全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (1): 89-101, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-01-12; 接受日期: 2007-04-17
* 通讯作者。E-mail: tychai@gucas .ac .cn
.专题介绍.
AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中的作用
赵利锋, 柴团耀 *
中国科学院研究生院生物系, 北京 100049
摘要 AP2/EREBP (APETALA2/ethylene-res ponsive e lem ent binding proteins) 是一个起源古老的转录因子超家族, 它
含有1个或2个由约60-70个氨基酸残基组成的非常保守的DNA结合域 (DNA-binding dom ain), 即AP2/ERF结构域。根据
AP2/ERF结构域的数目, AP2/EREBP转录因子可以分为2个亚族: EREBP亚族(具有1个AP2/ERF结构域)和AP2亚族(具有2
个AP2/ERF结构域)。AP2亚族转录因子有调控花、胚珠和种子发育的功能, 而EREBP亚族转录因子(包括DREB类和ERF类)
的主要功能是调节植物对激素(乙烯和ABA等)、病原和胁迫(低温、干旱及高盐)等的应答反应。本文讨论了AP2/EREBP转录
因子在植物发育和胁迫应答中的研究进展。
关键词 A P2/EREBP, AP2/ERF结构域, APETA LA2, DREB, EREBP
赵利锋 , 柴团耀 (2008). AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中的作用. 植物学通报 25, 89-101.
转录因子是和真核基因启动子中的顺式作用元件发
生特异性结合的蛋白, 通过它们之间以及与其它蛋白的
相互作用, 启动靶基因的表达。1994年, Jofuku等从拟
南芥中首次分离出APETALA2(AP2)转录因子, 它含有
2个与 DNA 结合的 AP2/ERF 结构域(Jofuku et al. ,
1994)。1995年, Ohme-Takagi和 Shinshi从烟草中分
离出 4个可以与乙烯反应元件 GCC-box 结合的蛋白,
EREBP1-4(ethy lene respons ive-element binding
protein), 它们分别含有 1个保守的AP2/ERF 结构域
(Ohme-Takagi and Shinshi, 1995)。此后, 发现拟南
芥的 TINY(Wilson et al. , 1996)、CBF1(Stockinger et
al. , 1997)、AINTEGUMENTA (ANT)( Ell iott et al. ,
1996)和玉米的 Glossy15 (Gl15)(Moose and Sisco,
1996)、DREBs(Liu et al., 1998)等蛋白中都具有AP2/
ERF结构域。目前根据生物信息学的分析, 在拟南芥中
大约有 145个AP2/EREBP转录因子, 在水稻中也有大
致相同的数目(Sakuma et al. , 2002)。
转录因子识别顺式作用元件, 并与之结合的一段氨
基酸序列称为 DNA结合区。植物中已经发现的DNA结
合区有 bZIP、z inc- fi nger、MA DS、M YC/M YB、
Hemeo-box 和 AP2/ERF 结构域等。AP2/EREBP 转
录因子的 AP2/ERF结构域含有 2段特别保守的氨基酸
序列, 分别命名为YRG和 RAYD元件(Weigel, 1995;
Okamuro et al. , 1997)。RAYD元件具有碱性和亲水
性特征, 包含一个由 18个氨基酸残基组成的核心区域。
该核心区域能够形成两亲性的a螺旋, 参与同其它转录
因子及 DNA 之间的相互作用(Okamuro et al., 1997)。
Allen等(2002)分析AtERF1蛋白AP2/ERF结构域的三
维立体结构, 发现它由 3个反向平行的 b-折叠和 1个几
乎同 b-折叠平行的 a-螺旋组成。其中 b-折叠对 AP2/
E RF 结构域识别各类顺式作用元件可能起关键作用。
AP2/ERF结构域中第 37位的丙氨酸(Ala37)在 DNA结
合或维持 AP2/ERF 结构域的稳定性上有重要作用(Liu
et al., 2006)。AP2/EREBP 蛋白的转录激活域差别很
大。例如, 拟南芥 AP2蛋白的转录激活域富含酸性氨
基酸残基和丝氨酸残基, ANT蛋白的转录激活域却富含
丝氨酸 /苏氨酸残基, Gl15富含酸性氨基酸、脯氨酸和
丝氨酸残基, 而 E R E B P - 2 富含酸性氨基酸残基
(Riechmann and Meyerowitz , 1998)。转录因子进入
细胞核的过程受核定位信号(nuc lear localizat ion signal,
90 植物学通报 25(1) 2008
NLS)控制, 它是转录因子中富含精氨酸和赖氨酸残基的
核定位区域。每个 AP2/EREBP 转录因子可含一至数
个 NLS, 一般位于AP2/ERF 结构域之后, 但也有例外
(Riechmann and Meyerowitz, 1998)。
AP2/EREBP蛋白的序列相似性主要集中于 AP2/
ERF 结构域。根据 AP 2/ERF 结构域的数目, A P2 /
EREBP转录因子可分为2个亚族: EREBP亚族(具有1
个 AP2/ERF结构域)和AP2亚族(具有2个AP2/ERF结
构域)(Sakuma et al. , 2002)。在 145个拟南芥AP2/
EREBP 转录因子中, 126个属于 EREBP 亚族。该亚
族可以细分为 3 类:干旱反应元件结合蛋白 D R E B
(dehydration responsive element binding protein)类(55
个基因)、乙烯反应元件结合蛋白ERF (ethy lene re-
spons ive fac tor)类(65个基因)和其它蛋白类(4个基
因)。AP2亚族可以细分为 2类: AP2类(有 2个 AP2/
ERF结构域)和 RAV类(有 1个AP2/ERF结构域和 1个
B3结构域)。这样 AP2/EREBP转录因子就分为 5个大
的分支: DREB、ERF、AP2、 RAV 和其它(Sakuma
et al. , 2002)。2个最大的分支(DREB 和 ERF 类)的区
别, 主要是其 AP2/ERF 结构域的第 14位和第 19位氨
基酸残基不同: 所有 DREB 类成员的AP2/ERF 结构域
的第 14位都具有保守的缬氨酸 (V14), 除 19个成员外,
其它成员在第19位都具有保守的谷氨酸 (E19); 而ERF
类成员在第 14和第 19这 2个位置上分别是保守的丙氨
酸和天冬氨酸(Sakuma et al. , 2002)。
AP2亚族蛋白的DNA结合序列, 通过拟南芥的ANT
蛋白得以阐明。利用体外筛选的方法(in vitro selection
procedure), 证明ANT蛋白的DNA结合序列是 5-gCAC
(A/G)N(A/T)TcCC(a/g)ANG(c/ t)-3 (Krizek et al. ,
1999)。ANT蛋白的 2个 AP2/ERF 结构域必须同时作
用于这一序列, 任何1个AP2/ERF结构域都不能与这一
序列单独结合。2个 AP2/ERF 结构域可能分别作用于
这一 DNA 结合序列的不同位点(Krizek, 1999)。ERF
类蛋白, 包括 EREBP-2、AtEBP、Pt i5和 Pt i6等, 通
过 A P 2 / E R F 结构域 , 特异性地与 D N A 序列
TAAGAGCCGCC相结合(Ohme-Takagi and Shinshi,
1995; Buttner and Singh, 1997; Zhou et al. , 1997), 这
一 DNA序列被称为GCC box或 PR box, 也叫做 ERE
(ethylene respons ive element)。DREB 类蛋白, 包括
DREB1A、DREB2A和 CBF1等, 通过 AP2/ERF结构
域, 特异性地与 D NA 序列 TA CC G A CA T 相结合
(Stock inger et al. , 1997), 这一 DNA序列被称作脱水
响应元件DRE/CRT (dehydrat ion responsive element/
C-repeat)。DRE/CRT元件和GCC box存在于编码病
原和胁迫等相关基因的启动子区域。GCC box与DRE/
CRT这 2个顺式元件的核心序列非常相似, 分享共同的
核心序列 CCGNC。在这个共同的核心序列中, 第 3位
的G和第 5位的 C对该序列与 DREB和 ERF蛋白的高
度特异性反应是比较重要的。因为如果AGCCGCC突
变为TCCTCC, 结合作用就不能进行(Ohme-Takagi and
Shinshi, 1995; Buttner and Singh, 1997; Zhou et al.,
1997)。此外, 核心序列周围的其它序列的差异, 在结
合反应中可能也发挥着比较重要的作用(Stockinger et
al. , 1997)。
近年来, 已经对许多AP2/EREBP转录因子的功能
进行了深入研究。通过对拟南芥 ap2、ant 和玉米 gl15
等突变体的分析, 证明AP2亚族转录因子的功能主要是
调控花、分生组织、胚珠和种子等的发育过程。而
EREBP亚族转录因子的功能主要是参与生物和环境胁
迫的应答。其中, DRE B 类蛋白主要是参与了 AB A、
干旱和低温等环境胁迫的应答; 而 ERF 类蛋白主要参
与了乙烯和病原等生物胁迫的应答。本文对 A P 2 /
EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中功能的研究
进展展开综述。
1 AP2/EREBP转录因子在植物发育中
的作用
1.1 花和花序发育中的作用
越来越多的实验证实了花器官发育的ABC模型。拟南
芥 A功能基因APETALA2(AP2)抑制 C功能基因AGA-
MOUS (AG)在外轮花器官中的表达, 对萼片和花瓣的器
官特征起决定作用(Kunst et al. , 1989)。强 ap2突变
体(功能缺失突变体)的第 1轮、第 2轮花器官(萼片和花
91赵利锋等: AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中的作用
瓣)分别被第 4轮、第 3轮花器官(心皮和雄蕊)所代替。
萼片缺失, 雄蕊的数目也减少(Kunst et al. , 1989)。另
一个拟南芥 A P 2 亚族成员的突变体 an t (A I NT E G -
UMENTA), 其外面 3轮花器官都随机减少, 并伴有形态
异常, 花器官缩小甚至融合(Elliot t et al. , 1996; Klucher
et al., 1996)。ANT好像并不是花发育 A功能基因的同
源异型基因, 但ANT和AP2都有抑制C功能基因AG在
外轮花器官中表达的作用(Elliott et al. , 1996)。此外,
在ant突变体花瓣的背面, 气孔相互交错排列, 说明ANT
具有决定花瓣表皮细胞特征的作用(Krizek, 1999)。金
鱼草的A功能基因有LIP1和LIP2两个, 它们都属于AP2
亚族转录因子基因家族, 且在萼片、花瓣和胚珠发育中
都起重要作用(Keck et al., 2003)。与拟南芥 AP2不
同,它们不是抑制 C功能基因在外轮花器官中表达所必
需的(Keck et al., 2003)。矮牵牛中的 A功能基因也有
2个, phAp2A和phAp2B, 它们都属于 AP2/EREBP转
录因子家族。phA p2A 和 phAp2B 可以弥补拟南芥
ap2-1突变体的表型, 表明矮牵牛中A基因的功能由2个
基因分别承担(Maes et al. , 2001)。裸子植物 Picea
abies 具有 3个 A功能基因, PaAP2L1 (Picea ab ies
APETALA2 LIKE1)、PaAP2L2 和 PaAP2L3, 它们是
拟南芥 AP 2的同源异型基因。3个基因表现出不同的
表达模式(Nilsson et al. , 2006)。在拟南芥中过量表达
PaAP2L2, 转基因植株的生长受到阻碍, 比对照晚开花,
在第 3轮和第 4轮花器官中雄蕊和雌蕊的数目也增加了
(Nilsson et al., 2006)。在拟南芥 ap1突变体中过量表
达 P aA P2L2 , 可以促进花瓣器官特征的决定, 表明
P a A P 2L 2 在拟南芥中具有替代 A 功能基因的作用
(Nilsson et al., 2007)。这些研究结果表明, 植物中的
A功能基因大多是 AP2/EREBP转录因子基因, 虽然其
在不同物种中表现形式不同, 但种子植物中 A基因的功
能是比较保守的。
AP2具有调控下游基因表达的作用, 它自身的表达
也受其它基因表达产物的调控。Mic roRNA 是大小约
21个碱基的非编码小RNA 分子, 可在转录和翻译水平
调节基因的表达。M ic roRNA172 (m iR172)与 A P 2
mRNA可以形成碱基配对, 在翻译水平抑制AP2蛋白的
形成(Aukerman and Sakai, 2003; Chen, 2004)。
miR172的水平升高, 会降低 AP2蛋白的水平, 导致花
器官特征缺失, 其特征与AP2 功能缺失突变体的表型相
似(Aukerman and Sakai, 2003; Chen, 2004)。过量
表达抗miR172的 AP2变异基因, 可以抵制miR172引
起的 AP2 mRNA 的降解, 升高 AP2蛋白的水平, 使转
基因拟南芥产生更多的雄蕊和花瓣(Chen, 2004)。因此
在拟南芥花发育中, miR172是 AP2的抑制因子, 这种
作用可能在许多物种中都存在。在烟草中过量表达拟
南芥 AP2(35S::AP2)、抗miR172的 AP2变异基因
(35S::AP2m3)和MIR172a-1 (35S: :MIR172), 35S: :
AP2m3 植株表现出花模式的变化, 包括花瓣、雄蕊和
心皮数目的增加, 说明该植株失去了花器官特征决定
(Mlotshwa et al., 2006)。而 35S::AP2植株中, AP2
的m RNA 和蛋白几乎没有积累, 也没有明显的表型
(Mlotshwa et al. , 2006), 这说明, 拟南芥 AP2可以被
烟草中miR172的同源MicroRNA 所抑制。
1.2 种子发育中的作用
最近的研究发现, AP2在决定种子的大小、重量以及在
油类和蛋白的积累过程中也发挥重要的作用。ap2突变
体的种子重量增加, 而且种子重量的增加与花器官变异
的程度具相关性, 表明AP2的活动直接影响了种子的重
量(Ohto et al., 2005; Jofuku et al., 2005)。这种作用
与 AP2对胚性细胞数目和大小的影响有关。在种子发
育过程中, ap2突变体还引起了己糖相对蔗糖比例的变
化, 暗示 AP2通过影响糖代谢而影响种子的重量(Ohto
et al. , 2005; Jofuku et al. , 2005)。AP2转录因子基
因OsAP2-1在水稻花和种子的发育中起着必不可少的
作用(Zhao et al. , 2006)。
WRINKLED(WRI)是在拟南芥中新发现的1个AP2/
EREBP 转录因子。WRI表达量的降低, 使发育中的种
子不能有效地将蔗糖转化为三酯酰甘油, 干扰了糖酵解
过程, 致使种子中油类物质积累降低。而过量表达WRI
则引起种子和幼苗中三酯酰甘油的增加(Cernac and
Benning, 2004; Cernac et al., 2006)。这表明, WRI
参与了种子贮藏物的新陈代谢过程。在种子萌发和幼
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苗生长过程中, wri 突变体幼苗对脱落酸、糖和高渗物
质的敏感性增加; 2-脱氧葡萄糖抑制wri突变体的种子萌
发, 但这种抑制作用可以通过向培养基中添加蔗糖得到
缓解(Cernac and Benning, 2004; Cernac et al. ,
2006)。wri 突变体中, ABA 响应基因AtEm6和 ABA-
insensitive 3(ABI3)的表达量增加, 表明WRI参与了种
子贮藏物积累和种子萌发的信号途径(Ce rnac and
Benning, 2004; Cernac et al. , 2006)。
拟南芥中DREB类转录因子的一个成员ABI4, 通过
与 ABI3和 ABI5的相互作用, 参与脱落酸(ABA)的信号
转导(Soderman et al. , 2000)。ABI4 只在胚中表达,
是胚中ABA反应的主要接受因子, 具有抑制胚中脂质降
解的作用(Penfield et al., 2006)。abi4突变体的种子
对 ABA抑制萌发的作用不敏感, 而 ABI4的异位表达导
致根的生长对ABA 抑制作用更加敏感。此外, abi4突
变体还具有抗盐和抗糖的特性(Soderman et al., 2000;
Quesada et al., 2000; Laby et al., 2000; Penfield et
al . , 2006 )。海藻糖影响植物的新陈代谢、生长和发
育。野生型拟南芥幼苗在不含蔗糖的海藻糖培养基上
生长, 引起淀粉合成基因ApL3的表达上调, 同时淀粉降
解基因(如 SEX1和 b-淀粉酶基因BMY8/BAM3)的表达
强烈下调, 从而在子叶中过量积累淀粉, 使根的生长受到
抑制。然而, abi4突变体在海藻糖培养基上可以正常生
长, 而且这些基因的表达并没有改变。进一步的分析证
明, 海藻糖增强了 ABI4的表达, 通过 ABI4调节了下游
淀粉新陈代谢基因的表达(Ramon et al. , 2007)。这种
作用不依赖于 ABA 和己糖激酶信号途径(Niu e t al. ,
2002)。玉米中 ABI4的同源基因ZmABI4, 其编码蛋白
可以特异地结合 A B A 响应基因启动子区的耦合元件
CE1(coupling element 1), 启动 ABA 响应基因的表达
(Niu et al. , 2002)。
1.3 分生组织中的作用
1.3.1 AP2亚族转录因子在分生组织中的作用
植物具有分生组织, 可以不断地产生新的器官和组织, 这
是植物区别于动物的一个主要特征。一方面, 分生组织
要不断地分化出新组织, 另一方面又要维持自身的分生
能力。A P2 具有维持分生组织分生能力的作用( Ir is h
and Sussex, 1990; Huala and Sussex, 1992; Okamuro
et al., 1997)。最近, Wurschum 等(2006)从拟南芥的
突变体中筛选到一个茎尖分生组织的半显性突变体I28;
该突变体的种子在萌发12天之后, 其茎尖分生组织就终
止生长, 干细胞发生了分化。利用图位克隆的方法,
Wurschum等克隆了该基因位点, 它包括了AP2基因的
启动子区和编码区的大部分序列。AP2 DNA 序列中第
433位的一个单碱基替换(由 A 变为G), 使 AP2蛋白第
1个 AP2/ERF 结构域中的一个氨基酸残基由Glu变为
L y s , 从而影响了 A P 2 与顺式作用元件的结合
(Wurschum et al. , 2006)。互补实验证明, AP2可以
弥补 I28突变体的表型, 而用变异的 AP2基因转化野生
型拟南芥, 可以产生类似的突变表型(Wurschum et al.,
2006)。这说明 AP2对维持拟南芥茎尖干细胞的分化能
力是至关重要的。进一步的实验证明, AP 2与WUS-
CHEL (WUS)和 CLAVATA (CLA)组成了一个反馈信号
途径。AG具有抑制WUS 表达和抑制花分生组织干细
胞分化的作用, 但这一反馈信号途径不依赖于AG的作
用(Wurschum et al. , 2006)。
调节分生组织特征的转变是生殖发育中十分关键的
一步。茎尖分生组织接受花序分生组织的特征后, 它还
需要经历一系列向二级或更高级分生组织转变的过程,
才能最终产生花器官。Lee等(2007 )报道了 1个水稻
AP2亚族转录因子, SUPE RNUMERARY BRA CT
(SNB), 它含有 2个 AP2/ERF结构域, 具有调控穗分生
组织向花分生组织转变以及花器官发育的作用。SNB
在所有器官中几乎都有表达, 在刚出现的小穗分生组织
中高表达。在 SNB-knockout植株中, 小穗分生组织向
花分生组织的转变延迟, 叶序上产生了许多退化的颖
片。在一些小穗上, 空的颖片和浆片转变为类似内、
外稃的结构(Lee et al. , 2007)。这表明, SNB 影响了
小穗分生组织的阶段转变、花器官的形成和小穗分生
组织特征的形成。玉米 IDS1 ( I NDE TE RMI NAT E
SPIKELET1)是拟南芥 AP2的同源基因, 它通过调控小
穗分生组织特性, 从而调控花序发育。ids1突变体的小
穗分生组织变为无限生长, 每个小穗产生了更多的小花
93赵利锋等: AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中的作用
(Chuck et al., 1998; Kaplinsky and Freeling, 2003)。
在芸苔属植物Brass ica napus花粉形成过程中, 利
用减法杂交分离了一个表达上调的基因 BABY BOOM
(BBM)。这个基因与拟南芥ANT基因的同源性很高, 特
异地在种子和胚中表达。BBM 在拟南芥和芸苔中的异
位表达造成转基因幼苗产生类似于胚和子叶状的结构,
包括肿瘤状物的生长、不依赖于激素的外植体再生以
及叶和花的形态变异, 说明BBM的功能与促进细胞生长
和胚胎发生期的形态发生有关(Bouti lier et al. , 2002)。
在烟草中异位表达BBM基因, 转基因植株也表现出类似
的表型, 包括愈伤组织形成、叶片皱缩和不育(Bout ilier
et al., 2002), 表明 BBM在烟草中也激活了细胞增殖途
径(Srinivasan et al., 2007)。
在枝条发育过程中, 拟南芥 ANT和烟草 NtANT 基
因的功能缺失突变体产生细胞数目减少, 侧枝体积减小
的表型。相反, ANT 和 NtANT 基因的功能获得(gain-
of-function)突变体, 细胞数目增加, 引起胚胎和枝条扩大
(Mizukami and Fischer, 2000)。此外, 在已经分化的
细胞中超表达 ANT 基因, 引起细胞增殖, 产生愈伤组
织、不定根以及枝条(Mizukami and Fischer, 2000)。
这些结果证明, ANT基因在器官形成中可以维持细胞分
生能力并调节细胞增殖和器官生长。
1.3.2 EREBP 亚族转录因子在分生组织中的作用
与 AP2亚族转录因子不同, 大多数EREBP亚族转录因
子参与了植物对激素和胁迫的应答, 但最近的研究显示,
也有一些 EREBP转录因子参与了植物发育的调节。玉
米的 BD1(Branched Silk less1)编码 1个 EREBP 转录
因子。bd1突变体的小穗分生组织特征发生了改变, 引
起小穗向枝梗转变(Chuck et al. , 2002; Zhu et al. ,
2003)。所以, BD1调节穗分生组织周围区域的分生组
织特征。水稻小穗特征基因FZP(frizzy panicle)与玉米
BD1高度同源。fzp突变体的穗分生组织转变为许多枝
梗分生组织, 小花转变为枝梗, 在每个异位的枝梗上常常
有几个退化的颖片; 突变体侧生分生组织的形成早于小
花分生组织的形成, 进而侧生分生组织退化或者形成更
高级的枝梗(Komatsu et al., 2003)。这表明, FZP 是
小穗分生组织内阻止侧生分生组织形成所必需的基因,
可以促进花分生组织的形成。另一个 fzp-9(t )突变体的
生长受到阻碍, 分蘖数减少, 一级和二级枝梗的发育正
常, 但是更高级的枝梗则形成连续的类似苞片的结构, 不
能形成小穗(Yi et al., 2005)。造成 fzp-9(t)突变体变异
的原因, 是由于 FZP的 AP2/ERF结构域上游的一个氨
基酸替换, 这个氨基酸残基是结合GCC box的6个氨基
酸残基之一, 影响了转录因子和顺式作用元件的结合(Yi
et al. , 2005)。以上研究表明, FZP 是小穗分生组织向
花分生组织转化所必需的基因。
TINY 是拟南芥的一个ERF 类转录因子。TINY 表
达量降低引起的突变表型与外施乙烯或细胞分裂素的效
果相似, 表现出由于细胞减小而引起的植株矮小、胚轴
缩短和不育等性状(Wilson et al. , 1996)。与 TINY 相
反, 拟南芥的另一个ERF类基因BOLITA (BOL)表达量
的升高引起细胞体积和数目减少, 导致叶片短小。而
BOL超表达则引起许多细胞增殖、分化和激素合成及
信号转导相关基因的表达发生改变(Marsch-Mart inez et
al., 2006)。拟南芥中, TINY 和 BOL可能相互拮抗, 共
同控制细胞的生长和增殖。DRN/ESR1 (DORNROS-
CHEN/ENHANCER OF SHOOT REGENERATION1)
是一个拟南芥ERF类转录因子基因, 在分生组织干细胞
中表达。drn/esr1突变体中, 茎尖分生组织的活动提前
终止。超表达 DRN/ESR1加强了茎尖分生组织的分化
(Banno et al. , 2001; Kirch et al. , 2003)。同时在 drn/
esr1突变体中, SHOOTMERIST-EMLESS基因的表达
下调, 而 2 个在分生组织中调节干细胞分化的基因
CLAVATA3 和 WUSCHEL的表达上调(Banno et al. ,
2001; Kirch et al. , 2003), 说明在分生组织中, DRN/
ESR1具有调节基因表达和干细胞分化的作用。
1.4 其它功能
细胞分裂素调节植物生长发育的许多过程。几个与拟
南芥 AP2/EREBP 转录因子紧密相关的功能未知的基
因, 受细胞分裂素的诱导, 表达量上调。这些 AP2基因
被命名为细胞分裂素响应因子(c y tok inin response
factors, CRFs)( Rashotte et al. , 2006)。受细胞分裂
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素的诱导, 它们的蛋白迅速积累于细胞核中。这种作用
依赖于组氨酸激酶和磷酸转移酶的作用(Rashotte et al.,
2006)。对功能缺失突变体的分析表明, 这些 CRFs 调
节胚、子叶和叶的发育, 而且它们还调节许多细胞分裂
素响应基因的表达(Rashot te et al. , 2006), 说明这些
CRFs 具有调节细胞分裂素初始反应的作用。
在幼苗发育过程中, 赤霉素(GA)具有促进种子萌
发、茎和胚轴伸长以及叶片扩张的作用。拟南芥 AP2
亚族转录因子LEAFY PETIOLE (LEP)参与了叶片发育
的调节, lep突变体产生没有叶柄的叶(van der Graaff et
al., 2000), 表明 LEP 可能参与了细胞分裂的过程。最
近的研究表明, LE P 在吸涨和萌发的种子中表达。另
一个 LEP -null突变体(lep-1)的胚轴缩短, 说明 LEP 参
与了幼苗发育。而且, lep-1突变体对 GA 不敏感, 但
对GA合成抑制剂多效唑(pac lobutrazol)的敏感程度增
加(van der Graaff et al. , 2000), 说明 LEP是GA 诱导
萌发途径的正向调控因子, 具有促进赤霉素诱导种子萌
发的作用。
胚珠在植物繁殖中扮演着重要的角色, 可以产生雌
配子体。ANT 基因的突变严重影响胚珠的发育。强的
ant突变体虽然可以形成大孢子母细胞, 但是不能形成珠
被和雌配子体, 导致植株不育(El l iot t et al . , 1996;
Klucher et al. , 1996)。在开花植物中, 根据近轴还是
远轴, 侧生器官表现出极性; 位置不同, 细胞也会有不同
的形态。Y A BB Y 基因参与了器官极性的控制。最近
的研究表明, 虽然 ant 单突变体没有表现出明显的极性
改变, 但是 ANT与一个或者多个YABBY基因同时缺失
功能, 会引起突变体产生严重的细胞极性改变。这些结
果说明, ANT与YABBY具有共同促使细胞产生极性的
作用(Nole-Wilson and Krizek, 2006)。
玉米的一个AP2亚族基因Gl15(Glossy15), 以细胞
自主的方式, 调节叶表皮细胞特征, 影响幼叶向成熟叶的
转化过程(Moose and Sisco, 1994, 1996)。gl15突变
体的表皮细胞很早就停止生长, 表现出幼年细胞的特
征。这种改变只涉及表皮细胞, 对生殖生长没有影响。
Lauter等(2005)报道, 玉米中microRNA172的同源基因
可引起Gl15 mRNA 的降解, 表明玉米营养生长不同阶
段间的转变依赖于miR172和Gl15的相互作用, miR172
通过抑制Gl15的表达, 促进植株向成熟性状的转化。
芸苔属(Bras s i ca )2 个 E RF 基因(BNCB F5 和
BNCBF17)的超表达, 使转基因植株具有了更强的耐寒
性, 增强了光合效率和光合能力(Savitch et al., 2005)。
雏豆中的 1个 AP2/EREBP基因 CAP2, 在烟草中超表
达, 转基因植株的叶细胞体积增加, 叶表面积增大, 侧根
数目增多。转基因植株还表现出对干旱和盐胁迫的抗
性(Shuk la et al., 2006), 表明CAP2同时参与了植物发
育和胁迫途径的调节。
2 EREBP转录因子在胁迫信号转导中
的作用
植物在生长过程中经常受到逆境的影响, 导致作物产量
降低。AB A 在植物抵抗逆境中起重要作用。逆境可以
诱导植物大量产生ABA, ABA诱导基因的表达, 使植物
产生了对逆境的抗性。
EREBP转录因子在ABA诱导的胁迫信号转导途径
中, 作为正调控或者负调控因子, 调节下游基因的表达。
DREB 类转录因子, 包括拟南芥 A BI4、DREB 1D/
CBF4, 玉米的 DBF1和 DBF2等参与了 ABA和胁迫信
号的转导途径。从玉米中分离出 2 个 E RE B P 基因,
DBF1和 DBF2。DBF1可以被干旱、NaCl 和 ABA 诱
导。反式激活(t ransact ivation)实验证明 DBF1在 ABA
的诱导下, 与RAB17(response-to-ABA)的DRE元件结
合, 启动了RAB17基因的表达。而在 ABA 的诱导下,
DBF2与 DRE元件结合, 却抑制了 RAB17基因的表达,
同时也抑制了ABA 的效应(Kizis and Pages, 2002)。
这表明ABA可以通过DREB转录因子, 激活或抑制DRE
顺式作用元件介导的基因表达。Narusaka等(2003)分
析了 RD29A 基因启动子的结合特性。结果显示, DRE
顺式元件可以作为 ABA反应元件 ABRE(ABA-respon-
sive element)的一个耦合元件(coupling element)起作
用, 说明在 ABA 诱导基因表达的信号途径中, DRE 和
ABA 反应元件 ABRE 是相互配合且相互作用的。
拟南芥的一个EREBP转录因子AtERF7是ABA信
95赵利锋等: AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中的作用
号转导中的负调控因子。At ERF4 可被茉莉酸、乙烯
和 ABA诱导表达。AtERF7能够与参与 ABA反应的蛋
白激酶PKS3相互作用, 同GCC-box结合并抑制基因的
表达。超表达 AtERF7降低了转基因植株保卫细胞对
ABA 的敏感性, 增加了水分的丧失。降低 AtERF7的
表达, 增加了萌发过程中转基因植株对 ABA 的敏感性
(Yang et al. , 2005; Song et al. , 2005)。这说明,
AtERF7抑制了 ABA 反应和胁迫诱导的基因表达。超
表达 AtERF4植株对乙烯不敏感, 表明 AtERF4还是乙
烯信号转导途径的负调控因子(Yang et a l. , 2005)。
ABR1(AP2-l ike ABA repressor 1)是拟南芥另一个
EREBP 转录因子。ABR1表达量的降低, 引起种子萌
发和根生长对ABA高度敏感, 对高渗环境也表现出高度
敏感。这说明 ABR1是拟南芥的又一个ABA 信号转导
的负调控因子(Pandey et al. , 2005)。
拟南芥的 DREB1A-D/ CBF 1-4、DREB2A 和
DREB2B 等转录因子是ABA 信号途径的正调控因子。
K n igh t 等(2004 )证明, 升高的 A B A 水平可以引起
DREB1B/CBF1基因的表达。DREB1C/CBF2也可以
由 ABA 诱导表达。在拟南芥中组成型表达 DREB1A/
CBF3, 引起了COR(cold-regulated)基因的表达; 编码脯
氨酸合成的关键酶——吡咯琳 -5-羧酸合成酶的基因表
达上升, 导致脯氨酸含量升高(Gilmour et al., 2000)。
游离脯氨酸含量的升高, 对植物增强胁迫抗性有直接的
作用。转基因植株的可溶性糖(如蔗糖、棉籽糖、葡
萄糖和果糖等)的含量也增加了, 转基因植株增强了对寒
冷的抗性(Gilmour et al. , 2000)。DREB1A/CBF3在
水稻中的超表达, 提高了植株对干旱和盐的抗性, 转基因
水稻没有表现出任何生长抑制或表型变异(Oh et al. ,
2005)。拟南芥的 DREB1D/CBF4(Haake et al., 2002)
与 DREB1A/CBF3、DREB1B/CBF1和 DREB1C /
CBF2(Gilmour et al., 1998; Shinwari et al. , 1998;
Medina et al. , 1999)有很高的序列一致性。与其它 3
个DREB1/ CBF被寒冷诱导不同, DREB1D/CBF4不受
寒冷胁迫的诱导, 但是可以被干旱胁迫和 ABA 所诱导
(Haake et al. , 2002)。此外, 在转基因拟南芥中超表
达 DREB1D/CBF4, 激活了含有 DRE/CRT元件的下游
基因, 这些基因与寒冷和干旱的适应性有关(Haake et
al . , 2002 ; Kni gh t et al . , 2004 )。上述研究表明
DREB1D/CBF4受 ABA诱导, 并通过与 DRE元件的相
互作用, 激活下游基因的表达。因此, DREB1D/CBF4
是 AB A 介导的胁迫信号转导途径的正调控因子。
以上研究表明, EREBP转录因子在依赖于ABA的
胁迫信号转导途径中, 正向或负向调控下游基因的表
达。但有些 EREBP 转录因子只参与不依赖于 ABA 的
胁迫信号转导途径, DRE/CRT 元件在此信号途径中起重
要作用(Medina et al. , 1999)。Liu等(1998)的研究发
现 D R E B 1 A 在不依赖于 A B A 的寒冷信号转导中,
DREB2A 在不依赖于ABA 的干旱信号转导中, 分别通
过与 DRE的相互作用, 激活胁迫响应基因 RD29A的表
达(Narusaka et al. , 2003)。最近, Sakuma 等证实,
超表达AtDREB2A增强了下游干旱诱导基因的表达, 提
高了拟南芥的耐旱特性, 同时延缓了转基因植物的生长
(Sakuma et al. , 2006a)。在正常生长条件下, 完整
DREB2A基因的表达不会激活下游基因, 因为有一个负
调控域存在于DREB2A的中央序列中, 删除该区域就将
DREB2A转变为组成型激活的形式(constitut ive active
form, CA) (Sakuma et al. , 2006b)。在拟南芥中超表
达激活型DREB2A CA不仅会引起干旱和盐响应基因的
表达, 还会引起热激相关基因的表达(Sakuma et al. ,
2006b)。瞬时表达实验表明 DREB2A 可以迅速被热激
诱导, 融合蛋白积累于热激胁迫细胞的细胞核中。超表
达 DREB2A CA 显著增加了转基因植株的耐热性, 而
DREB2A-knockout 植株则降低了耐热性(Sakuma et
al. , 2006b)。这些结果表明 DREB2A 在热和水胁迫的
信号途径中都发挥作用。DRE B 2A 介导的不依赖于
ABA的信号转导途径, 与adr1(act ivated disease resis-
tance 1)激活的信号转导途径形成了交叉(Chini et al. ,
2004)。在ABA诱导下, DREB2A也可能通过与ABRE
元件结合蛋白的协同作用, 再分别作用于DRE和ABRE
元件, 启动下游胁迫基因的表达。
在水稻中研究 DRE B 转录因子的功能具有重要意
义。Dubouzet等从水稻中分离了 5个 DREB同源基因,
O s D R E B 1 A、O s D R E B 1 B、O s D R E B 1 C、
96 植物学通报 25(1) 2008
OsDREB1D和OsDREB2A (Dubouzet et al., 2003)。
OsDREB1A 和OsDREB1B被寒冷诱导表达, 而OsD-
REB2A 的表达受干旱和高盐的诱导。OsDREB1A 基
因的超表达导致转基因植物对干旱、高盐和冷冻胁迫
具有更高的耐受性(Dubouzet et al., 2003)。分析已知
的 DREB 转录因子的序列, 发现所有冷诱导的 DREB1
成员都有 2个保守序列, 紧挨着 AP2/ERF 结构域的两
侧, 其上游存在PKK/RPHGRxKFx-ETRHP保守序列, 其
下游存在 DSAWR保守序列; 而所有高盐和干旱诱导的
DREB2亚族转录因子则不具有这2个保守序列(Dubouzet
et al., 2003)。这 2个序列在 DREB1成员中的保守性说
明它们在植物抗低温反应中发挥重要的作用。
在植物应对生物和非生物胁迫的过程中, 乙烯是重
要的调节因子。植物基因接受乙烯诱导的顺式作用元
件是GCC box(Eyal et al., 1993)。利用GCC box 作
为探针, Ohme-Takagi和 Shinshi (1995)首次从烟草中
分离到 EREBP亚族的 4个基因, EREBP1-4。这 4个
基因在组织中普遍表达, 但经乙烯处理后, 4个EREBP
基因的转录水平很快上升(Ohme-Takagi and Shinshi,
1995)。从番茄中分离出1个EREBP亚族转录因子Sl-
ERF2。超表达 Sl-ERF2的转基因番茄植株产生了未成
熟种子提前萌发的现象, 说明转基因植株对乙烯超敏感
(Pirrel lo et al. , 2006)。
ERF基因不仅受乙烯的调控, 还受到其它激素或环
境因素的诱导, 例如, 番茄 Pt i-4、Pti-5和 Pti-6基因表
达不仅受到乙烯的诱导, 还受到水杨酸和茉莉酸的诱导,
继而调节下游的 PR3、PR4、PDF1.2和 Thi2.1等 PR
基因的表达(Gu et al. , 2002)。最近, Park等(2001)报
道了烟草中一个编码 ERF/AP2转录因子的基因 Tsi1,
该基因不仅在乙烯诱导, NaCl、ABA 和水杨酸处理的
叶中表达, 还可以被干旱、水淹和盐胁迫诱导而表达。
Tsi1蛋白不仅可以与GCC box结合, 并且可以微弱地与
DRE顺式元件结合。Tsi1基因的超表达提高了植株对
高盐和病原的抗性(Park et al. , 2001)。最近的研究还
发现, Ts i1 的互作蛋白是一个 DnaJ-ty pe 锌指蛋白
(Ts ip1), 两者可以在体内或酵母中发生相互作用(Ham et
al., 2006)。同时超表达 Tsi1和 Tsip1可以使转基因植
物产生更强的对高盐和病原的抗性(Ham et al. , 2006)。
这表明Tsi1和 Tsip1的互作可激活胁迫抗性基因和病原
相关基因的表达。
大多数水稻品种完全被水淹没一周, 会引起植株的
死亡。但一些耐受品种可以忍受水淹 2 周。这种特性
与 submergence-1(Sub-1)数量性状位点有关。该位点
包含 2个或 3个 ERF 类转录因子相关基因, Sub-1A、
Sub1B和Sub1c。几乎所有的水稻品种都有Sub1B和
Sub1c, 但不一定有 Sub-1A(Xu et al. , 2006)。在一个
不耐水淹的水稻品种中超表达Sub-1A-1, 增强了植株的
耐淹性, 同时下调了 Sub1c的表达, 上调了乙醇脱氢酶
I的表达(Xu et al. , 2006)。这说明 EREBP 转录因子
Sub-1A-1是水稻耐受水淹的主要相关基因。
Gilmour等(1998)提出存在一个名为ICE(inducer of
CBF expression)的上游转录因子。它在常温下以非活
性形式存在, 受低温激活后的 ICE 因子可诱导DREB1
基因的转录。Kanaya等(1999)发现, 当温度发生变化
时, CBF1蛋白的高级结构也随之发生变化, 蛋白质分子
向两端延伸, 变化的部分包括 A P 2 / E RF 结构域。
DREB/CBF受bHLH型转录因子 ICE1的调节, ICE1的
超表达增强了DREB/CBF的表达, 因而提高了转基因植
株对寒冷的耐性(Chinnusamy et al. , 2004)。DREB /
CBF也受Ca2+系统的调节, 因为研究发现CAX1 (Ca2+/
H+转运蛋白)和 CBL1(Ca2+-sensor protein)的变异影响
了 DREB /CBF 基因的表达模式(Allen et al. , 2002;
Catala et al., 2003)。
J cE RF 是木花生中的一个 A P2 / ERE BP 基因。
JcERF 的表达可以被高盐、干旱、乙烯和机械伤害诱
导, 但不能被 ABA 诱导。它的蛋白产物可以与GCC-
box结合。拟南芥中超表达 JcERF 增强了植物对盐和
寒冷的耐性(Tang e t al . , 2006 )。在黄豆油叶中,
GmDREBa 和 GmDREBb的表达在叶中受冷和干旱的诱
导, 而GmDREBc的表达在根中受干旱、盐和ABA处理
的诱导(Li et al., 2005)。辣椒中的一个 DREB基因 Ca-
DR E B LP 1 可以被干旱、高盐和机械伤害快速诱导
(Hong and Kim, 2005)。小麦中的一个 DREB 基因可
以被低温和干旱快速诱导 , 但不能被 A B A 诱导。
97赵利锋等: AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中的作用
AtERF14是植物防御反应中的重要基因, AtERF14的功
能获得突变体增强了防御基因的表达, 而其功能缺失突
变体中防御基因的表达受到抑制, 植株更容易受到镰刀
菌(Fusarium oxysporum)的侵害(Onate-Sanchez et al.,
2007)。CARAV1具有 1个 AP2/ERF结构域和 1个B3
DNA结合域, 可以被环境胁迫诱导表达, 提高植物对病
原侵害和环境胁迫的抗性(Sohn et al. , 2006)。
3 结语和展望
AP2/EREBP转录因子是一个在单一物种中具有100多
个成员的多基因家族。分析这个基因家族的功能, 会遇
到一些困难, 因为有些基因会表现出功能冗余的特征, 比
如拟南芥的 AP2和 ANT, 以及 DREB 转录因子。然而,
AP2/EREBP转录因子在植物发育和胁迫应答中发挥着
广泛的作用, 涉及植物生长、发育和胁迫应答的各个方
面, 说明 AP2/EREBP 转录因子的功能分化已经形成。
目前许多AP2/EREBP转录因子的功能已经被阐明, 然
而我们对于AP2/EREBP介导的基因调节和信号转导的
机理还缺乏实验证据证明。AP2/EREBP 转录因子是
如何调控其它基因表达？是在转录水平还是在翻译水
平？ A P 2/ E REB P 蛋白如何与其它蛋白相互作用？
AP2/EREBP转录因子为我们提供了一个很好的研究基
因之间相互作用的探索平台。
研究AP2/EREBP转录因子的进化将会是一项有趣
而且富有挑战性的工作。因为大多数植物物种都具有
许多 AP2/EREBP转录因子, 研究AP2/EREBP基因的
进化将有助于了解整个植物界的进化史。一些相关的
研究工作已经展开。比如, Magnani 等(2004)的研究表
明, 细菌和病毒的 AP2/EREBP有 1-4个 AP2/ERF结
构域, 具有 HNH内切核酸酶的作用。植物中的 AP 2/
EREBP基因可能起源于细菌和病毒, 再通过移位和复制
等方式在植物中得到扩增。
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Abstr act APETALA2/ethylene responsive-element binding proteins (A P2/EREBPs) are an anc ient super family of transc ription
factors. AP2/EREBPs are distinguished by containing one or tw o conserved DNA binding domains, the so-called AP2/ERF DNA
binding domain, w hich cons is ts of approx imately 60-70 amino acid residues . According to the number of A P2/ERF domains , the
AP2/EREBP family is div ided into tw o subf amilies : EREBPs, w hich contain one AP2/ERF domain, and A P2s, w hich contain tw o AP2/
ERF domains. The main func tion of the A P2 subf amily is regulation of development of f low ers, ovules, and seeds etc., and the
EREBP subfamily plays important roles in regulating the response to plant hormones (ethy lene, A BA etc.) , pathogen attack and
stresses (cold, drought and high salt etc .). This paper review s the progress of research into the AP2/EREBP f amily of transcr iption
factors in the development and stress response of plants.
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(责任编辑: 孙冬花)
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* Author for correspondence. E-mail: ty chai@gucas.ac.cn