WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育中的調(diào)控作用

張婷婷，田 云，盧向陽

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410128；2.湖南省農(nóng)業(yè)生物工程研究所，湖南 長沙410128）

WRKY轉(zhuǎn)錄因子是近年來在植物中發(fā)現(xiàn)的新的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，因其N端含有由WRKYGQK組成的保守氨基酸序列而得名。SPF1是第一個WRKY轉(zhuǎn)錄因子，由Ishiguro等[1］于1994年從白薯中得到。隨著研究的深入，相繼從煙草、擬南芥、水稻、堅果等植物中克隆到了更多WRKY轉(zhuǎn)錄因子。目前，又分別在葡萄和長春花中發(fā)現(xiàn)多達(dá)59個和47個WRKY轉(zhuǎn)錄因子[2－3］。WRKY轉(zhuǎn)錄因子與植物的各種生命進(jìn)程緊密相關(guān)，在植物抗逆、抗病、生長發(fā)育等方面均起著重要的調(diào)控作用[4］。

作者在此綜述了WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物種子萌發(fā)、根莖葉的發(fā)育、繁殖以及衰老等過程中的作用及機(jī)理。

1 WRKY轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)

WRKY轉(zhuǎn)錄因子由2部分組成：含WRKY結(jié)構(gòu)域的N端和含一個鋅指結(jié)構(gòu)域的C端[5］。其中，N端的WRKY結(jié)構(gòu)域能特異性識別下游靶基因的W－box域（含 TTGACC／T 序 列）。實 驗 證 明：W－box 是WRKY與DNA特異結(jié)合的最小共有序列，其核心序列是TGAC；改變核心序列TGAC中的任意一個堿基，WRKY的識別能力迅速降低甚至失去[4，6］。C端的鋅指結(jié)構(gòu)域主要有2種類型：C2－H2（C－X4－5－C－X22－23－H－X1－H）型 和 C2－HC（C－X7－C－X23－H－X1－C）型[5］。鋅指結(jié)構(gòu)的N端有2個胱氨酸殘基，C端有2個組氨酸殘基，這4個殘基在空間上形成一個洞穴，恰好容納1個鋅離子，由于鋅離子可穩(wěn)定模體重α－螺旋結(jié)構(gòu)，致使此α－螺旋能鑲嵌于DNA的大溝中，因此含鋅指結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)都能與DNA或RNA結(jié)合。

WRKY轉(zhuǎn)錄因子主要是通過特異性識別下游靶基因的W－box域或者通過調(diào)控靶基因的表達(dá)，來實現(xiàn)植物生長發(fā)育調(diào)控及各種生理應(yīng)答。

根據(jù)鋅指結(jié)構(gòu)域的類型，可以將WRKY轉(zhuǎn)錄因子分成3大類，見圖1。

第Ⅰ類WRKY轉(zhuǎn)錄因子有2個WRKY結(jié)構(gòu)域，其鋅指結(jié)構(gòu)域為 C2－H2型，包括 AtWRKY33、At－ZAP1、CsSE71、PcWRKY1和SPF1等轉(zhuǎn)錄因子；第Ⅱ類WRKY轉(zhuǎn)錄因子含有1個WRKY結(jié)構(gòu)域，其鋅指結(jié)構(gòu)域也為C2－H2型，包括AfABF2、AtWRKY1、AtWRKY17、AtWRKY18和PcWRKY3等轉(zhuǎn)錄因子；第Ⅲ類WRKY轉(zhuǎn)錄因子含1個WRKY結(jié)構(gòu)域，其鋅指 結(jié) 構(gòu) 域 為 C2－HC 型，包 括 AtWRKY53、At－WRKY70、NtWRKY3和NtWRKY4等轉(zhuǎn)錄因子。第Ⅲ類WRKY轉(zhuǎn)錄因子僅存在于高等植物體中，且?guī)缀跛羞@類轉(zhuǎn)錄因子都與生物脅迫應(yīng)答反應(yīng)相關(guān)，這也說明第Ⅲ類WRKY轉(zhuǎn)錄因子是植物在脅迫環(huán)境下通過適應(yīng)進(jìn)化產(chǎn)生的[7］。

圖1 WRKY轉(zhuǎn)錄因子的主要結(jié)構(gòu)類型Fig.1 Structure types of WRKY transcription factors

2 WRKY轉(zhuǎn)錄因子在植物生長發(fā)育中的調(diào)控作用

研究發(fā)現(xiàn)，WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族能在植物的眾多生理過程中起到至關(guān)重要的作用，并且眾多影響因子能對其進(jìn)行誘導(dǎo)。

表1 為部分與植物生長發(fā)育相關(guān)的WRKY轉(zhuǎn)錄因子。

2.1 在種子萌發(fā)中的調(diào)控作用

研究表明，WRKY轉(zhuǎn)錄因子對植物種子的形成、種子的萌發(fā)及胚胎發(fā)育等一系列生長發(fā)育過程具有調(diào)控作用。

種子萌發(fā)是指種子從吸脹開始的一系列有序的生理過程。在種子的萌發(fā)過程中，早期胚乳會擴(kuò)散形成胚囊或種子腔，之后胚乳將被胚胎取代，WRKY轉(zhuǎn)錄因子可通過招募SHB1觸發(fā)胚乳擴(kuò)散和種子腔的擴(kuò)大，從而影響種子的萌發(fā)[32］。

水稻 OsWRKY78 能夠調(diào)控種子的萌發(fā)[8］；Sc－WRKY1雖然在發(fā)育中的種子內(nèi)不表達(dá)，但在受精后的魚雷期胚胎中有強(qiáng)烈的瞬時表達(dá)，從而影響到植物體細(xì)胞或毛狀體的發(fā)育[9］。另外，一些 WRKY轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控種子萌發(fā)的過程中受到ABA的影響[33］：AtWRKY2基因調(diào)控ABA依賴型的種子萌發(fā)和萌發(fā)后的早期生長發(fā)育，其T－DNA插入突變株在種子萌發(fā)和萌發(fā)后的早期生長階段對ABA反應(yīng)是高敏感的[10］；在ABA存在條件下，小麥TaWRKY71基因過表達(dá)植株能夠提高種子萌發(fā)率，說明TaWRKY71基因能夠調(diào)控種子萌發(fā)[11］。

2.2 在植物根、莖、葉形成發(fā)育中的調(diào)控作用

研究發(fā)現(xiàn)，在植物根、莖、葉的形成發(fā)育方面，WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族起到了不可或缺的作用。

Ishida等[12］通過酵母單雜交實驗發(fā)現(xiàn)，TTG2轉(zhuǎn)錄因子在擬南芥根的形成中起重要作用：抑制TTG2在植株中的表達(dá)，導(dǎo)致根毛不能正常發(fā)育；AtWRKY75作為一個受病原菌誘導(dǎo)表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，主要調(diào)控側(cè)根和根毛的生長，不僅參與調(diào)控植物葉片的衰老過程，還調(diào)控植物根的生長發(fā)育過程[14］；At－WRKY68在嫩葉、根和老莢果中都有表達(dá)，其中在根中的表達(dá)量最高，實驗發(fā)現(xiàn)AtWRKY68可能參與生長素和溫度調(diào)控的植物形態(tài)建設(shè)及發(fā)育過程[15］；另外，植物生長素梯度對于維持根分生組織的活動至關(guān)重要，植物生長素的合成需要大量的黃酮醇，WRKY23在黃酮醇合成和根的生長過程中起重要作用[16］。

表1 與植物生長發(fā)育相關(guān)的WRKY轉(zhuǎn)錄因子Tab.1 WRKY Transcription factors related with plant growth and development

Zhang等[8］研究表明，OsWRKY78能夠調(diào)控莖的伸長：實時RT－PCR分析發(fā)現(xiàn)，OsWRKY78在伸長的莖中表達(dá)量最豐富，抑制OsWRKY78表達(dá)將導(dǎo)致植物中體細(xì)胞長度的縮短。

于延沖[17］研究發(fā)現(xiàn)，AtWRKY71能調(diào)控擬南芥的分枝發(fā)育。另外，某些與抗病能力相關(guān)的 WRKY轉(zhuǎn)錄因子也與植物生長發(fā)育密切相關(guān)，如棉花Gh－WRKY15基因編碼的WRKY轉(zhuǎn)錄因子不僅有助于植物抵抗病毒和真菌感染，還能影響植物莖的伸長[18］。

2.3 在植物繁殖過程中的調(diào)控作用

植物的有性繁殖包括花的發(fā)育、果實和種子的形成。

開花是植物生命周期中的關(guān)鍵步驟，WRKY轉(zhuǎn)錄因子主要的調(diào)控作用表現(xiàn)為影響植物開花時間，且這種調(diào)控可能主要通過影響開花相關(guān)基因（FLC、FT、SOC1和CO）和花分生組織特征基因（AP1、SEP3、AP3、PI和AG）的表達(dá)來實現(xiàn)的。

Yu等[19］研究證實，WRKY轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)控開花相關(guān)基因的表達(dá)：芒草MlWRKY12蛋白為一個核蛋白，屬于Ⅱ類WRKY轉(zhuǎn)錄因子，主要存在于維管束鞘和薄壁細(xì)胞中，其過表達(dá)植株出現(xiàn)提前開花的特性，定量RT－PCR分析發(fā)現(xiàn)MlWRKY12的過表達(dá)對CO的表達(dá)水平有顯著影響。

王芳秀等[20］研究表明，WRKY轉(zhuǎn)錄因子很可能通過調(diào)控花分生組織特征基因的表達(dá)來影響開花：過量表達(dá)WRKY25的轉(zhuǎn)基因擬南芥在長光照下比野生型植株提前開花，且AP1基因的表達(dá)量在培養(yǎng)21d和27d的WRKY25過表達(dá)植株中均有上調(diào)，由此推測WRKY25很可能通過增強(qiáng)AP1的表達(dá)來影響開花。

Luo等[21］研究證實，大豆GsWRKY20的表達(dá)株系在各種處理條件下都能比野生型株系提早開花，GsWRKY20加速植物開花可能主要是通過調(diào)控開花相關(guān)基因和花分生組織特征基因的表達(dá)來實現(xiàn)的。另有研究表明，AtWRKY71也能介導(dǎo)高鹽誘導(dǎo)下擬南芥的開花提前[17］。

種子是由胚珠經(jīng)過傳粉授精形成的。種子通常由種皮、胚和胚乳3部分構(gòu)成，少數(shù)植物的種子只有種皮和胚2部分。擬南芥種子的大小是由IKU路徑調(diào)節(jié)，它包括KU2和MINI3，其中由MINI3編碼的At－WRKY10 具 有 調(diào) 控 胚 乳 增 殖 的 功 能[22］；Johnson等[13］在擬南芥突變體中發(fā)現(xiàn)一種被Tag1內(nèi)源性轉(zhuǎn)座子標(biāo)記的TTG2基因，該基因表達(dá)的蛋白能影響種皮的生長發(fā)育進(jìn)程（即種子的形成）；擬南芥AtWRKY10（MINI3）和AtWRKY44（TTG2）基因能調(diào)控種皮的發(fā)育和種子的大小；麻瘋樹JcWRKY04基因（與MINI3和TTG2直接同源）在種子的早期發(fā)育中起調(diào)控作用[23］；玉米ZmWRKY116.2、－116.3 基因（與TTG2直接同源）編碼的WRKY蛋白能調(diào)控單寧酸產(chǎn)量和種皮發(fā)育[24］。

2.4 在植物衰老過程中的調(diào)控作用

衰老是植物生長發(fā)育中的一個過程，衰老過程涉及到很多轉(zhuǎn)錄因子和相關(guān)基因。其中植物特異性轉(zhuǎn)錄因子WRKY家族中的部分成員在這個過程中起到了至關(guān)重要的作用，包括單個 WRKY轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用以及WRKYs轉(zhuǎn)錄因子之間直接或間接的相互調(diào)控作用。

植物葉片的衰老過程受到衰老相關(guān)基因（SAGs）的調(diào)控。葉片衰老數(shù)據(jù)庫中SAGs候選基因的功能性分析顯示W(wǎng)RKY轉(zhuǎn)錄因子中的擬南芥AtWRKY75在葉片衰老過程中起正調(diào)控作用，AtWRKY75功能的缺失將延緩葉片衰老[34］；擬南芥中，AtWRKY6 和AtWRKY18都與葉片衰老有關(guān)[25－26］；通過對小麥旗葉衰老的芯片信息分析發(fā)現(xiàn)，WRKYs轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平有明顯上調(diào)，證明WRKY轉(zhuǎn)錄因子具有調(diào)控小麥旗葉衰老的功能[35］。

WRKY轉(zhuǎn)錄因子的植物生長發(fā)育調(diào)控能力和抗病能力之間存在著某些密切的聯(lián)系。Murray等[29］研究發(fā)現(xiàn)，AtWRKY53的缺失突變體更易受到感染，說明AtWRKY53是一個具有抗病性的調(diào)控因子；Miao等[30］研究表明，AtWRKY53具有加速葉片衰老的功能，在插入失活的AtWRKY53表達(dá)植株中，葉片衰老時間明顯延遲；AtWRKY70不但是病原防御轉(zhuǎn)錄因子，還是植株衰老的負(fù)調(diào)控因子，AtWRKY70的功能缺失將加速突變株衰老[31］。

WRKY轉(zhuǎn)錄因子對植物生長發(fā)育的調(diào)控還可以通過直接的相互作用或者形成網(wǎng)絡(luò)信號途徑來實現(xiàn)。擬南芥中，AtWRKY54和AtWRKY70負(fù)調(diào)控葉片的衰老，且表現(xiàn)出相互作用及部分功能冗余現(xiàn)象。酵母雙雜交實驗顯示，AtWRKY54、AtWRKY70 和At－WRKY53能夠單獨地與AtWRKY30發(fā)生相互作用，通過這些相互作用可以招募到更多其它相關(guān)蛋白參與衰老途徑，形成以AtWRKY30為中心的葉片的衰老調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[28］。之前的研究表明，擬南芥AtWRKY6與葉片衰老有關(guān)[25］，Zhou等[27］通過進(jìn)一步的實驗表明：AtWRKY22不僅能夠參與調(diào)控黑暗誘導(dǎo)的植物葉片細(xì)胞衰老過程，還可以分別與AtWRKY6、At－WRKY53和AtWRKY70相互調(diào)控。

3 展望

WRKY轉(zhuǎn)錄因子能夠參與植物的生長發(fā)育和生理進(jìn)程，并在這些過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但其中的眾多作用機(jī)理尚不明確。近期的研究發(fā)現(xiàn)，相關(guān)的WRKY轉(zhuǎn)錄因子不僅可以發(fā)生相互作用，還能構(gòu)建更為復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)調(diào)控植物生長發(fā)育等各方面的功能。確定WRKY轉(zhuǎn)錄因子之間、WRKY轉(zhuǎn)錄因子與其它蛋白之間的相互作用機(jī)理將進(jìn)一步闡述WRKY轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控模式和作用方式，有助于建立完善的 WRKY轉(zhuǎn)錄因子的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。同時，WRKY轉(zhuǎn)錄因子的抗病能力和調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育之間的關(guān)系也是一個研究熱點。今后的方向不僅僅是研究WRKY轉(zhuǎn)錄因子的功能多樣性，更多的是要探尋其調(diào)控植物生長發(fā)育過程的作用機(jī)理和模式。隨著基因?qū)W、生物信息學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等多學(xué)科的成熟，WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族對植物生長發(fā)育的作用機(jī)理將更加清晰。

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