小麥ERF亞族轉錄因子參與逆境脅迫的研究進展

崔德周 王麗麗 陳祥龍 李永波 黃琛 隋新霞 楚秀生 樊慶琦

關鍵詞：小麥：ERF亞族：轉錄因子：脅迫響應：研究進展

小麥是世界上最重要的糧食作物之一，是全球三分之一以上人口的主食。中國是世界上最大的小麥生產國和消費國，小麥的高產穩產對保障國家糧食安全至關重要。小麥生長發育周期長，期間干旱、鹽堿、低溫、高溫、重金屬、病蟲害等生物、非生物脅迫都會不同程度地威脅小麥的高產穩產。近年來，得益于小麥基因組學的飛速發展，小麥響應逆境脅迫的分子調控網絡被逐步闡明，轉錄因子在功能基因表達調控中的關鍵作用進一步凸顯。根據DNA結合域的特性，轉錄因子可分成若干家族，包括MYB、WRKY、bZIP、NAC、AP2/EREBP等.AP2/EREBP轉錄因子是植物特有的一類轉錄因子，廣泛參與小麥逆境脅迫應答。ERF轉錄因子是AP2/EREBP轉錄因子超家族的一個亞族，最早從煙草中分離得到。本研究綜述小麥ERF亞族轉錄因子在逆境脅迫應答中的作用及可能機制，以期為深入研究小麥ERF亞族的分子功能及其抗逆遺傳改良提供參考。

1ERF亞族轉錄因子的特征

AP2/EREBP是一個龐大的基因家族，因含有60～70個氨基酸組成的AP2/EREBP結構域而得名。在擬南芥中，Sakuma等根據序列相似性和AP2/EREBP結構域的數量，將其分為5個亞族——ERF亞族、DREB亞族、RAV亞族、AP2亞族和其他。AP2亞族含有2個AP2/EREBP結構域，主要在細胞生長發育過程中發揮調控作用：RAV亞族含有1個AP2/EREBP結構域和1個B3結構域，在乙烯、油菜素內酯和脅迫響應過程中發揮重要作用：DREB亞族和ERF亞族均屬于EREBP型轉錄因子，都僅含1個AP2/EREBP結構域，在調控植物細胞發育及對病原菌、干旱、高鹽、低溫、激素等脅迫的應答反應中發揮作用，但AP2/EREBP結構域的第14位和第19位氨基酸存在差異，DREB亞族分別是纈氨酸和谷氨酸，而ERF亞族則分別是丙氨酸和天冬氨酸。ERF亞族轉錄因子還可與乙烯誘導順式作用元件GCC-box結合，抵御植物逆境脅迫

2小麥ERF亞族轉錄因子鑒定分析

目前正式命名的小麥ERF亞族轉錄因子基因只有8個，而從全基因組水平分析，符合ERF亞族特征的基因則有上百個之多。Zhuang等在全基因組水平鑒定到47個小麥ERF亞族轉錄因子成員，根據擬南芥和水稻同源基因分類，將其分為B1、B2、B3、B4和B6五個亞組。隨著二代測序技術及小麥基因組學研究的飛速發展，Riaz等鑒定到138個ERF亞族轉錄因子成員，分為6個亞組，主要定位于細胞核；Magar等鑒定到238個成員，其中，174個基因不含內含子、3個基因含3個內含子，鑒定數量有了質的飛躍。李世姣等利用隱馬爾可夫模型文件檢索中國春數據庫，篩選到229條小麥ERFs，通過分析A/B/D同源關系，將其歸為96個ERF亞族成員。此外，Faraji等在硬粒小麥中鑒定到185個ERF亞族成員。

3小麥ERF亞族轉錄因子參與逆境脅迫的分子機制

3.1非生物脅迫

越來越多的研究表明，大部分小麥ERF亞族成員在對高鹽、干旱、低溫、重金屬等非生物脅迫抗性調控中發揮重要作用（表1）。

位于小麥7A染色體上的TaERF1，通過結合GCC-box和DRE/CRT元件、激活啟動子區含GGCC-box的PR蛋白（pathogenesis related pro-tein，病程相關蛋白）、磷酸化TaMAPKI等方式，參與干旱、高鹽、低溫等代謝途徑，過表達TaE-RF1可顯著提高轉基因擬南芥對干旱、高鹽和低溫的耐受能力。

TaERF2基因受干旱、高鹽、低溫和濕害強烈誘導，過表達后可提高轉基因擬南芥對干旱、低溫等非生物脅迫的抗性。TaERF3通過特異結合GCC-box，正向調控LEA3、GST6等抗逆相關基因表達，過表達TaERF3可增加葉片脯氨酸、葉綠素含量，降低過氧化氫含量，增強小麥對高鹽、干旱脅迫的耐受能力：而經病毒誘導基因沉默（VIGS）干擾后的小麥植株則表現為鹽和干旱敏感。

TaERF4是一個具有EAR基序的轉錄抑制因子，過表達TaERF4抑制AtNHX1、AtNHX2等鈉離子轉運相關基因的表達，通過非ABA依賴的信號通路降低擬南芥耐鹽性。TaERF5受高鹽、滲透脅迫、乙烯、ABA和茉莉酸甲酯誘導表達，遺傳學證據顯示，TaERF5-B過表達增強了轉基因水稻的耐鹽性。葉片TaERF7表達受溫度和日照調控，進而影響小麥百農不育系育性。TaE-RF8-2D的表達受高鹽脅迫誘導持續上調，其分子機制有待進一步研究。

Zhu等研究發現，TaPIEP1/TaPIE1通過激活乙烯合成基因，增強小麥對冷害脅迫的抗性。TaERFLla受低溫、高鹽、干旱、ABA等脅迫誘導表達，VIGS干擾該基因降低小麥對干旱脅迫的抗性。Du等研究表明，TaERF87通過與Ta-AKS1互作，協同增強TaP5CS1和TaP5CR1的表達，提高脯氨酸的生物合成，進而增強小麥抗旱性。

此外，在硬粒小麥（Triticum turgidum L．sub-sp. durum）中，TdERF1響應高鹽和干旱脅迫，TdSHN1受高鹽、干旱、低溫、ABA和重金屬脅迫強烈誘導表達，過表達TdSHN1可顯著提高酵母對非生物脅迫的耐受性。

3.2生物脅迫

小麥生育期遭遇的生物脅迫主要包括病原菌侵染和植食性害蟲啃食，而小麥響應生物脅迫的轉錄因子研究主要集中在前者。研究表明，ERF亞族轉錄因子可以提高小麥對病原菌的抗性（表2）。TaERF1的表達受白粉病菌侵入的誘導，過表達TaERF1可提高轉基因擬南芥對真菌、細菌病害的抗性。病原菌侵染下，TaERF3可激活防御基因表達，其中，在白粉病菌侵染早期主要通過水楊酸途徑，而在鐮刀菌、紋枯病菌侵染晚期主要通過乙烯／茉莉酸途徑。過表達TaPIEP1/TaPIE1可大量激活下游防衛基因的表達，進而提高小麥對紋枯病、根腐病的抗性。Chen等從中間偃麥草中分離了一個新的ERF基因TiERF1，該基因主要通過依賴乙烯的信號轉導途徑激活病程蛋白相關基因的表達，提高轉基因小麥對紋枯病的抗性。

4展望

近年來，極端天氣頻發，低溫、干旱、高鹽等非生物脅迫及病原菌侵染等生物脅迫嚴重制約小麥的安全生產，給糧食安全帶來了嚴峻挑戰。作為AP2/EREBP轉錄因子超家族的一個亞族，ERF類轉錄因子連接上游信號和下游功能基因，在小麥抵御逆境脅迫中具有關鍵作用。基因組學分析表明，小麥ERF亞族基因有200余個，但目前只克隆鑒定了部分基因，并且已經投入育種應用的轉基因材料也鮮有報道，后續仍需進一步深入挖掘具有重要抗逆功能的ERF亞族基因。此外，目前的研究多集中在轉錄因子基因的克隆及轉錄調節功能的鑒定分析上，ERF亞族轉錄因子自我調節的模式及其同其他轉錄因子間的相互作用關系尚未完全了解。相信隨著基因組學、分子生物學技術的發展，對小麥ERF亞族轉錄因子的抗逆網絡解析會更加深入，從而為小麥抗逆遺傳改良提供更堅實的理論依據和更強有力的基因工具。