NAC轉錄因子在植物生長發育中的調控作用

楊曉娜，田 云，盧向陽

(1.湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農業生物工程研究所，湖南 長沙 410128)

NAC轉錄因子是近10年來新發現的具有多種生物功能的植物特異轉錄因子，為植物中最大的轉錄因子家族之一，該家族最主要的結構特點是其N端含大約150個高度保守的氨基酸組成的NAC結構域。2004年，Ernst等[1]通過實驗證明NAC結構域是一種新的轉錄因子折疊結構，其不含經典的螺旋-轉角-螺旋結構，而是由幾個螺旋環繞一個反向平行的β-折疊而成。目前，在擬南芥、水稻、葡萄、白楊、大豆和煙草等植物材料中分別鑒定了117、151、79、163、152和152個NAC轉錄因子新成員[2]。NAC轉錄因子在植物生物和非生物脅迫應答、激素信號途徑的轉導、機體的凋亡等方面發揮著重要的作用。作者在此綜述了NAC轉錄因子在植物細胞次生壁的形成、植物的衰老、側根的發育、莖、葉和種子的形成等生長發育過程中的重要調控作用及機理，指出了今后NAC轉錄因子研究的方向。

1 NAC轉錄因子的主要結構特點

NAC轉錄因子由兩部分組成：N端的NAC結構域和C端的轉錄調控域。NAC結構域是該轉錄因子最主要的特點，具有DNA/蛋白質結合能力以及二聚化等作用；C端為高度變異的轉錄調控區，該端的共同特點是一些簡單氨基酸重復出現的頻率較高，同時富含絲氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、谷氨酸等[3]，具有轉錄激活或阻遏作用。

NAC轉錄因子的主要結構類型見圖1。

典型的NAC轉錄因子在其N端具有一個NAC結構域，并在C端含有一個多變的轉錄調控(transcription regulatory，TR)結構域(圖1a)[2]。另外，還有一些非典型的NAC轉錄因子，主要包括以下5種類型[2]：NAC結構域中含有1個負調控域且C端的轉錄調控域中含有1個跨膜模體(圖1b)；只含NAC結構域(圖1c)；含有2個串聯重復的NAC結構域(圖1d)；NAC結構域的前面含有1個N端延伸(N-terminally extended，NTE)區域(圖1e)；NAC結構域在C端，轉錄調控域在N端，且中間含有1個保守DNA結合域功能的鋅指模體(圖1f)。

NAC結構域可進一步分為A、B、C、D、E等5個亞結構域(圖1a)，其中高度保守的亞結構域C和D主要與DNA結合，從而決定NAC轉錄因子的特性；亞結構域A可能參與功能二聚體的形成；亞結構域B和E與NAC轉錄因子的功能多樣性有關。

2 NAC轉錄因子在植物生長發育中的重要調控作用

2.1 NAC轉錄因子在植物細胞次生壁形成過程中的重要調控作用

研究表明，NAC轉錄因子可通過影響植物次生壁各組分的分化、沉積、自溶以及與其它合成、修飾等相關基因的相互作用[4]，來影響植株的開花、結實等生長發育過程。

2005年，Mitsuda等[5]首次發現NAC轉錄因子對次生壁的增厚起調控作用：擬南芥NST1和NST2可協同調節次生壁的加厚，并影響花粉的開裂。進一步研究表明，NST1和SND1/NST3不僅能夠促進次生壁的沉積，還能調控擬南芥長角果的形成，但這一過程不涉及細胞程序性死亡[6-7]。擬南芥SND1、SND2能上調次生壁合成相關基因、細胞壁修飾、木質素多聚化等轉錄因子的表達[8-9]；而ANAC012基因的超表達，強烈抑制木質纖維中次生壁的沉積、減少植物細胞壁中的纖維素成分[10]。另外，在蒺藜苜蓿的生長發育過程中，nst1突變體中MtNST1蛋白功能的喪失，影響了花藥的開裂和保衛細胞壁中酚醛自體熒光物質的形成，主要通過阻遏木質素、纖維素及半纖維素合成相關基因的表達，降低了木質素和多糖的含量[11]。

次生細胞壁中木質素的沉積，能使植株變得堅硬牢固，增強植株的支撐力。擬南芥中XND1、VND7、VNI2蛋白通過直接/間接調控其它相關基因的表達，影響植物根和莖中木質部的分化[12-15]。另有研究表明，白楊木材形成過程中NAC轉錄因子也起著重要作用：PtrWND2B/6B蛋白中的WND區域能夠與SNBE元件相互結合，激活啟動子與次生壁生物合成、細胞壁修飾以及程序性細胞死亡相關基因的表達，影響次生壁的形成[16]；PtVNS/PtrWND基因在白楊中的超表達也能夠誘導樹葉中異常次生壁的加厚[17]。

2.2 NAC轉錄因子在植物衰老過程中的重要調控作用

研究發現，NAC轉錄因子既能直接或間接地延緩植物衰老，又有加速植物衰老的作用。

植物衰老最主要的表觀體現是葉片，葉片是高等植物進行光合作用的主要器官，其發育主要受到遺傳基因的支配。NAC轉錄因子在葉片的衰老過程中起著重要的調控作用。微陣列分析發現，擬南芥NAC轉錄因子ANAC092/AtNAC2/ORE1能夠調控植物葉片的衰老：擬南芥ANAC092(ORE1)誘導的170個上調基因中有46%的基因與衰老相關[18]。NAC轉錄因子能夠加速植物葉片的衰老：隨著擬南芥蓮座葉的衰老，AtNAP基因的表達逐漸增強，nap突變株系中葉的衰老進程明顯延遲，將NAP轉化至該突變體中，表型得到恢復[19]；在擬南芥中超表達金絲慈竹基因BeNAC1能夠引起擬南芥早熟，將BeNAC1轉入至能夠延緩植物衰老的擬南芥nap突變體中，可以使突變體恢復至野生型表型[20]；擬南芥ORE1通過與GLKs結合，加速葉綠體的退化，從而加速了葉片的衰老進程[21]。Yang等[22]研究發現，AtVIN2基因在延緩葉片的衰老過程起重要作用，且這一過程受到鹽和ABA的調控：AtVIN2基因超表達使擬南芥葉片的衰老程度明顯降低；vni2-1突變體中葉片的衰老進程明顯加速；進一步研究發現，VNI2能夠與COR(COR15A、COR15B)和RD(RD29A、RD29B)基因的啟動子相互作用，在轉錄水平上促進這些基因的表達，提高植物的耐逆性并延緩植物葉片的衰老；最終證明VNI2是通過調節高鹽環境下葉片的壽命，從而成為整合發育信號和環境信號的一個重要調控因子。

NAC轉錄因子在植物果實和根瘤的衰老過程中也具有重要調控作用。果實的衰老與植物體內多種激素的作用相關，如與乙烯信號途徑網絡密切相關：AtNAP基因對擬南芥長角果的衰老過程具有促進作用，表現在nap突變體中長角果的衰老推遲了4～5 d，且AtNAP對于乙烯所激發的呼吸躍變是必需的[23]；Shan等[24]通過酵母雙雜交和雙熒光互補等實驗發現，香蕉MaNAC1/2蛋白能夠與乙烯信號途徑中的重要組分MaEIL5蛋白相互作用，推測MaNAC1/2可能通過乙烯信號途徑參與香蕉果實的成熟過程。另外，植株的衰老還表現在體內蛋白酶的變化上：MtNAC969是根瘤形成過程中的重要轉錄調控因子，在MtNAC969 RNAi植物中，根瘤的衰老標志基因半胱氨酸蛋白酶基因(MtCP2)的表達量增加，植株表現為早衰[25]。

2.3 NAC轉錄因子在植物側根發育過程中的重要調控作用

研究發現，NAC轉錄因子通過影響生長素信號相關基因的表達來促進側根的發育。例如：擬南芥NAC1的反義表達，能夠阻斷TIR1蛋白誘導的側根發育，且tir1突變體中NAC1的超表達能夠恢復側根的形成[26]；AtNAC2在擬南芥中超表達也能夠促進側根的發育[27]，這些研究表明NAC轉錄因子在側根的發育過程中起促進作用。de Zélicourt等[25]研究發現，MtNAC969在苜蓿側根發育過程中是一個負調控因子：MtNAC969基因超表達植株中側根的密度減小；而RNAi轉基因植物中側根的密度增大，但根瘤的數目沒有受到影響。另外，Hao等[28]研究也表明，大豆GmNAC20能夠通過影響生長素信號相關基因的表達，從而參與植物側根的發生與發育過程。

根冠是覆蓋于根頂端分生組織的冠狀細胞團，被認為是根感受重力的部位。Bennett等[29]發現NAC轉錄因子成員SMB、BRN1和BRN2在植物根冠的成熟過程中具有冗余的調控作用：SMB能單獨參與側根冠中無分裂、細長且具有液泡的細胞成熟過程以及根冠柱中剛性、長方形且無分裂的細胞成熟過程，smb-3突變體的側根冠成熟延遲，且不能從根上脫離；BRN1和BRN2在影響根冠成熟過程中與SMB具有功能冗余作用；另外，SMB、BRN1和BRN2能夠激活6個VND/NST靶基因(CESA8、IRX9、4CL1、XCP1、SND2和SND3)和3個根冠成熟相關基因(CEL3、CEL5和QUA1)的轉錄。

2.4 NAC轉錄因子在植物其它生長發育過程中的重要調控作用

NAC轉錄因子在細胞的分裂和分化、莖、葉及種子等器官的形成過程中也起著重要調控作用。

Kim等[30]通過實驗證明了膜結合蛋白NTM1能夠通過蛋白裂解從膜上釋放出來，經過活化的NTM1進入細胞核并誘導一系列細胞周期蛋白依賴性激酶抑制基因的表達，阻遏組蛋白H4基因的表達，從而減少細胞的分裂；Takeda等[31]也研究證明了CUC1蛋白能夠抑制邊界區域的器官分化，它通過直接激活核因子基因LSH4/3的轉錄來進行調控。更多的研究表明NAC轉錄因子廣泛參與了植物莖、葉和種子的形成過程：Vroemen等[32]研究表明CUC3與CUC1、CUC2在調節器官分化方面具有功能冗余，而CUC3在邊界與莖分生組織的形成過程中具有重要作用；番茄的GOB蛋白通過影響番茄小葉的發生及其分離，最終影響了番茄葉片的葉型[33]；水稻OsNAC2的超表達能夠影響水稻分蘗芽的生長，調控分枝的發育[34]；ANAC036蛋白通過影響植株葉和莖中細胞的大小，調控葉片、葉柄和莖的長度，引起植株半矮化表型[35]；Kunieda等[36]分別分析nars1、nars2單突變體和雙突變體種子的形態，發現NARS1和NARS2蛋白能夠調控種子的形態，并具有功能冗余，進一步研究發現NARS1和NARS2是通過調節胚珠外皮的發育和退化而影響植物胚胎的形成。

32種已鑒定的與植物生長發育相關的重要NAC轉錄因子見表1。

3 展望

NAC轉錄因子是植物所特有的一類轉錄調控因子，其不僅在植物干旱、高鹽、低溫等非生物脅迫應答過程中具有調控作用，也在植物病蟲害等生物脅迫應答反應中具有調節作用，并且在植物細胞次生壁形成、植物衰老與側根發育、植物株型建成及器官分化等生長發育過程中均具有重要調控作用。今后將主要圍繞以下方面開展相關研究工作：一是進一步克隆鑒定新的NAC轉錄因子新成員，并對其生物學功能進行驗證，以期發現NAC轉錄因子的新功能；二是深入探討NAC轉錄因子的調控作用機理及調控網絡。通過挖掘NAC轉錄因子在植物體內的上下調控因子及其相互關系，闡明NAC轉錄因子在植物體內的調控作用機理，尤其是探討NAC轉錄因子在不同信號途徑和/或不同生理過程中的協同調控作用機理及調控網絡。

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表1植物生長發育相關的NAC轉錄因子

Tab.1The NAC transcription factors and their functions in plant growth and development

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