水稻同源異形盒基因的研究進展

郝好　崔永濤　錢前　馬伯軍　胡興明（浙江師范大學，浙江　金華　3000；中國水稻研究所，杭州　30006；第一作者：dramionhao@63.com；通訊作者：qianqian88@hotmail.com）

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水稻同源異形盒基因的研究進展

郝好1，2崔永濤2錢前2*馬伯軍1胡興明2
（1浙江師范大學，浙江金華321000；2中國水稻研究所，杭州310006；第一作者：dramionhao@163.com；*通訊作者：qianqian188@hotmail.com）

摘要：真核生物中同源異形盒基因是指共含一個保守的DNA序列的基因，即同源異形盒。該序列長180bp，編碼含有60個左右氨基酸的同源異形盒結構域，編碼一大類具有轉錄特征蛋白的基因家族，對于維持生物個體形態建成、生殖發育、非生物脅迫等基本生命活動功能具有十分重要的作用。近年來在模式植物擬南芥、水稻上已經識別并克隆出越來越多的同源異形盒基因，并根據這些基因的同源異型框和具有的其他保守基因結構域對其進行了正確的分類。本文基于人們對植物中現有這些基因的認識，重點綜述了近年來對于水稻同源異型盒基因的分類、基因結構類比、各同源異型盒基因突變體功能，并對水稻中同源異形盒基因功能和應用研究進行了展望。

關鍵詞：同源異形盒；植物；水稻；分類

同源異型盒基因在真核生物中廣泛存在。在1894年，威廉·貝特森［1］用同源異形這個詞來定義一類生物變化：一個正常的身體組成部分，由于不正常的排列使得這部分變成了另外一個身體部位［2］：在一堆正常果蠅中，會發現有的果蠅的觸角變成了一對足。隨著果蠅遺傳學的發展，科學家們在果蠅第3染色體上發現了多個同源異型盒基因。隨后在1978-1980年間，劉易斯和考夫曼根據他們的實驗分析，初步定義了一系列關于雙胸復合物和觸角足突變復合物的同源異型盒基因［2］。1984年，科學家們紛紛報道了一系列的同源異型盒基因，這些實驗數據將該類基因定義為一段具有180 bp且高度保守的DNA序列。該類基因所編碼的蛋白質都具有60個相同的氨基酸，這60個氨基酸經折疊，加工形成1個結構域，我們稱之為同源異型盒結構域［3］。

自從果蠅同源異型盒基因Antp-1［4］被發現以來，科學家們在其他生物如海膽綱、線蟲、老鼠和人類中也相繼發現了同源異型盒基因。直到上世紀80年代末90年代初，對植物同源異型盒基因的研究才開始。植物同源異形盒基因涉及植物的個體發育，如擬南芥中影響胚胎發育的WUX基因，影響葉發育的Oshox33［5］基因能夠加速葉片的衰老，ZF-HD家族中OsZHD1［6］基因能夠影響葉片的彎曲。

水稻是全球重要的農作物，又是單子葉禾谷類的模式植物。因此，詳細的了解和掌握水稻的發育過程很有必要。本文基于目前人們對同源異形盒基因的認識，重點綜述了水稻同源異型盒基因的分類、基因結構類比、各同源異型盒基因突變體功能，并對水稻中同源異形盒基因功能和應用研究進行了展望。

1　亞家族分類、結構及突變體功能分析

隨著對同源異型盒基因研究的不斷深入，越來越多的同源異形盒基因被發現。因此，對其進行分類和全面正確認識這類基因功能顯然是十分重要的。總結這類基因的結構，發現幾乎所有的同源異型盒基因都具有一段保守的同源異形盒，即一段大約180 bp的堿基序列。這些堿基序列能夠編碼60個左右的氨基酸。大部分同源異形盒基因的兩端含有亮氨酸拉鏈和1個酸性激活域，能夠形成1個二聚體，并與1個特殊的靶序列結合，來調解特定的基因。

Bharathan［7］第一次根據同源異形盒基因序列之間的相似性與不同點將植物中同源結構域蛋白分為7類，分別是ZM -HOX、HAT1、HAT2、ATHB8、GL2、KNOX和BEL，其中，KNOX和BEL屬于TALE超級家族［8］。但是現在我們將除KNOX和BEL外的另5類基因命名為HD-ZIPⅠ、HD-ZIPⅡ、HD-ZIPⅢ和HD-ZIPⅣ［9］。

在20世紀90年代初，又有研究將KNOX分成了兩類，分別是KNOXⅠ和KNOXⅡ。到2009年，水稻中已有110個同源異形盒基因以及7個潛在基因被發現［10］。根據結構域的組成以及系統發育關系，有107個同源異型盒基因被相繼分類成10個亞家族：WOX、KNOXⅠ、KNOXⅡ、BELL、PHD、HD-ZIPⅠ、HD-ZIPⅡ、HD-ZIPⅢ、HD-ZIP、ZF-HD。

1.1HD-ZIP亞家族

HD-Zip家族是植物王國中特有的一類同源異形盒基因家族，其下共有48個成員［11］，是整個同源異型盒家族中最大的家族。根據HD-ZIP結構域保護下DNA結合的特異性、基因結構的不同、各類附加結構域以及各類亞家族具有的不同生理功能，可將這48個基因進一步分成HD-ZIPⅠ、HD-ZIPⅡ、HD-ZIPⅢ、HD-ZIP四類。又根據BLAST搜索mRNA和基因組水平，利用水稻日本晴全基因組數據庫和IRGSP數據對水稻HD-ZIP家族基因進行分類識別鑒定出14個HD-ZIPⅠ、14個HD-ZIPⅡ和5個HD-ZIPⅢ［11］，共33個基因被命名為Oshox1～Oshox33。

HD-ZIP家族具有獨有的結構域特點：1個亮氨酸拉鏈［4］結合在緊跟同源結構域蛋白的下游，構成1個特殊的二聚體（圖1）［12-16］。在真核生物中單獨的亮氨酸拉鏈結構域和單獨的同源結構域是十分普遍的，但是當兩者結合形成特定的二聚體則只有在植物中被發現。HD-ZIPⅢ和HD-ZIP兩個亞家族在其獨有的二聚體結構域基礎上都具有1個被稱為START的保守結構域（圖1）［17］。另外，HD-ZIPⅢ則在其C-端還具有1個稱為MEKHLA的結構域（圖1）［18-19］。

根據系統的序列分析能夠將HD-Zip家族分成4類，不同的家族成員當然具有不同的功能。近年來，對植物HD-Zip的研究發現，一些HD-ZipⅠ和Ⅱ的成員與生長素的信號轉導運輸相關［20-24］，且還同光信號的應答相關（包括植物的向光性［21，25-27］、苗期暗培養時自我調節等去黃化作用［28］、藍光信號轉導［29］）。對這2個亞家族進一步研究發現，HD-ZIPⅠ這類基因編碼轉錄因子且主要在一些非生物脅迫過程中對水稻不同組織和器官的調節起作用，如滲透壓、溫度、光照、干旱等。如今又發現，該類基因對植株的激素調節以及根的生長也有一定作用。擬南芥中有1個ATHB12［30］基因，其不同的表達量與植株ABA的敏感性有關。

HD-ZIPⅡ這類亞家族則普遍被光合作用部位的光照條件所調節，在避陰的情況下［31］，其在植物發育中的作用也與這個因素相關。HD-ZIPⅢ這個亞家族中的成員已被證實參與植物發育過程中相對較廣泛的領域，如REV、PHB、PHV和CNA調節頂端胚胎模式，胚芽分生組織形成，器官的極性發育，維管束發育，分生組織功能等［32-36］。基因分析更是揭示了一個復雜的重疊、拮抗、具有不同作用功能的模式，其中一些不易被系統發育關系或通過基因表達模式推斷［35］。HD-ZIPⅣ亞家族則被發現能夠決定細胞表層的命運，并且調解其內部的特殊性表達［37-48］。

圖1　水稻同源異形盒基因亞家族結構

關于水稻HD-ZIP家族的研究也由淺入深。一系列的實驗發現，水稻中該類基因與赤霉素、干旱鹽脅迫、細胞衰老相關。水稻Oshox4、Oshox6基因與抗旱能力相關，其中Oshox4（HD-ZIPⅠ）又與赤霉素相關。在水稻中過表達Oshox4能夠造成矮稈表型中的GA2ox3上調。該蛋白在調解赤霉素信號途徑中處于消極調解的作用［49］。對水稻另1個HD-ZIPⅠ基因Oshox22［50］在水稻ABA介導的干旱和鹽脅迫環境作用下的功能研究發現，水稻中Oshox22可被高鹽、ABA、聚二乙醇誘導而表達，但在寒冷環境下表達量下降。2013年又有研究者對中花11和日本晴兩種材料采用基因敲除方法，得到Oshox33［5］功能沉默轉基因植株，發現轉基因水稻葉片表現出加速衰老的特征。這又進一步證明了該類基因能夠控制相關細胞的衰老。

1.2WOX亞家族

WUX基因編碼的蛋白質可以在擬南芥和玉米的早期胚胎階段具有決定細胞命運的作用。根據系統發育分析，可將該家族分為古時、中間型、現代WUX三類［51］，但是在功能上卻沒有完全確立。2004年，Haecker等［52］基于全基因組檢索報道了14個擬南芥WOX基因，2009年Mukherjee等［10］又根據系統進化樹分析和上下游基序鑒別出16個擬南芥WOX基因，同時還發現，裸子植物、苔蘚等綠色植物當中具有WOX基因，甚至最簡單的單細胞綠藻中也有WOX家族的存在，但在衣藻中卻沒有。因此認為，在綠色植物的共同祖先中就存在WOX基因，而在動植物進化分離后的衣藻中WOX就消失了。2014年，Liu等［53］首次對木本植物大葉楊樹中的18個WOX基因進行研究發現，其在分生組織細胞調節過程中的作用與擬南芥中的WOXs基因不同源。但水稻WOX基因與擬南芥中WOX成員之間具有很強的同源性，且數目與之相同。

WOX基因除了在HD結構域的下游具有1個WUX結構域（圖1）外，其中識別DNA核心的基序互有不同。且植物WUX結構與動物HOX相比在其高度保守的結構域中多了2個擴展的封閉環狀結構［52］。且具有1個或2個多余的殘基在螺旋1和螺旋2之間（在螺旋2和螺旋3之間也有4～5個殘基存在）這也能夠將WUX類基因歸到非典型的HD當中［54］。

WOX基因在干細胞維護［54］、胚胎模式形成［52］、側生器官的發育中都起到了至關重要的作用［55］。水稻YAB3基因是1個在葉子發育過程中的管家基因，1個水稻WOX3基因能夠抑制YAB3基因的表達，且編碼1個YAB3基因的轉錄抑制子。即在水稻葉發育構成中WOX3基因具有抑制葉片生長的作用［56］。

OsWOX3A蛋白在葉片和葉鞘的大小維管束鞘（尤其是韌皮組織）、莖基部以及根的維管柱中表達。NAL2編碼相同的OsWOX3A轉錄激活因子。nal2/3雙突變體中一些葉發育相關基因的表達水平發生變化，造成葉片上卷，葉片大葉脈數目減少，細小葉脈減少到野生型的一半，葉緣鋸齒減少，葉舌、葉耳、葉鞘和莖都變得窄而細，內外稃寬度減少，生長素轉運相關基因也發生變化，導致出現類似pin突變體分蘗增多、側根減少。因此，OsWOX3A對水稻多個器官的發育起重要作用［57］。

2014年，梁婉琪通過對水稻突變體dwt1的研究，發現WOX類基因DWT1（DWARF TILLER1）在突變后能夠導致水稻分蘗節間不同程度的縮短，引起分蘗矮化、穗小，但主莖高度和正常野生型相同且穗變大，且同野生型相比其細胞的生長也受到了抑制。DWT1可能通過影響一個未知的信號分子在穗部合成或運輸，來調節穗下莖節中細胞分裂素的平衡以及莖節對赤霉素的反應能力，且對外援赤霉素的作用不敏感，在分蘗穗中的表達水平顯著高于主莖，造成主莖和分蘗高度差異。該研究首次報道了水稻中的頂端優勢現象，且從分子水平上揭示DWT1的作用機理，可以說WOX家族在頂端優勢中也具有重要作用［58］。

1.3KNOX亞家族

1941年在玉米中發現了基因Knotted-1［59］，該基因在1989年被Hake克隆［60］，并于1991年被確定為是同源異形盒基因的一員［59］。此后，研究植物的同源異形盒基因成為熱門，開啟了植物同源異型盒基因的黃金時代。

20世紀90年代初期，KNOX家族根據其HD結構域的序列相似性、基因內含子的位置、表達模式、進化分析［61］，被分成KNOXⅠ和KNOXⅡ兩類。由于KNOX家族基因在2個螺旋（1和2）間具有額外的3個氨基酸殘基，又將其與BEL家族一起歸入TALE超家族的一員。KNOX類似基因具有KNOX結構域，但在其中間又插入了約至少有100個氨基酸左右的內含子區將KNOX結構域分成1、2兩部分［8］。根據Smith對HD蛋白如何結合DNA以及BREVIPEDICELLUS和PENNYWISE基因互作的研究表明，KNOX與BEL能夠互作（圖1-B）［62］。這兩種轉錄因子的不同組合能夠調節不同的下游基因來完成其在植物體內的重要作用［63］。作為非典型同源異型盒基因的一員，KNOX還具有與人類MEIS（myeloid ecotropic viral integration site）相似的N-端保守序列。因此，在另1個TALE亞家族MEIS被發現后，將其命名為MEINOX結構域。在KNOX結構域和ELK結構域之間還有1個小的保守原件GSE盒（圖1）［8］。

如今知道，Knotted-1是玉米KNOX家族中的一員。Kn-1作為顯性突變體，能夠直接影響玉米形態，使其葉片維管束組織迅速擴增，葉側脈細胞分化異常，這種突變是由轉座子插入造成［64］。但KNOXⅠ只在分生組織和非橫向器官的原基處表達，KNOXⅡ較KNOXⅠ具有更多不同的表達模式，在植物組織中都表達，兩類基因都參與分生組織的維護和器官特定模式的發生［65］。

關于水稻的同源異型盒基因不得不說OSH1。1993年，日本學者Yuriko［66］將OSH1的cDNA導入煙草，發現該基因造成煙草葉片皺縮，屬輕度的形態變化，而中間型則具有細長的莖稈和葉片，老葉又表現出和輕度形態變化相似的皺葉。最嚴重的表型具有矮稈且腋生的芽發育成植物莖的雙重形態變異，且其在花瓣的發育過程中也使植株發生了不小的變異。到1996年，Sato［67］發現，OSH1在授粉3 d后受精卵呈球形后期階段時就已經表達，而當與1個水稻不能發育器官的胚胎突變體orl1進行比較發現，該突變體缺乏胚胎器官，但OSH1基因的表達模式與野生型一樣。隨后對一系列KNOX基因的研究也相繼開始。Oskn2和Oskn3屬于KNOX家族，同OSH1（Oskn1）一樣在合子早期胚胎中就存在，能夠調節SAM的形成［68］。而Oskn2的表達模式還顯示了它在子葉、外胚層發育中也具有重要作用。Oskn3則顯示其對于器官分化位置具有決定性作用，能夠作為不同器官形成后SAM形成的標識。1999年，Oscar［68］發現，Oskn2在營養生長中對煙草具有輕微的形態變異影響，但在生殖生長期則影響較為嚴重；Oskn3則是在煙草的營養生長期就具有嚴重的表型變異影響。

近年有關KNOX基因的研究主要集中在KNOX調控途徑和下游應答，從分子遺傳途徑更好的揭示KNOX在植物生長發育中的作用。2010年Park［69］獲得了1個新的等位基因OSH6-Ds。轉基因結果表明，營養生長階段，純合osh6-ds突變體與轉OSH6野生型水稻相比沒有任何異常，但進入生殖生長階段，突變體長出1片多余的苞葉或畸形葉，這與轉OSH6基因水稻的表型葉片中脈區域異化成葉鞘有明顯的不同。修飾后的OSH6 mRNA的異位表達能夠影響突變體的表型-縮短穗頸節的形成。此外，在ds-osh6突變體中異位表達OSH6 mRNA能夠改變葉組織中其他同源異型盒基因，甚至包括OSH15的表達。

這些結果表明，OSH6 mRNA影響器官橫向生長以及通過影響特定基因的表達來調控發育。不僅如此，KNOX同源異型盒基因對維持培養細胞處在未分化狀態也具有重要作用。分別以KNOX家族I類的同源異型基因OSH1、OSH16、OSH15、OSH71為研究對象，日本學者Ito［70］于2001年構建了轉基因愈傷組織，發現這些基因的組成和異位表達能夠抑制轉基因愈傷組織的正常再生，使得愈傷只是停留在莖端的再生階段不斷生長。轉基因愈傷轉入再生培養基之后開始有分化標識的綠點出現，但是大部分轉化體只能停留在這一階段，持續不斷的繁殖綠點。因此，KNOXI家族對處于待定的分生階段的細胞的形成和維持有重要作用。

1.4BEL亞家族

早在3億年前就至少有1種類BEL1基因存在于植物中，而到了1.5～2.0億年前在雙子葉和單子葉植物中就至少存在2種類BEL1基因。MEL-BEL1-MELBEL4［71］則是第一個從非開花裸子植物顯擺買麻藤中發現的BEL基因，在此之前BEL基因被認為只在開花植物中被發現。而該基因的報道讓BEL家族的分類進一步發展，分成5個亞家族：BEL1（擬南芥）、MDH1（蘋果）、JUBEL1（大麥）、MELBEL1（買麻藤）和其他擬南芥類BEL1蛋白。不僅如此，KNOX基因和MEIS基因的同源性以及BEL基因和KNOX之間較為活躍的互作關系顯示BEL基因家族同KNOX一樣，屬于TALE超家族中的一員，其在螺旋1和螺旋2之間具有額外的3個氨基酸。且BEL結構域具有2個α-螺旋，KNOX、MEIS、PBC則是只在第二部分結構域中有1個α-螺旋，由此可見其在功能上具有一致性。可以說與MEINOX，一個遠古的上游結構域直系同源［71］，這也是BEL能夠同KNOX互作的原因之一。

自2008年以來，根據位于HD結構域上游［71-72］獨特且保守的SKY和BEL結構域，已有13個水稻BEL基因被識別。同時，除這兩個保守結構域，BELL還具有1個位于N端的VSLTLGL結構域［73］。而根據Mukherjee等［10］的研究結果顯示，在BELL家族的N端和C端都具有1個ZIBEL結構域，而該結構域在ZIP-HDⅡ的N端同樣存在（圖1）。

有關BELL家族的功能就要從其與KNOX家族的互作開始。不同的KNOX選擇性的與BELL結合，形成KNOX-BELL異二聚體，從而特異性的與特定的目標序列結合。由此可推斷，這兩種轉錄因子的不同組合能夠調節不同的下游基因來完成其在植物體內的作用［62-63］。2004年就報道了BEL和KNOX的二聚體StBEL5/ POTH1能夠抑制GA生化途徑中的關鍵酶基因ga20ox1的表達［74］。

類BEL1同源異型盒基因和其他同源異型盒基因一樣都編碼植物中一類特殊的轉錄因子，且一些BEL1類似基因還參與花卵細胞胚珠的發育。擬南芥Bell1 （Bel1）基因在擬南芥胚珠早期發育過程中有所表達，但在大孢子母細胞，具功能的胚囊和雌配子體中不表達［75］。

矮稈基因VAMANA是擬南芥BELL基因家族的一員，其能夠與SHOOTMERISEMLESS（STM）、BREVIPEDICELLS（BP）、KNAT6（K6）互作，影響擬南芥花序及葉片生長，導致其嚴重的矮稈表型，出現莖生葉和成簇花序表型，且其異二聚體具有較單一van-1突變更嚴重的表型［76］。

類似擬南芥中的KNOX和BELL組成同源或異源二聚體的組合，選擇特定目標對下游基因進行調節的模式，在水稻中也是同樣如此。OsWUS和OsPRS是水稻WUS家族的成員，OSH15是水稻KNOX家族成員，OsBELL是水稻BELL家族成員。OSH15和OsBELL又同屬于TALE超家族，OsWUS和OsPRS、OSH15和Os－BELL分別能夠相互組合形成不同的同源、異源二聚體進而影響下游基因的表達。但是OsWUS和OsPRS不能和TALE家族的OSH15和OsBELL結合，反過來也是一樣，這與兩個成員間的序列相似性有直接關系［77］。

BELL家族與抗病性也有一點的聯系。OsBIHD1是水稻第3染色體上1個單拷貝基因，屬于水稻BELL家族的一員，能夠與TGTCA順式作用元件結合，可被BTH激活表達。除此以外，還能夠在接種稻瘟病菌6小時后迅速表達。因此，該基因參與水稻抗病性的應激反應，而上調OsBHD1能夠使水稻具有抗病性［73］。

1.5ZF-HD亞家族

1994年，Bürglins［78］將一類具有zinc-finger結構域統稱為ZF。這類蛋白都具有一個保守的“Zinc-finge”結構域。“Zinc-finge”是一類由半胱氨酸/組氨酸結合鋅離子的局部多肽結構［79］。根據鋅離子結合氨基酸的不同組合排列能夠將“zinc-finger”進行分類：TFⅢA、GATA、LIM、RING、WRKY、Dof。而具有2個保守結構域（zincfinger和homeodomain）的蛋白，又將其稱之為ZF-HD （zinc-finger homeodomain）。2009年，Mukherjee［10］為了區分動物和植物的不同ZF-HD，因此又將植物的ZFHD蛋白重命名為PLINC（Plant zinc-finger homeodomain）（圖1），而這類基因是陸生植物所特有的［80］。

根據SMART和PFAM數據庫檢索，能識別出15個水稻PLINC基因［80］。大部分這類蛋白的F49殘基被甲硫氨酸殘基取代，并在第一、第二2個螺旋之間有1個氨基酸殘基的插入。但水稻的LOC_03g50920［10］是一個例外。

關于PLINC基因的表達是需要干旱、高鹽和脫落酸的誘導的。微陣列分析轉基因植物基因過表達PLINC結果顯示，幾個脅迫誘導基因上調，這些轉基因植物表現出強烈的耐旱表型［81］。PLINC基因轉錄的蛋白作為轉錄因子，能夠參與蛋白質互作和DNA結合。從而進行對下游的基因或蛋白進行調控。許多蛋白參與調控重要的生理過程，這在植物中是獨一無二的。例如花的生長發育、光調解形態發生和抗病防御。最近研究發現，OsZHD1在水稻形態發生中起著重要的作用，尤其是在泡狀細胞的形成和分布過程中起到了至關重要的作用，該基因能夠調控水稻葉型［6］。

圖2　PHD-finger蛋白結構［82-83-89］

1.6PHD亞家族

1993年，Schindler［82］在擬南芥中發現了一種蛋白，能夠同DNA基序結合，并將其命名為HAT3.1。經研究發現，該蛋白同當時已發現的植物同源異型盒基因不同，以一種在擬南芥所有已發現的同源異型盒中獨一無二的方式存在：它不具有亮氨酸拉鏈結構。不僅如此，HAT3.1與玉米同源域蛋白Zmhox1a有大量的序列是同源的。而在這保守的結構域中，發現有8個半胱氨酸和組氨酸殘基的結構可與金屬結合（圖2-a）。因此，Schindler將這類蛋白基序命名為PHD（plant homeodomain-finger）。

如今，我們知道PHD-finger蛋白是一類廣泛存在于真核生物［83］，對基因轉錄和染色質狀態調控方面有重要作用的鋅指蛋白。根據SMART和PFAM等數據庫檢索分析，鑒定出了擬南芥共有70個蛋白，這些蛋白長度在40～60個氨基酸不等，其中與鋅離子結合的7個半胱氨酸和1個組氨酸殘基非常保守，涉及到了結構域的穩定性［84］。

而在水稻中，已認定的則只有2個基因屬于PHD的亞家族，分別是Os02g05450［85］和Os06g12400［86］。值得注意的是，這類基因和HD-ZIP的二聚體結構域一樣只在植物中被發現。該類基因在HD結構域上游的N端具有1個PHD-Finger結構域。該結構域包括1個Cys4-His-Cys3類型的鋅指蛋白［87-88］。

1993年發現的HAT3蛋白是從DNA基序中分離得到的，因此推測HAT3是一個能夠與DNA綁定結合進而調解DNA轉錄相關的蛋白（圖2-a）［82］。而進一步研究表明，該類蛋白能夠通過PHD-finger中的LOOP2（圖2-b）結構環綁定核酸蛋白質之后利用LOOP1來激活轉錄［83］，從而起到轉錄激活或者轉錄抑制的作用［82］。

然而以上結論只是籠統的概述了PHD-finger結構（圖2-c）是通過何種方式來開展它的工作，對于其具體的功能，比如它是如何調節植物的生長發育的、它主要作用于植物的什么部位，或者該類蛋白的具體功能是什么卻尚未可知。為了了解其具體所具有的功能，通過已知信息了解到，PHD-finger所具有的Zn2+結合結構域同RING結構域極其相似［90］。而RING結構域是體內泛素途徑中結合E2連接酶的關鍵，能夠調節體內泛素化。因此推斷PHD -finger蛋白可能也能夠如RING結構域一樣具有某種普遍的功能來調解某一類型的活動［83］。

水稻PHD基因HAZ1［91］定位于6號染色體的短臂。研究者將其cDNA從3DAP的球狀胚中克隆得到。且根據數據分析發現，HAZ1同玉米的Zmhox1a基因具有52%的相似性。同Zmhox1a相比，過表達HAZ1基因并不會使水稻或者煙草發生形態學上的變異。但值得注意的是，原位雜交結果顯示，HAZ1在3DAP球狀胚階段高表達，且外胚層表達量明顯高于內胚層表達量。到了4、5 DAP階段HAZ則集中在胚胎腹側表達。這些結構都表明，HAZ1的表達時間較胚胎的形態學發生時期更為靠前，能夠起到標示內外胚層以及胚胎腹側位置的作用。

2　研究展望

同源異型盒基因對水稻個體的整個發育過程都起到了極其重要的作用，這些基因的發現為揭示水稻個體發育、環境應激、胚胎發育等提供了重要的理論基礎。同時，作為一個保守程度足夠高的基因家族，對水稻生物的進化研究奠定了基礎。近年來越來越多的同源異盒型基因被發現，其功能也一一被揭示，人們也能夠運用更多該基因家族的基因來調控水稻的發育和環境應激反應，為水稻的遺傳育種奠定一定的物質基礎。

參考文獻

［2］Mcginnis W.A century of homeosis，a decade of homeoboxes［J］.Genetics，1994，137（3）：607-611.

［3］Mcginnis W，Levine M S，Hafen E，et al.A conserved DNA sequence in homoeotic genes of the drosophila antennapedia and bithorax complexes［J］.Nature，1984，308：428-433

［4］Ruberti I，Sessa G，Lucchetti S，et al.A novel class of plant proteins containing a homeodomain with a closely linked leucine zipper motif.［J］.Embo J，1991，10：1787-1791

［5］Luan W J，Shen A，Jin Z P，et al.Knockdown of OsHox33，a member of the class III homeodomain-leucine zipper gene family，accelerates leaf senescence in rice［J］.Sci China Life Sci，2013，56（12）：1 113-1 123.

［6］Xu Y，Wang Y H，Long Q Z，et al.Overexpression of OsZHD1，a zinc finger homeodomain class homeobox transcription factor，induces abaxially curled and drooping leaf in rice［J］.Planta，2014，239（4）：803-816.

［7］Bharathan G，Janssen B J，Sinha N.Did homeodomain proteins duplicate before the origin of angiosperms，fungi，and metazoan？［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1997，94：13 749-13 753.

［8］Bürglin T R.Analysis of TALE superclass homeobox genes（MEIS，PBC，KNOX，Iroquois，TGIF）reveals a novel domain conserved between plants and animals［J］.Nucleic Acids Res，1997，25：4 173 -4 180.

［9］Sakakibara K，Nishiyama T，Kato M，et al.Isolation of homeodomain-leucine zipper genes from the moss Physcomitrella patens and the evolution of homeodomain -leucine zipper genes in land plants［J］.Mol Biol Evol，2001，8（4）：491-502.

［10］Mukherjee K，Brocchieri L，Bürglin T R.A comprehensive classification and evolutionary analysis of plant homeobox genes［J］.Mol Biol Evol，2009，26（12）：2 775-2 794.

［11］Agalou A，Purwantomo S，vern..s E，et al.A genome-wide survey of HD-Zip genes in rice and analysis of drought -responsive family members［J］.Plant Mol Biol，2008，66（1-2）：87-103.

［12］Sessa G，Morelli G，Ruberti I.The Athb-1 and -2 HD-Zip domains homodimerize，forming complexes of different DNA binding specifcities［J］.Embo J，1993，12：3 507-3 517.

［13］Sessa G，Steindler C，Morelli G，et al.The Arabidopsis Athb-8，-9 and-14 genes are members of a small gene family coding for highly related HD-ZIP proteins［J］.Plant Mol Bio，1998，38（4）：609-622.

［14］Phillips J，Frank W，Salamini F，et al.Two dehydratio- ninducible transcripts from the resurrection plant Craterostigma plantagineum encode interacting homeodomain-leucine zipper proteins［J］.Plant J，1998，15：413-421.

［15］Meijer A H，De Kam R J，D'erfurth I，et al.HD-Zip proteins of families I and II from rice：interactions and functional properties［J］.Mol Gen Genet，2000，263（1）：12-21.

［16］Johannesson H，Wang Y，Engstr..m P.DNA-binding and dimerization preferences of Arabidopsis homeodomain-leucine zipper transcription factors in vitro［J］.Plant Mol Biol，2001，45（1）：63-73.

［17］Ponting C P，Aravind L.START：a lipid binding domain in STAR，HD-ZIP and signalling proteins［J］.Trends Biochem Sci，1999，24 （4）：130-132.

［18］Mukherjee K，Bürglin T.MEKHLA，a novel domain with similarity to PAS domains，is fused to plant homeodomain-leucine zipper III proteins［J］.Plant Physiol，2006，140（4）：1 142-1 150.

［19］Chandler..J W，Cole M，Flier A，et.a.l.The AP2 tran- scription factors DORNRSCHEN and DORNRSCHEN -LIKE redun - dantly control Arabidopsis embryo patterning via interaction with PHAVOLUTA［J］.Development，2007，134：1 653-1 662

［20］Komamine A，Kawahara R，Fukuda H.Isolation and charac- terization of homeobox-containing genes of carrot［J］.Plant Mol Biol，1995，27：155-164.

［21］Steindler C，Matteucci A，Sessa G，et al.Shade avoidance responses are mediated by the ATHB-2 HD-Zip protein，a negative regulator of gene expression［J］.Development，1999，126（19）：4 235-4 245.

［22］Ruberti I，Morelli G.Light and shade in the photocontrol of Arabidopsis growth［J］.Trends Plant Sci，2002，7：399-404.

［23］Sawa S，Ohgishi M，Goda H，et al.The HAT2 gene，a member of the HD-zip gene family，isolated as an auxin inducible gene by DNA mi－croarray screening，affects auxin response in Arabidopsis［J］.Plant Cell Physiol，2002，32：1 011-1 022.

［24］Scarpella E，Boot K J M，Rueb S，et al.The procambium specification gene Oshox1 promotes polar auxin transport capacity and reduces its sensitivity toward inhibition［J］.Plant Physiol，2002，130 （3）：1349-1360.

［25］Carabelli M，Sessa G，Baima S，et al.The Arabidopsis Athb-2 and -4 genes are strongly regulated by far-red-rich light［J］.Plant J，1993，4：469-479.

［26］Carabelli M，Morelli G，Whitelam G，et al.Twilight-zone and canopy shade induction of the Athb-2 homeobox gene in green plants［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，1996，93（8）：3 530-3 535.

［27］Schena M，Lloyd A M，Davis R W.The HAT4 gene of Arabidopsis encodes a developmental regulator［J］.Genes Dev，2001，7：367-379.

［28］Aoyama T，Dong C H，Wu Y，et al.Ectopic expression of the arabidopsis transcriptional activator Athb-1 alters leaf cell fate in tobacco［J］.Plant cell，1995，7（11）：1 773-1 785.

［29］Wang Y，Henriksson E，Sderman E，et al.The Arabidopsis homeobox gene，ATHB16，regulates leaf development and the sensitivity to photoperiod in Arabidopsis［J］.Dev Biol，2003，264（1）：228-239.

［30］Son O，Hur Y S，Kim Y K，et al.ATHB12，an ABA-inducible homeodomain-leucine zipper（HD-Zip）protein of Arabidopsis，negatively regulates the growth of the inflorescence stem by decreasing the expression of a gibberellin 20-oxidase gene［J］.Plant Cell Physiol，2010，51（9）：1537-1547.

［31］Ariel F D，Manavella P A，Dezar C A，et al.The true story of the HDZip family［J］.Trends Plant Sci，2007，12（9）：419-426.

［32］Ratcliffe O J，Riechmann J L，Zhang J Z.INTERFASCICULAR FIBERLESS1 is the same gene as REVOLUTA［J］.Plant cell，2000，12：315-317.

［33］Mcconnell J R，Emery J，Eshed Y，et al.Role of PHABULOSA and PHAVOLUTA in determining radial patterning in shoots［J］.Nature，2001，411（6 838）：709-713.

［34］Green K A，Prigge M J，Katzman R B，et al.CORONA，a member of the class III homeodomain leucine zipper gene family in arabidopsis，regulates stem cell specification and organogenesis［J］.Plant cell，2005，17（3）：691-704.

［35］Prigge M J，Otsuga D，Alonso J M，et al.Class III homeodomainleucine zipper gene family members have overlapping，antagonistic，and distinct roles in Arabidopsis development［J］.Plant cell，2005，17 （1）：61-76.

［36］Byrne M E.Shoot meristem function and leaf polarity：The role of class IIIHD-ZIP genes［J］.PloS Genet，2006，2（6）：785-790.

［37］Hülskamp M，Misa S，Jurgens G.Genetic dissection of trichome cell development in Arabidopsis［J］.Cell，1994，76：555-566.

［38］Rerie W G，Feldmann K A，Marks M D.The GLABRA2 gene encodes a homeo domain protein required for normal trichome development in Arabidopsis［J］.Genes Dev.1994，8：1 388-1 399.

［39］Di Cristina M，Sessa G，Dolan L，et al.The Arabidopsis Athb-10 （GLABRA2）is an HD-Zip protein required for regulation of root hair development［J］.Plant J，1996，10（3）：393-402.

［40］Lu P Z，Porat R，Nadeau J A，et al.Identification of a meristem L1 layer-specific gene in Arabidopsis that is expressed during embryonic pattern formation and defines a new class of homeobox genes［J］.Plant cell，1996，8（12）：2 155-2 168.

［41］Masucci J D，Rerie W G，Foreman D R，et al.The homeobox gene GLABRA2 is required for position-dependent cell differentiation in the root epidermis of Arabidopsis thaliana［J］.Development，1996，122：1 253-1 260.

［42］Ito M，Sentoku N，Nishimura A，et al.Position dependent expression of GL2-type homeobox gene，Roc1：significance for protoderm differentiation and radial pattern formation in early rice embryogenesis ［J］.Plant J，2002，29（4）：497-507.

［43］Ohashi Y，Oka A，Ruberti I，et al.Entopically additive expression of GLABRA2 alters the frequency and spacing of trichome initiation［J］.Plant J，2002，29（3）：359-369.

［44］Yang J Y，Chung M C，Tu C Y，et al.OSTF1：A HD-GL2 family homeobox gene is developmentally regulated during early embryogenesis in rice［J］.Plant Cell Physiol，2002，43（6）：628-638.

［45］Abe M，Katsumata H，Komeda Y，et al.Regulation of shoot epidermal cell differentiation by a pair of homeodomain proteins in Arabidopsis［J］.Development，2003，130（4）：635-643.

［46］Schrick K，Nguyen D，Karlowsk W M，et al.START lipid/sterolbinding domains are amplified in plants and are predominantly associated with homeodomain transcription factors［J］.Genome Biol，2004，5（6）：R41.

［47］Khaled A S，Vernoud V，Ingram G C，et al.Engrailed-ZmOCL1 fusions cause a transient reduction of kernel size in maize［J］.Plant Mol Biol，2005，58（1）：123-139

［48］Nakamura M，Katsumata H，Abe M，et al.Characterization of the class IV homeodomain-leucine zipper gene family in Arabidopsis［J］.Plant Physiol，2006，141（4）：1363-1375.

［49］Dai M Q，Hu Y F，Ma Q，et al.Functional analysis of rice HOMEOBOX4（Oshox4）gene reveals a negative function in gibberellin responses［J］.Plant Mol Biol，2008，66（3）：289-301.

［50］Zhang S，Haider I，Kohlen W，et al.Function of the HD-Zip I gene Oshox22 in ABA-mediated drought and salt tolerances in rice［J］.Plant Mol Biol，2012，80（6）：571-585

［51］Lin H，Niu L F，Mchale N A，et al.Evolutionarily conserved repressive activity of WOX proteins mediates leaf blade outgrowth and floral organ development in plants［J］.PNAS，2013，110（1）：366-371.

［52］Haecker A，Hardt R，Geiges B，et al.Expression dynamics of WOX genes mark cell fate decisions during early embryonic patterning in Arabidopsis thaliana［J］.Development，2004，131（3）：657-668.

［53］Liu B，Wang L，Zhang J，et al.WUSCHEL-related Homeobox genes in Populus tomentosa：diversified expression patterns and a functional similarity in adventitious root formation［J］.BMC Genomics，2014，doi：10.1186/1471-2164-15-296.

［54］Kamiya N，Nagasaki H，Morikami A，et al.Isolation and characterization of a rice WUSCHEL-type homeobox gene that is specifically expressed in the central cells of a quiescent center in the root apical meristem［J］.Plant J，2003，35：429-441.

［85］Pérez -Rodríguez P，Riao -Pachón D M，Corrêa L G G，et al.PlnTFDB：updated content and new features of the plant transcription factor database［EB/OL］.［2009-9-13］.Http：//Plntfdb.Bio.Uni-Potsdam.De/V3.0/Gene_Details.Php？Sp_Id=Osaj&Pep_Id=Loc_Os 02g05450.1.

［86］Pérez -Rodríguez P，Riao -Pachón D M，Corrêa L G G，et al.PlnTFDB：updated content and new features of the plant transcription factor database［EB/OL］.［2009-9-13］.http：//plntfdb.bio.unipotsdam.de/v3.0/gene_details.php？sp_id=OSAJ&pep_id=LOC_Os 06g12400.1.

［55］Graaff E Van Der，Laux T，Rensing S A.The WUS homeobox-containing（WOX）protein family［J］.Genome Biol，2009，10（12）：248.

［56］Dai M，Hu Y，Zhao Y，et al.A WUSCHEL-LIKE HOMEOBOX gene represses a YABBY gene expression required for rice leaf development［J］.Plant Physiol，2007，144（1）：380-390.

［57］Cho S H，Yoo S C，Zhang H T，et al.The rice narrow leaf 2 and narrow leaf 3 loci encode WUSCHEL -related homeobox 3A（Os－WOX3A）and function in leaf，spikelet，tiller and lateral root development［J］.New Phytol，2013，198（4）：1 071-1 084.

［58］Wang W F，Li G，Zhao J，et al.DWARF TILLER1，a WUSCHELRelated Homeobox Transcription Factor，Is Required for Tiller Growth in Rice［J］.PloS Genet，2014，10（3）：e1004154.

［59］Vollbrecht E，Veit B，Sinha N，et al.The developmental gene Knotted-1 is a member of a maize homeobox gene family［J］.Nature，1991，350：241-243.

［60］Hake S，Vollbrecht E，Freeling M.Cloning Knotted，the dominant morphological mutant in maize using Ds2 as a transposon tag［J］.Embo J，1989，8（1）：15-22.

［61］Reiser L，Baracaldo P S，Hake S.Knots in the family tree：evolutionary relationships and functions of knox homeobox genes［J］.Plant Mol Biol，2000，42（1）：151-166..

［62］Smith H M S，Hake S.The interaction of two homeobox genes，BREVIPEDICELLUS and PENNYWISE，regulates internode patterning in the Arabidopsis inflorescence［J］.Plant cell，2003，15（8）：1 717 -1 727.

［63］Smith H M S，Boschke I，Hake S.Selective interaction of plant homeodomain proteins mediates high DNA-binding affinity［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2002，99（14）：9 579-9 584.

［64］魯旭東，盛繼群.玉米的同源異形（Homeobox）基因家族［J］.農業與技術，1998（2）：49-53.

［65］Hake S，Smith H M S，Holtan H，et al.The role of knox genes in plant development［J］.Annu Rev Cell Dev Biol，2004，20：125-151.

［66］Kano-Murakami Y，Yanai T，Tagiri A，et al.A rice homeotic gene，OSH1，causes unusual phenotypes in transgenic tobacco［J］.FEBS letters，1993，334（3）：365-373.

［67］Sato Y，Hong S K，Tagiri A，et al.A rice homeobox gene，OSH1，is expressed before organ differentiation in a specific region during early embryogenesis［J］.Proc Natl Acad Sci USA，1996，93（15）：8 117-8 122.

［68］Postma-Haarsma A D，Verwoert I I G S，Stronk O P，et al.Characterization of the KNOX class homeobox genes Oskn2 and Oskn3 identified in a collection of cDNA libraries covering the early stages of rice embryogenesis［J］.Plant Mol Biol，1999，39（2）：257-271.

［69］Park S H，Yun D W，Lee G S，et al.Molecular and genetic characterization of OSH6（Oryza sativa Homeobox 6）using dissociation（Ds）insertion mutant rice［J］.Afr J Biotechnol，2011，10（10）：1802-1811

［70］Ito Y，Eiguchi M，Kurata N.KNOX homeobox genes are sufficient in maintaining cultured cells in an undifferentiated state in rice［J］.Genesis，2001，30（4）：231-238

［71］Becker A，Bey M，Bürglin T，et al.Ancestry and diversity of BEL1-like homeobox genes revealed by gymnosperm（Gnetum gnemon）homologs［J］.Dev Genes Evol，2002，212（9）：452-457.

［72］Bellaoui M，Pidkowich M S，Samach A，et al.The Arabidopsis BELL1 and KNOX TALE homeodomain proteins interact through a domain conserved between plants and animals［J］.Plant cell，2001，13（11）：2 455-2 470.

［73］Luo H，Song F，Goodman R M，et al.Up-regulation of OsBIHD1，a rice gene encoding BELL homeo-domain transcriptional factor，in disease resistance responses［J］.Plant Biology，2005，7（5）：459-468.

［74］Chen H，Banerjee A K，Hannapel D J.The tandem complex of BEL and KNOX partners is required for transcriptional repression of ga20ox1［J］.Plant Journal.2004，38（2）：276-284

［75］Reiser L，Modrusan Z，Margossian L，et al.The BELL1 gene encodes a homeodomain protein involved in pattern formation in the Arabidopsis ovule primordium.［J］.cell，1996，83（5）：735-742.

［76］Anuj B M，Peter E J，Claudia C，et al.VAAMANA—a BEL1-like homeodomain protein，interacts with KNOX proteins BP and STM and regulates inflorescence stem growth in Arabidopsis［J］.Gene，2004，328：103-111.

［77］Nagasaki H，Matsuoka M，Sato Y.Members of TALE and WUS subfamilies of homeodomain proteins with potentially important functions in development form dimers within each subfamily in rice［J］.Genes Genet Syst，2005，80（4）：261-267.

［78］Bürglin T R.A comprehensive classification of homeobox genes［J］.Guidebook to the homeobox genes.Oxford University Press，1994：25-71.

［79］Takatsuji H.Zinc-finger transcription factors in plants［J］.Cell Mol.Life Sci，1998，54（6）：582-596.

［80］馬愛民.Gene“BGIOSGA029617”in rice wiki［EB/OL］.［2014-5-28］.http：//ricewiki.big.ac.cn/index.php？title=BGIOSGA029617 &oldid=173581.

［81］Tran L S P，Nakashima K，Sakuma Y，et al.Co-expression of the stress-inducible zinc finger homeodomain ZFHD1 and NAC transcription factors enhances expression of the ERD1 gene in Arabidopsis［J］.Plant J，2007，49（1）：46-63.

［82］Schindler U，Beckmann H，Cashmore A R.HAT3.1，a novel Arabidopsis homeodomain protein containing a conserved cysteine -rich region［J］.Plant J，1993，4（1）：137-150.

［83］Mariann B.The PHD finger，a nuclear protein-interaction domain［J］.Trends Biochem Sci，2006，31（1）：35-40.

［84］張帆，楊仲南，張森.擬南芥PHD-finger蛋白家族的全基因組分析［J］.云南植物研究，2009（3）：227-238.

［87］Aasland R，Gibson T J，Stewart A F.The PHD finger：implications for chromatin-mediated transcriptional regulation［J］.Trends Biochem Sci，1995，20（2）：56-59.

［88］Mukesh J，Akhilesh K T，Jitendra P K.Genome-wide identification，classification，evolutionary expansion and expression analyses of homeobox genes in rice［J］.FEBS J，2008，275（11）：2 845-2 861.

［89］The Pfam database.Family PHD（P00628）［EB/OL］［2014-12-13］.http：//pfam.xfam.org/family/PHD.

［90］Borden K L B，Freemont P S.The RING finger domain：A recent example of a sequence-structure family［J］.Curr Opin Struc Biol，1996，6（3）：395-401.

［91］Ito Y，Chujo A，Eiguchi M，et al.Radial axis differentiation in a globular embryo is marked by HAZ1，a PHD-finger homeobox gene of rice［J］.Gene，2004，331：9-15.

Research Progress of Homeoboxgene in Rice

HAO Hao1，2，CUI Yongtao2，QIAN Qian2*，MA Bojun1，HU Xingming2
（1Zhejiang Normal University，JingHua，Zhejiang 321000，China；2China National Rice Research Institute，Hangzhou 310006，China；1st author：dramionhao@163.com；*Corresponding author：qianqian188@hotmail.com）

Abstract：Eucaryon homeobox genes contain a conserved 180 bp long DNA sequence termed as homeobox，which encodes about 60 amino acid long DNA-binding domain termed as homeodomain.Homeobox genes as the plant transcription factors play an important role in morphological development，reproductive development and abiotic stress response.In recent years，several homeobox genes have been identified and cloned in the some model plant，such as Arabidopsis，Oryza sativa，and classified into different subfamilies，based on the amino acid sequence of HD（homeodomain）and other conserved intron-exon structure.Based on existing understanding of homeobox genes in plants，this article reviewed homeobox genes classification，structure and the mutations functions in recent years and also prospected the function and applied research of rice homeobox genes in Oryza sativa.

Key words：homeobox；plant；Oryza sativa；classification

中圖分類號：S511

文獻標識碼：A

文章編號：1006-8082（2016）01-0001-09

收稿日期：2015－07－16

doi：［1］Lewis E B.Homeosis：the first 100 years［J］.10.1016/0168-9525 （94）90117-1.