擬南芥中WRKY家族基因功能的研究進展

錢金鑫　齊學軍　解莉楠等

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

關鍵詞 擬南芥；WRKY；轉錄因子；脅迫；應答

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、發育，甚至決定植物的物種分布。

在脅迫條件下，植物對環境壓力所作出響應同時完成各種生命活動。植物在多個層面進化形成復雜的機制，以增加其對不利環境條件的耐受性。在細胞水平上，氣孔的關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，脅迫應答和耐受基因的誘導表達也有助于植物適應不利的環境條件。植物判斷環境脅迫因子后進行信號轉導，通過相關基因轉錄水平的調節增加其脅迫耐受性。脅迫耐受相關基因的響應主要發生在轉錄水平上，其表達和修飾是植物對脅迫應答的重要部分。研究表明，植物基因組中有部分基因參與對環境變化的信號轉導或脅迫耐受相關基因的轉錄調控，轉錄因子是參與此類調控的重要基因之一。轉錄因子是一類能直接結合或間接作用于基因啟動子區域的蛋白，對基因的轉錄具有激活或抑制作用[1]。轉錄因子結合在各類順式作用元件上，參與調控靶基因轉錄效率，從而使植物對環境變化做出相應的反應。WRKY轉錄因子是植物中一類重要的轉錄調控因子，1994年由2位日本科學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轉錄因子。筆者對WRKY轉錄因子的特點及分類，以及擬南芥對環境脅迫進行應答過程中WRKY轉錄因子發揮功能的機制進行綜述，現報道如下。

1 WRKY轉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構。大部分的WRKY轉錄因子對同源的順式作用元件優先結合，對結合位點的選擇部分決定于鄰近TTGACY核心序列的DNA序列。根據WRKY結構域和鋅指結構特點，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鋅指結構序列；家族III具有1個WRKY域，并包含著2種不同的鋅指結構序列，即Cys2-His/Cys和Cys2-His2[3]。根據WRKY域外附加的保守結構序列，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，所以根據進化樹分析把WRKY轉錄因子分成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域、谷氨酰胺域、富含脯氨酸區域和激酶區域等結構。亞細胞定位顯示，WRKY蛋白質位于細胞核，通過與其他轉錄因子相互作用形成多聚體而調控靶基因的表達，在基因表達模式調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蛋白質高度保守的氨基酸序列WRKYGQK搜索擬南芥基因組編碼序列，結果顯示擬南芥具有74個WRKY基因。根據氨基酸序列比較分析，可以將擬南芥WRKY蛋白質家族劃分為3類。第1類具有2個典型的WRKY結構域和Cys2His2鋅指型結構；第2類具有典型的WRKY結構域和Cys2His2鋅指型結構；第3類具有典型的WRKY結構域和Cys2His/Cys鋅指型結構。通過矩陣分析方法所構建的擬南芥WRKY蛋白質家族系統發生樹表明，擬南芥第1類和第3類的WRKY蛋白質分別獨立聚集成1簇，即I簇和III簇；第2類的WRKY蛋白質被劃分為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蛋白質具有典型的WRKYGQK序列外，有3個蛋白質的WRKY結構域（AtWRKY50、AtWRKY51和AtWRKY59）氨基酸序列不同于典型的結構域序列，即WRKYGKK[11-12]。

3 擬南芥WRKY在生物脅迫應答方面的功能研究

研究表明，WRKY超家族參與植物的多種生理學過程，包括代謝調控、形態建成、種子萌發、發育和衰老調控等[13]。多種生物和非生物脅迫因子在不同程度上誘導擬南芥WRKY基因的表達，說明WRKY蛋白在擬南芥防衛反應中起著重要的作用。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基因具有誘導型表達模式，當植物體受到不同環境條件的誘導后會大量的表達，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）等信號轉導途徑，導致植物基因轉錄水平發生變化，并引起蛋白的修飾發生改變。擬南芥的AtWRKY38、AtWRKY62、AtWRKY11和AtWRKY17都是對病原體抗性的負調控因子，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轉錄調控因子參與了促細胞分裂素激活蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）信號轉導途徑，這個過程是受保護反應誘導發生的。比如，擬南芥的AtWRKY22和AtWRKY29蛋白質是MAPK介導植物抵抗病原菌侵染信號轉導途徑的重要組分，瞬間表達AtWRKY29基因的轉基因植株葉片對病原菌侵染具有很強的抗性[17]。植物抗病信號轉導途徑中幾丁質（chitin）是重要介質，正向調控擬南芥的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的正調節[18]。

4 擬南芥WRKY在非生物脅迫應答方面的功能研究

WRKY轉錄因子除了在生物脅迫應答方面，在非生物脅迫應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。在極端環境下，植物針對非生物逆境的脅迫進化出非常復雜的調控網絡，使植物的生理生化過程發生改變來得到存活機會。在此調控網絡之中WRKY基因家族發揮重要作用。利用基因芯片技術和Northern印跡技術對模式生物水稻、擬南芥的研究發現，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表達，從而說明WRKY轉錄因子在調控植物逆境脅迫應答過程中發揮功能。在水稻中，Northern 雜交分析表明10/13的OsWRKY基因對NaCl、聚乙二醇（PEG）和冷或熱處理產生應答[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[20]。在缺磷的誘導處理中，AtWRKY6和AtWRKY75的轉錄水平都是增強的[21-22]。擬南芥中的7個基因（AtWRKY40、AtWRKY33、AtWRKY53、AtWRKY22、AtWRKY11、AtWRKY15和AtWRKY60）受到傷害誘導的表達[23-25]。2個緊密相關的擬南芥WRKY轉錄因子AtWRKY25和AtWRKY33同時應答熱和鹽脅迫。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都會導致對NaCl的耐受性增強[26-28]。這些結果表明，各種WRKY蛋白在不同的非生物脅迫面前表現出功能多樣性。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控信號處理和轉錄的重新編程。

脫落酸（abscisic acid，ABA）是一種應激激素，在植物對非生物脅迫應答方面起到重要的作用。WRKY蛋白在ABA信號轉導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[29]。通過T-DNA插入突變體試驗表明，AtWRKY2負調控由ABA參與的種子發芽抑制和發芽后生長過程。對AtWRKY63的T-DNA插入突變體分析表明，AtWRKY63在應答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，在種子萌發期和發芽后生長期的功能也是作為負調控因子。遺傳學試驗分析表明，AtWRKY40作為主要的負調控因子通過結合啟動子上游的W-BOX序列負調控與ABA相關的響應基因，如：AtABF4、AtABI4、AtABI5、AtDREB1A、AtMYB2和AtRAB18。高濃度ABA促使AtWRKY40的核質轉移，進一步加速ABAR-WRKY40的互作。隨后ABA下游響應基因進行轉錄翻譯并參與應答過程[31]。研究通過使用正反遺傳學試驗分析表明，ATWRKY18和ATWRKY60在種子萌發抑制和根的生長過程中具有正調控作用，這些過程和植株對ABA敏感性相關。它們也會增強植物對鹽和滲透壓脅迫的應答。植物在發芽和生長過程中對ABA和非生物脅迫進行響應時，AtWRKY40與AtWRKYA18和AtWRKY60起拮抗作用。在種子發芽及發育階段，AtWRKY40負調控ABA響應，AtWRKY18和AtWRKY60正調控ABA響應，且AtWRKY18和AtWRKY40能夠被快速的誘導，而AtWRKY60較慢。同時研究人員還發現AtWRKY40和AtWRKY18能夠識別AtWRKY60啟動子從而調節AtWRKY60表達[32]。這些結果表明，WRKY蛋白在ABA信號傳導方面起到關鍵的作用。

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。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節作用。在較高溫度下處理擬南芥植株后，AtWRKY25和AtWRKY26受正調控表達，AtWRKY33受負調控表達。這3個基因的突變體植株對熱脅迫更敏感，表現出發芽減少及存活率降低的現象。受熱脅迫誘導的AtWRKY39同時調節水楊酸和茉莉酸信號通路，從而共同調節對熱脅迫的應答[35]。與AtWRKY25、AtWRKY26、AtWRKY33和AtWRKY39相比，AtWRKY34是花粉獨有的的冷脅迫應答蛋白。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]。

各種營養元素對于植物正常的生長發育是必需的，所以缺少任何一種必須的營養元素都會對植物的外觀形態或者植物本身對外界環境的適應性產生明顯的影響。研究表明，WRKY轉錄因子可以參與對營養元素缺失的應答。AtWRKY75基因在WRKY家族中首先被研究參與調節磷酸鹽饑餓過程。AtWRKY75在植物處于磷缺失時被強烈的誘導表達，對AtWRKY75基因表達的抑制會使植株對磷酸鹽缺失表現敏感[37]。AtWRKY6也參與植物對磷饑餓脅迫應答中，是通過負調控擬南芥磷酸鹽轉運相關的PHOSPHATE1基因實現。與野生型植株相比，過量表達的AtWRKY6轉基因植株表現出與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。通過染色質的免疫共沉淀分析表明，AtWRKY6通過直接結合AtPHO1啟動子上游的2個W-box進行負調控，說明AtWRKY6通過調節PHO1基因的表達來應對磷酸鹽饑餓的脅迫[14]。AtWRKY6還參與到對硼元素缺失的應答。但是與磷脅迫相反，AtWRKY6作為正調控因子參與低硼的脅迫應答[15]。AtWRKY42與AtWRKY6形成二聚體并直接結合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答。AtWRKY45和AtWRKY65參與碳元素饑餓的應答[16]。WRKY蛋白除參與上述非生物脅迫應答外，同樣也參與其他的非生物脅迫應答，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。研究者還發現過量表達AtWRKY22的擬南芥植株，在夜晚中會加速葉片的衰老[37]。

5 小結與展望

WRKY轉錄因子作為植物響應環境壓力的重要蛋白，已經逐漸引起研究人員的關注。自從WRKY轉錄因子于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錄因子。但是隨著研究的深入，人們發現在原生生物藍氏賈第鞭毛蟲和真菌的基因組中也發現了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的方法使研究人員在基因轉錄翻譯調控和信號轉導方面獲得重要的進展，表明WRKY基因不但參與了植物生長發育和新陳代謝過程，更重要的是還參與植物應對外界生物及非生物脅迫反應。雖然對WRKY轉錄因子功能的研究已經取得很大的進展，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。

參考文獻

[1]GUILFOYLE T J.The structure of plant gene promoters[J].Genetic Engineering，1997，19：15-47.

[2] ISHIGURO S，NAKAMURA K.Characterization of a cDNA encoding a novel DNA-binding protein，SPF1，that recognizes SP8 sequences in the 5' upstream regions of genes coding for sporamin and beta-amylase from sweet potato[J].Mol Gen Genet，1994，244（6）： 563-571.

[3] EULGEM T，RUSHTON P J，ROBATZEK，S，et al.The WRKY superfamily of plant transcription factors[J].Trends in Plant Science，2000，5（5）：199-206.

[4] ZHANG Y，WANG L.The WRKY transcription factor superfamily：its origin in eukaryotes and expansion in plants[J].BMC Evolutionary Biology，2005，5（1）：1.

[5] SONG Y，AI C R，JING S J，et al.Research Progress on Functional Analysis of Rice WRKY Genes[J].Rice Science，2010，17（1）：60-72.

[6] SCHMUTZ J，CANNON S B，SCHLUETER J，et al.Genome sequence of the palaeopolyploid soybean[J].Nature，2010，463（7278）：178-183.

[7] PANDEY S P，SOMSSICH I E.The role of WRKY transcription factors in plant immunity[J].Plant Physiology，2009，150（4）：1648-1655.

[8] RUSHTON P J，SOMSSICH I E，RINGLER P，et al.WRKY transcription factors[J].Trends in Plant Science，2010，15（5）：247-258.

[9] LIU J J，EKRAMODDOULLAH A K.Identification and characterization of the WRKY transcription factor family in Pinus monticola[J].Genome，2009，52（1）：77-88.

[10] MANGELSEN E，KILIAN J，BERENDZEN K W，et al.Phylogenetic and comparative gene expression analysis of barley （Hordeum vulgare） WRKY transcription factor family reveals putatively retained functions between monocots and dicots[J].BMC Genomics，2008，9（1）：194.

[11] EULGEM T，RUSHTON P J，ROBATZEK S，et al.The WRKY superfamily of plant transcription factors[J].Trends in Plant Science，2000，5（5）：199-206.

[12] DONG J，CHEN C，CHEN Z.Expression profiles of the Arabidopsis WRKY gene superfamily during plant defense response[J].Plant Molecular Biology，2003，51（1）：21-37.

[13] GUO Y，CAI Z，GAN S.Transcriptome of Arabidopsis leaf senescence[J].Plant，Cell & Environment，2004，27（5）：521-549.

[14] KIM K C，LAI Z，FAN B，et al.Arabidopsis WRKY38 and WRKY62 transcription factors interact with histone deacetylase 19 in basal defense[J].The Plant Cell Online，2008，20（9）：2357-2371.

[15] MAO P，DUAN M，WEI C，et al.WRKY62 transcription factor acts downstream of cytosolic NPR1 and negatively regulates jasmonate-responsive gene expression[J].Plant and Cell Physiology，2007，48（6）：833-842.

[16] JOURNOT-CATALINO N，SOMSSICH I E，ROBY D，et al.The transcription factors WRKY11 and WRKY17 act as negative regulators of basal resistance in Arabidopsis thaliana[J].The Plant Cell Online，2006，18（11）：3289-3302.

[17] ASAI T，TENA G，PLOTNIKOVA J，et al.MAP kinase signalling cascade in Arabidopsis innate immunity[J].Nature，2002，415（6875）：977-983.

[18] WAN J，ZHANG S，STACEY G.Activation of a mitogen‐activated protein kinase pathway in Arabidopsis by chitin[J].Molecular Plant Pathology，2004，5（2）：125-135.

[19] QIU Y，JING S，FU J，et al.Cloning and analysis of expression profile of 13WRKY genes in rice[J].Chinese Science Bulletin，2004，49（20）：2159-2168.

[20] JIANG Y，DEYHOLOS M K.Comprehensive transcriptional profiling of NaClstressed Arabidopsis roots reveals novel classes of responsive genes[J].BMC Plant Biology，2006，6（1）：25.

[21] CHEN Y F，LI L Q，XU Q，et al.The WRKY6 transcription factor modulates PHOSPHATE1 expression in response to low Pi stress in Arabidopsis[J].The Plant Cell Online，2009，21（11）：3554-3566.

[22] DEVAIAH B N，KARTHIKEYAN A S，RAGHOTHAMA K G.WRKY75 transcription factor is a modulator of phosphate acquisition and root development in Arabidopsis[J].Plant Physiology，2007，143（4）：1789-1801.

[23] CHEN H，LAI Z，SHI J，et al.Roles of Arabidopsis WRKY18，WRKY40 and WRKY60 transcription factors in plant responses to abscisic acid and abiotic stress[J].BMC Plant Biology，2010，10（1）：281.

[24] ZHENG Z，QAMAR S A，CHEN Z，et al.Arabidopsis WRKY33 transcription factor is required for resistance to necrotrophic fungal pathogens[J].The Plant Journal，2006，48（4）：592-605.

[25] CHEONG Y H，CHANG H S，GUPTA R，et al.Transcriptional profiling reveals novel interactions between wounding，pathogen，abiotic stress，and hormonal responses in Arabidopsis[J].Plant Physiology，2002，129（2）：661-677.

[26] JIANG Y，DEYHOLOS M K.Functional characterization of Arabidopsis NaCl-inducible WRKY25 and WRKY33 transcription factors in abiotic stresses[J].Plant Molecular Biology，2009，69（1/2）：91-105.

[27] LI S，FU Q，HUANG W，et al.Functional analysis of an Arabidopsis transcription factor WRKY25 in heat stress[J].Plant Cell Reports，2009，28（4）：683-693.

[28] LI S，FU Q，CHEN L，et al.Arabidopsis thaliana WRKY25，WRKY26，and WRKY33 coordinate induction of plant thermotolerance[J].Planta，2011，233（6）：1237-1252.

[29] JIANG W B，YU D Q.Arabidopsis WRKY2 transcription factor may be involved in osmotic stress response[J].Acta Botanica Yunnanica，2009，31（5）：427-432.

[30] REN X，CHEN Z，LIU Y，et al.ABO3，a WRKY transcription factor，mediates plant responses to abscisic acid and drought tolerance in Arabidopsis[J].The Plant Journal，2010，63（3）：417-429.

[31] SHANG Y，YAN L，LIU Z Q，et al.The Mgchelatase H subunit of Arabidopsis antagonizes a group of WRKY transcription repressors to relieve ABAresponsive genes of inhibition[J].The Plant Cell Online，2010，22（6）：1909-1935.

[32] CHEN H，LAI Z，SHI J，et al.Roles of Arabidopsis WRKY18，WRKY40 and WRKY60 transcription factors in plant responses to abscisic acid and abiotic stress[J].BMC Plant Biology，2010，10（1）：281.

[33] SUZUKI N，RIZHSKY L，LIANG H，et al.Enhanced tolerance to environmental stress in transgenic plants expressing the transcriptional coactivator multiprotein bridging factor 1c[J].Plant Physiology，2005，139（3）：1313-1322.

[34] BUSCH W，WUNDERLICH M，SCHFFL F.Identification of novel heat shock factor‐dependent genes and biochemical pathways in Arabidopsis thaliana[J].The Plant Journal，2005，41（1）：1-14.

[35] LI S，ZHOU X，CHEN L，et al.Functional characterization of Arabidopsis thaliana WRKY39 in heat stress[J].Molecules and Cells，2010，29（5）：475-483.

[36] ZOU C，JIANG W，YU D.Male gametophyte-specific WRKY34 transcription factor mediates cold sensitivity of mature pollen in Arabidopsis[J].Journal of Experimental Botany，2010，61（14）：3901-3914.

[37] ZHOU X，JIANG Y，YU D.WRKY22 transcription factor mediates dark-induced leaf senescence in Arabidopsis[J].Molecules and Cells，2011，31（4）：303-313.