)提高植物的存活率。

4.2 C2H2型鋅指蛋白DST、OsDRZ1、ZFP179通過非ABA依賴途徑參與水稻對脅迫的響應(yīng)

ABA能夠調(diào)控H2O2積累控制氣孔關(guān)閉，增強植物對干旱的耐受性[51]。DST能夠通過調(diào)控H2O2含量提高水稻對干旱的耐受性[38]。經(jīng)ABA處理后，DST的表達水平?jīng)]有明顯變化，同時野生型和突變體中氣孔開放程度也沒有明顯變化，暗示C2H2型鋅指蛋白DST能夠以不依賴于ABA的方式增強水稻對干旱的耐受。

DREB/CBF（The dehydration-responsive element binding transcription factors/C-repeat CRT binding transcription factors）能夠以非ABA依賴的方式增強植物的抗逆性[52,53]。OsDREB2A是DREB家族的成員能增強水稻對鹽和干旱的耐受[54]。ZFP179過表達植株中OsDREB2A表達增加，耐鹽性提高，然而ABA處理ZFP179過表達植株，OsDREB2A表達卻沒有增加，暗示C2H2型鋅指蛋白ZFP179也可能通過非ABA依賴的方式調(diào)控DREB2A基因的表達從而增強對逆境的耐受。

5 總結(jié)與展望

C2H2型鋅指蛋白參與了水稻株高、籽粒發(fā)育、花期調(diào)控等過程，在生長發(fā)育中發(fā)揮重要功能，同時該類蛋白也參與了對鹽、冷、干旱、鋁脅迫的應(yīng)答。雖然OsART1參與了水稻對鋁脅迫的耐受調(diào)控，但是仍然不清楚C2H2型鋅指蛋白是否參與對其他重金屬的耐受調(diào)控。目前對該類蛋白的研究主要集中在水稻形態(tài)和生理變化等方面的描述，對于逆境脅迫的信號轉(zhuǎn)導途徑和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究仍然有待深入。此外，在水稻的生長發(fā)育過程中，C2H2型鋅指蛋白能夠通過改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)調(diào)控花期，然而能否通過改變?nèi)旧|(zhì)狀態(tài)而增強抗逆能力仍然有待探究。

綜上，C2H2型鋅指蛋白在水稻的生長發(fā)育和脅迫的耐受調(diào)控中發(fā)揮重要作用，其功能和分子機制還有待進一步研究和挖掘。