MYB 基因家族研究進展

黃倩茹，劉曉慧，張愛冬，譚 楓，查丁石，楊銀娟，郁勤飛

（1.上海市農業科學院 園藝研究所，上海 201403；2.上海師范大學 生命科學學院，上海 200234；3.上海市設施園藝技術重點實驗室，上海 201403；4.上海市奉賢區蔬菜技術推廣站，上海 201499；5.浙江施特葆生物科技有限公司，浙江 杭州 310012）

近年來，隨著對MYB基因家族研究越來越多，人們對MYB基因家族研究的興趣也越來越 濃，且越來越深入。MYB（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）轉 錄 因 子 家 族 在 植物規模和功能方面都居于首位，可見對其研究的重要性［1］。轉錄因子也叫反式作用因子，通過其特殊的基因結合區與靶基因中的順式作用元件結合，從而激活靶基因的表達［2］。1982年在禽痘病毒中發現了最早的MYB轉錄因子“v-Myb”［3］。之后，研究人員在正常動物細胞中發現了類似的“c-myb”，并證實了該基因是具有DNA結合活性和轉錄調控功能的［4］。1994年，科學家們利用核磁共振技術確定了MYB基因的保守結構域［5］。此后，由于MYB轉錄因子家族的保守結構域被確定，人們對MYB轉錄因子家族的了解也進一步深入，越來越多的植物中也被鑒定到了MYB轉錄因子，玉米是第一個被鑒定到的植物品種［6］，而且，隨著現代生物技術手段不斷向前發展，人們對MYB轉錄因子家族的研究也越來越深入。研究發現，MYB轉錄因子家族在植物生長的許多階段都有一定程度的參與，如植物的生長和發育（包括器官的發生和生長、次生細胞壁的形成和增厚、根毛發育、花粉發育等過程）、植物的初生代謝和次生代謝（次生代謝物質如黃酮類物質的積累）、植物生長發育過程中激素調控（脫落酸、高溫、干旱、鹽害、重金屬）等過程［7-8］，因此，對MYB轉錄因子家族的深入研究和了解，對植物的育種和改良具有重要意義。

1 植物MYB基因家族的特征

1.1 植物MYB基因家族的分布特征

隨著MYB基因家族的結構域被確定以及生物技術手段的發展，在越來越多的植物中鑒定到了MYB基因家族。到目前為止，從水稻（Oryza sativa）［9-10］、擬南芥（Arabidopsis thaliana）［11-12］、小麥的親源物種二穗短柄草（Brachypodium distachyon）［13］、番 茄（Solanum lycopersicum）［14］、辣 椒（Capsicum annuum）［15］、菠菜（Spinacia oleracea）［16］等植物中均分離和鑒定出了大量的MYB基因。向征［9］和魏海超［10］等在水稻中鑒定出的MYB轉錄因子有151個，馮盼盼等［11］在擬南芥中鑒定出192個MYB轉錄因子，陳守坤［13］在二穗短柄草中鑒定到122個MYB轉錄因子，劉淑君［14］在番茄中鑒定出139個MYB轉錄因子，居利香等［15］在辣椒中鑒定出172個MYB轉錄因子，王曉珊等［16］在菠菜中鑒定出76個MYB轉錄因子。研究發現，多數植物中的MYB基因數量很多，但是不同植物中MYB基因的數量是不一樣的，有些植物中的MYB基因可以達到將近200個之多，而有些植物則僅有70~80個。

1.2 結構特征

MYB轉錄因子是在植物中廣泛存在的一類轉錄因子家族［17］，它包含一個或多個MYB基因保守結構域，其保守結構域具有螺旋-螺旋-轉角-螺旋的空間結構［18］，研究發現：其蛋白質結構由3個部分組成，分別是DNA結合區、轉錄激活區和負調控區［19］。DNA結合區是由第2個螺旋和第3個螺旋組成的空間結構，位于MYB蛋白質結構的氨基端，這也是MYB的特征結構域［20-22］。轉錄激活區和負調控區都位于MYB蛋白質結構的羧基端，這2個部分的氨基酸組成都不具有保守性［23］。

1.3 分類

目前，根據MYB轉錄因子家族中所含MYB結構域個數的不同將其分為4類，即1R-MYB/MYB-related、R2R3-MYB（2R-MYB）、R1R2R3-MYB（3R-MYB）和 非 典 型MYB（4R-MYB和5RMYB）［24-25］，3R-MYB主要存在于動物中，2R-MYB主要存在于植物中［26-27］，非典型MYB（4R-MYB和5R-MYB）則是一種比較不常見的MYB轉錄因子，在植物中的數量也最少。研究發現，不同類別的MYB轉錄因子有著不同的功能，3R-MYB主要在細胞周期調節過程中發揮作用［28-31］；2R-MYB的功能較為復雜，其在基因家族中的數目也最多，它參與植物形態發生的調節，對初生或次生代謝產物合成的調節，激素信號傳導以及對生物或非生物脅迫的調節［32-34］；1R-MYB也在植物形態發育及脅迫響應中起著重要作用［35］。目前，關于非典型MYB在功能方面的研究尚不多，對這種類型MYB基因在植物生長發育過程中的作用了解也相對較少，因此，對這類非典型MYB基因的研究的或許也將是MYB基因研究的一個重要方向。

2 植物MYB基因家族的功能

2.1 在蠟質方面的研究進展

植物的蠟質是存在于植物地上部分表面的脂質成分，其疏水結構使得蠟質在植物表面起著非常重要的防御功能，當外界環境發生改變時，植物表面的蠟質能夠對環境干旱、低溫、蟲害和機械損傷等傷害具有一定的防御作用。研究表明，植物表皮蠟質的合成常在轉錄水平被調控，MYB就是其中一個非常重要的轉錄因子家族，MYB類型 轉 錄 因 子MYB16、MYB106、MYB41、MYB30和MYB96在植物蠟質合成中扮演著激活因子的角色， 它可以調控蠟質合成的相關基因表達，從而促進植物蠟質合成［36］。研究發現，擬南芥和夏堇中 的MYB轉 錄 因 子MYB106和MYB16與WIN1/SHN1共同調控表皮角質和蠟質的合成［37-38］。擬南芥myb16突變體中CER1、LCR等與蠟質合成相關的基因表達均受抑制，MYB16的超量表達可以激活蠟質合成相關的基因表達［39］。將AtMYB96在擬南芥中超表達，結果發現：在擬南芥的葉片中，參與蠟質合成的相關基因顯著上調表達［40］。而且，Lee等［41］研究發現，過表達MYB96的植株中，蠟質合成相關基因上調，且葉片蠟質含量顯著升高，有研究者對柑橘的MYB96進行了研究，也發現了其相似的功能［42］。與其同源的基因MYB94也存在著相似的功能，通過促進蠟質合成基因表達上調而提高植物抗旱能力，經過進一步對作用靶基因的分析可知，MYB96和MYB94只有一個共同的作用靶基因，所以可以推測出的結論：MYB96和MYB94或獨立參與植物蠟質合成，也可能兩者之間存在著協調作用［43］。此外，給予植物干旱處理，在超表達的擬南芥AtMYB41基因的轉基因植株中，蠟質合成相關基因，尤其是CER4高表達，猜測其同MYB41協調參與蠟質的合成和調控［34］，并且導致了軟木脂的含量增加［44］。Raffaele等［45］通過瞬時表達實驗證實，MYB30是一些基因的轉錄激活因子，這些基因編碼形成脂肪酸延伸酶復合物的4種酶。張璟宇［46］研究發現，將甜橙的MYB類轉錄因子CsMYB44基因在番茄中超表達，使得超表達系的葉片表面蠟質晶體的積累多于野生型，且經酵母雙雜篩庫篩選到與其互作的轉錄因子為CsERF3。

綜上所述，目前關于MYB基因在植物蠟質形成方面的作用已經有了較為初步的了解，明確了在植物中與蠟質形成相關的MYB基因，在有些植物上也進行了與其互作基因的鑒定和分析，如擬南芥和夏堇中的MYB轉錄因子MYB106、MYB16與WIN1/SHN1共同調控表皮角質和蠟質的合成。這些都對深入了解植物蠟質形成以及通過分子生物學的手段進行育種改良，提高植物抗性奠定了一定的基礎。

2.2 與植物生長發育及生物、非生物脅迫應答間的關系

對植物的MYB基因家族的研究已經引起了國內外研究者的廣泛關注，如次生細胞壁的形成［47-48］和增厚［49］、根毛發育［50］、花藥發育［51］、眾多的生理生化反應和代謝過程［52］等。隨著研究的深入，人們認識到MYB基因家族在調節植物生長發育的同時，也對生物和非生物脅迫有一定應答與響應以及對其他基因表達的調節，這些都已經在多種植物中得到了證實，而且有些植物已經通過轉基因的手段，利用MYB基因在抵抗逆境脅迫時的功能進行了遺傳育種的改良。

2.2.1 在植物生長發育過程中的作用 研究發現，在植物次生壁合成過程中，有一類是發揮轉錄激活作用的MYB，還有一類是發揮轉錄抑制作用的MYB，但是多數是起到轉錄激活作用的，這2種MYB互相配合調節次生壁的形成。在擬南芥中，過表達AtMYB4和AtMTB83會促進木質素、纖維素和半纖維素的合成；而抑制這2個基因的表達，則會使得擬南芥次生壁加厚缺陷［48，53］，與之類似的楊樹PtrMYB003和PtrMYB020在擬南芥中過表達也同樣能使木質素、纖維素和半纖維素合成增加［54］。同時，也存在抑制植物次生壁合成的MYB基因，如缺失AtMYB75的擬南芥突變體中，有植物蠟質相關的物質含量顯著增加［55］，同樣，AtMYB4在擬南芥中過量表達，導致了木質素代謝途徑中的下游基因C4H、CCoAOMT等的表達量下降，阻礙了木質素的合成［56］。此外，擬南芥的AtMYB5基因，不僅參與植物外種皮細胞的分化，而且還參與了毛狀體調控的作用［57］。還有研究發現，將MYB基因的激動自區域插入或缺失一定長度的片段，有可能會對MYB基因的表達起到激活作用，使得植物的花粉傳播方式發生了改變，同時黃酮類次生代謝物的含量也發生了變化［58］。

王清等［59］研究發現，MYB是通過調控二胺氧化酶基因表達，來響應生長素信號，從而起到調控側根發育的作用。研究發現，擬南芥中的AtMYB66對其根毛的形成具有一定的調控作用［60］。此外，AtMYB57、AtMYB35等還參與了花粉的形成、發育等過程［51］，AtMYB38則對側芽的發育起到一定的控制作用［61］。有研究發現，MYB基因通過直接或間接地與光、溫度、激素等發生相互作用，從而影響植物的開花時間，如2個MYB轉錄因子LHY、CCA1，對擬南芥中生物鐘的調節和反饋起到非常重要的作用。Song［62］研究發現，將ELE3基因通過生物技術手段突變，會使得與植物生物鐘調節相關的基因LHY的轉錄本和蛋白的表達都顯著減少，從而導致開花時間的提前，這說明MYB類轉錄因子LHY會影響植物的開花時間。還有研究發現，有些MYB基因在植物中存在著功能冗余的現象，如擬南芥的AtMYB33和AtMYB65，若將這2個基因都突變，則植物花粉發育會發生缺陷，而單基因突變則花粉可以正常發育，所以得出結論：兩者可能是共同影響花粉發育的［63］。

2.2.2 植物MYB基因家族與生物脅迫之間的關系 在植物的整個生命周期中，不僅會遭到惡劣環境帶來的傷害，而且還會受到一些病菌的侵擾，植物不像人一樣可以通過移動或者利用工具來躲避外界環境的損傷，因此，植物在長期與自然環境和生物環境的適應過程中，形成了一套應對機制。而研究發現，MYB基因家族在植物響應非生物脅迫方面占據著重要地位。研究表明，在擬南芥受到病原侵染時，對其過敏性反應起到正調控作用的AtMYB30可以立即發出信號調節植物體內水楊酸的積累量，從而對細胞的死亡進行調控［64］。煙草的MYB作為其體內水楊酸合成下游的一種信號復合體，它可以與抗病相關蛋白DNA的啟動子序列結合，參與抗病相關蛋白DNA的激活和植物抗病性的產生［65］。此外，很多MYB類轉錄因子在茉莉酸和信號分子防御反應中被激活，然后調節下游抗病DNA的過度表達，以減少病原體引起的傷害［66-69］。

2.2.3 植物MYB基因家族與非生物脅迫之間的關系 曹忠慧［70］研究發現，蘋果的R2R3-MYB基因都可以在不同程度上響應非生物脅迫，而MdMYB121、MdSIMYB1基因能被多種非生物脅迫明顯地誘導，對這2個基因進行超表達載體構建后，將其轉入番茄和煙草中，結果發現其能顯著提高這2種植物的抗旱性。還有研究表明，在水稻中將OsMYB3R-2基因過表達，結果發現轉基因植株的細胞分裂指數增加，同時耐冷能力顯著提升［71］，與之類似地在擬南芥中將OsMYB4基因過表達，其過表達植株的耐寒能力也得到了明顯的提高［72］。馮波等［73］研究發現，對楊樹進行鹽脅迫處理，PtrMYB164在根、莖、葉中都表現為顯著上調，在參與植物干旱和鹽脅迫方面，也有著許多關于MYB基因的報道。有試驗證明，擬南芥的2個MYB基因AtMYB41、AtMYB96，其在正常條件下不表達，但是當給予其干旱和鹽脅迫時，這2個基因則被誘導高水平表達［74-75］。此外，還有AtMYB21，研究發現其在轉錄水平上對NaCl、ABA、高溫脅迫產生不同程度的應答響應［76］。

徐正剛［77］在研究鎘脅迫對構樹MYB基因表達的影響時發現，構樹R2R3-MYB在鎘脅迫響應調節中具有良好的應答潛力，隨后以BpMYB6為代表構建了超表達載體，并且將其在構樹中表達，結果發現，過表達株系在鎘脅迫條件下可以通過調節植株的多種代謝過程，從而改善植株的抗鎘能力。任永兵［78］在研究鉛脅迫對擬南芥MYB基因表達的影響時發現，擬南芥的AtMYB50和AtMYB6l基因的表達被鉛強烈抑制，之后構建了MYB50和AtMYB6l與鉛離子泵基因AtPDR12缺失雙突變體atpdr12atmyb50和atpdr12atmyb61，結果發現其對于鉛脅迫的耐受性均高于單突變體，同時將AtMYB50和AtMYB61基因敲除，發現顯著增強了擬南芥的鉛耐受性以及植物體內的鉛含量，此外，還證明了該基因對鉛的耐受性具有專一性。

2.3 植物MYB基因家族與花青素合成間的關系

花青素屬于類黃酮類物質，廣泛存在于植物的很多部位中［79-80］，它不僅可以改變使植物的果實和花朵呈現豐富多彩的顏色，而且當植物遭受外界不良環境影響時，植物通過次生代謝途徑產生的花青素可以對植物起到一定的保護作用［81］，此外，還對植物具有一定的光保護作用［82］。早在1996年，有研究人員試圖探究MYB蛋白與色素形成的關系，于是以植物的黃化苗為研究對象，探究其對光的需求。結果發現，MYB蛋白確實與植物的色素形成有關，且可以通過改變MYB蛋白的表達來實現品種改良［83］。還有研究表明，有結構基因和轉錄因子2類與花青素合成代謝相關的基因，結構基因主要包括CHS、CHI、F3H、DFR等［84］，轉錄因子主要包括MYB、bHLH、WD40［85-87］。段晶晶［88］克隆了卵葉牡丹中的2個MYB基因，即PqMYB113和PqMYB4，研究發現，PqMYB113對卵葉牡丹中花青素的合成有促進作用，而PqMYB4對卵葉牡丹中花青素的合成具有抑制作用，經過對該基因的空間表達分析發現，PqMYB113在牡丹的紅葉期有較高的表達量，而在綠葉中的表達量較低；PqMYB4則相反，在綠葉期的表達量較高，紅葉期的表達量較低。還有研究發現MYB轉錄因子基因的表達會使得葡萄表皮的顏色增強，同時漿果軟化程度也增強，這表明MYB對花青素的形成有一定的調節作用［89］。王霜等［90］在苦蕎中克隆到一個屬于R2R2-MYB類型，與黃酮代謝相關的MYB轉錄因子FzMYB23，然后將其在擬南芥中過表達，結果發現過表達株系的種皮顏色明顯深于野生型，并且轉基因株系中的與花青素合成相關的基因表達量也顯著升高。孫彬妹［91］在紫鵑中克隆了1個與類黃酮合成相關的R2R3-MYB類轉錄因子CsAN1，然后將其構建超表達載體轉入本氏煙草中，發現其異位表達顯著增加了煙草葉片中的花青素積累，且與花青素合成相關的結構基因明顯上調。

王冠杰［92］探究了MYB轉錄因子和bHLH類轉錄因子之間的相互作用及對花青素合成關鍵基因CHS啟動子活性的調控，結果發現：BrMYB75和BrTT8之間存在著相互作用，并且協同調控CHS的啟動子活性，且單獨的BrMYB75或BrTT8對CHS啟動子活性的影響較小。同樣，牛珊珊［93］在楊梅中也發現了類似的結果，楊梅中的MrMYB1協同bHLH類轉錄因子可以激活AtDFR啟動子，從而影響花青素苷的合成。

2.4 植物MYB基因家族在茄子中的研究進展

茄子作為人們日常生活中常見的一種蔬菜，其富含大量的花青素，具有較高的營養價值，因此，關于茄子中花青素合成的研究也成為當前的一個熱點。邵文婷等［94］從紫茄中分離出一個R2R3-MYB類轉錄因子SmMYB1，通過將紫茄進行遮光處理和正常培養處理發現，遮光處理一致了紫茄果皮中花青素的含量，且SmMYB1的表達量下降，說明SmMYB1對紫茄中花青素的合成起到了一定的正調控作用，并且經超表達該基因發現，可以使得紫茄再生枝花青素得到一定的積累［95］，這也進一步表明了該基因的轉錄激活使得花青素合成途徑中的相關基因表達上調，促進了花青素苷的積累。扶京龍［96］在茄子中分離出2個MYB類轉錄因子，研究發現，這2個基因對茄子花青素合成都有一定的調控作用，但是SmMYB18正向調控，而SmMYB19表現出負調控，并且SmMYB19對花青素的調控受溫度影響更大。王世界［97］采用一些類生物技術手段，最終篩選到SmMYB6是參與茄子花青素生物合成的關鍵轉錄因子。

3 小結與展望

到目前為止，已經有大量植物的MYB基因家族被分離和鑒定，但是多數研究只停留在對其結構、細胞定位、基因表達和調控、逆境脅迫下的基因表達等方面，對其功能的研究并不是特別深入。研究表明，MYB基因家族是植物中一個非常重要的基因家族，其在植物的生長發育（包括植物器官發生和生長，初生和次生代謝物質積累等）和逆境脅迫響應（包括對病原菌等生物脅迫的響應，對干旱、鹽害、低溫、重金屬等非生物脅迫的響應）等方面都起到了非常重要的作用。

但是對于其如何對上述植物生理過程進行調控的分子機制卻研究得比較少，因此，仍然有大量的工作需要研究者們開展相應的試驗來進行揭示。需要從以下4個方面對MYB基因進一步的深入研究。

（1）通過利用酵母雙雜交系統，篩查植物MYB基因參與植物生長發育和相應逆境脅迫的調控網絡，最終確定其在調控通路上扮演著怎樣的角色，從而進一步認識該基因的功能，為后續通過轉基因手段進行育種改良奠定基礎。

（2）MYB基因家族包含著大量的基因成員，這些成員在調節植物生長發育及相應逆境脅迫的過程中，有哪些是某個基因單獨行使功能的，有哪些過程是由多基因共同調控的，這也需要研究者們經過大量的實驗證實。

（3）找尋一些極端耐逆植物，從中挖掘出新的、在植物生長發育過程中具有重要功能的MYB基因，從而豐富基因資源。同時，對這些基因進行深入了解和研究，使得這些基因的功能得到更加有效和合理的應用。

（4）基于MYB基因家族在黃酮類代謝途徑中的重要作用，因此，可以在藥用植物中對其進行更加深入的了解，一方面，探索其在黃酮類物質代謝途徑中所扮演的角色，從而提高藥用植物黃酮類物質積累量；另一方面，通過明確外界信號和內源信號對黃酮類物質積累的影響，藥用植物不同器官和部位黃酮類物質積累的差異，通過轉基因技術培育高產、優質的藥用植物，從而科學合理地指導藥用植物的人工種植和應用。