全 文 ：第27卷 第2期
2015年2月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 27, No. 2
Feb., 2015
文章编号：1004-0374(2015)02-0208-09
DOI: 10.13376/j.cbls/2015030
收稿日期：2014-05-28； 修回日期：2014-07-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(31060258,
31260297)；云南省中青年学术技术带头人后备人才培
养基金资助项目(2006PY01-10)
*通信作者：E-mail: likunzhi63@126.com；Tel: 153-
98533250
植物bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路研究进展
王昕嘉，李昆志*
(昆明理工大学生命科学与技术学院，昆明 650500)
摘　要：干旱、高盐以及低温作为主要的非生物胁迫在全球范围内影响了许多粮食作物的生长和产量。植
物对非生物胁迫的适应性应答主要是通过复杂的信号通路改变大量下游基因表达来实现。bHLH作为植物
体内第二大类转录因子，能与 E-box顺式作用元件特异性结合，调控胁迫 -应答相关基因的表达。侧重对
植物中 bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路的最新研究进展进行综述，以期进一步了解植物 bHLH转
录因子在逆境胁迫方面发挥作用的分子机理，为基因工程调控植物应答胁迫的能力提出理论依据。
关键词：非生物胁迫；植物 bHLH转录因子；胁迫信号通路；胁迫耐受性
中图分类号：Q948.112　　文献标志码：A
Progress of plant bHLH transcription factors
involved in abiotic stress signaling pathways
WANG Xin-Jia, LI Kun-Zhi*
(School of Life Science and Technology, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)
Abstract: The growth and yield of many grain crops are influenced by drought, high salt concentration, and low
temperature, which are main abiotic stress factors throughout the world. The adaptive response of plants to abiotic
stress is realized mainly through complex signaling pathways changing the expressions of many downstream genes.
As the second largest category of transcription factors, the bHLH transcription factors in plants could regulate the
expression of the stress-responsive genes with the specific binding to the E-box cis-acting element in their
promoters. In this paper, the new progress of plant bHLH transcription factors involved in abiotic stress signaling
pathways is reviewed. We hope to further understand the molecular mechanisms of the plants bHLH transcription
factors functioning under environmental stress, so as to provide theoretical basis for regulating the stress-responsive
capability of plant through the genetic engineering.
Key words: abiotic stress; plant bHLH transcription factors; stress signaling pathways; stress tolerance
非生物胁迫是植物生长以及粮食产出的主要制
约因素之一。植物经过长期的进化演化出一系列对
非生物胁迫的适应性应答。简单来说，植物的这种
适应性应答主要是通过复杂的信号通路改变大量下
游基因表达来实现。信号通路的第一步是信号的感
受，紧接着产生二级信号物质，这些物质通常是非
蛋白分子，如 Ca2+、磷酸肌醇 (inositol trisphosphate,
IPs)和活性氧 (reactive oxygen species, ROS)等，通
过这些信号物质水平的变化将信号进一步向下传
递。二级信号物质有能力起始蛋白的磷酸化以调控
某些特定转录因子的活性，从而最终调控目的基因
的表达 [1]。
越来越多的证据表明植物胁迫信号传递是由大
量的胁迫相关基因组成。当植物处于胁迫环境下，
不同的基因会受到抑制或诱导。这些基因基于它们
王昕嘉，等：植物bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路研究进展第2期 209
所编码蛋白的功能被分为两大类 [2-4]：第一类由直
接作用于保护植物细胞不受胁迫伤害的功能性蛋白
(functional proteins)组成，包括渗透保护剂所需的
酶 (enzymes required for osmoprotectants)、胚胎发育
晚期丰富 (late embryogenesis abundant, LEA)蛋白、
水孔蛋白 (aquaporins)、分子伴侣 (molecular chaperones)
以及解毒酶 (detoxification enzymes)等；第二类由负
责信号转导以及调控基因表达的调节蛋白 (regulatory
proteins)组成，以转录因子 (transcription factors,TF)
和蛋白激酶 (protein kinases)为代表。植物对非生物
胁迫的适应性应答最终是通过编码多样的功能性蛋
白来发挥作用 , 如植物应对干旱胁迫的主要机制是：
植物感知胁迫，通过信号物质转导信号，最终作用
于激活大量与胁迫相关的基因，合成多种功能性蛋
白，从而产生不同的生理和代谢应答 [5]，而在整个过
程中调节蛋白所起的作用不可或缺。其中，转录因
子能与各类胁迫相关基因启动子区域内的顺式作用
元件相结合，从而激活下游或整个系统的基因，使
它们协同作用于提高植物对胁迫的耐受性。与其他
功能蛋白相比，转录因子能潜在地产生更多的响应。
这些特性决定了转录因子适合作为调控胁迫耐性的
候选因子 [6]。同时， Chen等 [7]研究表明，植物体内
的转录因子也的确参与了抗逆境胁迫应答，通过利
用基因芯片技术对胁迫条件下拟南芥 (Arabidopsis
thaliana)中 402个转录因子的表达水平进行分析，发
现有 28个编码转录因子基因的表达都受到胁迫诱导。
1　植物bHLH转录因子
bHLH (basic helix loop helix)转录因子是植物
体内第二大类转录因子，因含有 bHLH结构域而得
名。bHLH结构域高度保守，大约包含 60个氨基酸，
一般由两个在功能上完全不同的区域组成：碱性区
域和螺旋 -环 -螺旋结构域。N-端的碱性区域作为
DNA结合域发挥作用，大约由 15个氨基酸残基组
成，其中包括约 6个碱性氨基酸残基。它能与靶基
因启动子区域中顺式作用元件 E-box (5-CANNTG-3)
特异性结合，以 G-box (5-CACGTG-3)形式最为常
见。C-端的螺旋 -环 -螺旋结构域由两个双亲的 α-
螺旋通过一个不定长度的环结构连接起来，组成环
结构的氨基酸大多为疏水氨基酸。两个 bHLH蛋白
的双亲 α-螺旋能够发生互作，形成同源或者异源
二聚体。与植物其他转录因子一样， bHLH转录因
子也参与了非生物胁迫应答。在最近的报道中，植
物 bHLH蛋白可能从气孔的发育、叶毛与根毛的发
育和对脱落酸 (abscisic acid, ABA)的敏感性几方面
参与植物耐旱应答 [8]。本文通过对 bHLH转录因子
参与胁迫信号通路的研究进行综述，以期进一步了
解 bHLH转录因子在逆境胁迫中所起的作用，为人
为调控植物应答非生物胁迫提供更多的理论依据。
2 依赖于ABA的信号途径(The ABA-dependent
signaling pathways)和独立于ABA信号途径
(The ABA-independent signaling pathways)
ABA是一种重要的植物激素，在植物应答胁
迫过程中起着重要的作用，它能诱发一系列的存活
机制：对光合作用的抑制、对呼吸作用的激活以及
控制气孔的闭合 [9]。简言之，ABA能抑制 Ca2+的
内流，降低膜上的质子泵活性，使质膜去极化，最
终导致气孔的关闭 [10]。根据 ABA的参与情况将植
物中胁迫应答信号通路分为两类：依赖于 ABA的
信号途径和独立于 ABA的信号途径。相应地，在
应激诱导基因启动子区域内的顺式作用元件也分为
两大类：依赖于 ABA的信号途径对应 ABRE (ABA-
responsive elements)元件；独立于ABA的信号途径对应
DRE (dehydration responsive elements) [CRT (C-repeat)]
元件 [11]。根据这个分类， bHLH转录因子参与胁迫
信号传递的分子机制也可分为这两部分。
2.1　独立于ABA信号途径
2.1.1　ICE1-CBF冷响应通路
据推测，正常生长温度下的拟南芥细胞中存在
一个组成型表达的转录因子，它能识别 CBF (CRT
binding factors)基因的启动子，且能在冷胁迫条件
下诱导 CBF基因的表达，故将其命名为 ICE (inducer
of CBF expression)[12]。之后研究发现的 ICE1基因
编码了一个 bHLH转录因子，它能与 CBF3基因的
启动子结合，验证了之前的假说 [13]。在野生型拟南
芥中，室温下过量表达 ICE1并不能激活下游 CBF3
基因的表达，而在冷胁迫下过量表达却能提高
CBF3基因的表达量。CBFs/DREBs (DRE-bindings)
蛋白也是一类与胁迫相关的转录因子，它们能激活
或抑制启动子区域内具有 DRE/CRT元件的下游基
因，如 COR15和 COR47基因。过表达 CBF1[14]与
DREB1a/CBF3[15]均能在正常温度下诱导 COR (cold-
regulated genes)家族基因的表达。ice1突变体抑制
了 CBF3基因以及其下游基因的表达，最终导致植
物的抗冻性显著下降。与野生型相比，在纯合子
ice1突变体中约有 40%的冷响应基因表达受到抑
制，这些基因中有 46%编码了冷调控相关的转录
生命科学 第27卷210
因子 [16]。这些结果说明，ICE1参与了植物感受冷
胁迫信号以及传递信号的过程：外界温度降低的信
号通过某种途径传递至 ICE1， ICE1在冷胁迫下能
激活下游 CBF3基因，胁迫信号传递至下游 CBF转
录因子，进一步激活 CBF下游基因的表达，使植
物表现出耐冷性和抗冻性。这一研究首次发现了
bHLH转录因子在胁迫信号传递过程中起着不可替
代的作用，ICE1作为上游调控因子，调控了包括
CBF在内的许多冷响应元。之后在拟南芥中发现的
ICE2与 ICE1在编码 bHLH结构域序列上完全相同，
过量表达 ICE2能显著提高转基因拟南芥的耐冷性。
推测 ICE2与 ICE1相似，能够通过直接激活 CBF1
的表达来调控更多冷响应基因的表达 [17]。
ICE1转录因子仅当植物暴露于低温环境才诱
导 CBF和其他冷胁迫响应基因，因此转录后修饰
对 ICE1的活性起着重要作用 [18]。低温胁迫诱导了
ICE1的 SUMO (small ubiquitin related modifier)化 [19]，
保护了 ICE1蛋白的活性与稳定性。同时，泛素
E3连接酶 HOS1[20]通过泛素化介导了 ICE1蛋白
表达水平的降低。SUMO化与泛素化可能互为拮
抗关系，它们共同作用调控了 ICE1的活性。在过
量表达 MdCIbHLH1 (cold-Induced bHLH1)基因的苹
果 (Malus × domestica)组织中，MdCIbHLH1蛋白
同样发生了泛素化及 SUMO化修饰，MdCIbHLH1
的基因结构和氨基酸序列都与 ICE1具有较高的相
似性 [21]。低温下，胁迫信号可能通过 ICE1蛋白的
转录后修饰引起 ICE1蛋白表达水平的变化，从而
将胁迫信号继续向下传递。
ICE1-CBF冷响应通路在多种植物种类中是
保守存在的，包括茶树 (Camellia sinensis)[22]、小
麦 (Triticum aestivum)[23] 、苹果 [21] 、番茄 (Solanum
lycopersicum)[24-25] 、赤桉 (Eucalyptus camaldulensis)[26] 、
板蓝根 (Isatis tinctoria L.)[27] 以及荠菜 (Capsella bursa-
pastoris)[28]等。 其中，单子叶植物中一般具有两种
ICE同源性较高的蛋白，它们的相对分子质量分别
为 40 × 103和 55 × 103，而双子叶植物中大多仅
有一个 ICE基因 [29]。在白菜 (Non-heading Chinese
cabbage)中，同源性分析、蛋白质二级结构分析和
冷胁迫下表达谱分析均表明 BrICE1、BrCBF以及
BrCOR14在冷响应通路中所起的关键性作用与拟南
芥中 ICE1、CBF3以及COR15b基因的模式相类似 [30]。
同时，BrCBF以及 BrCOR14通过独立于 ABA的途
径参与了胁迫下的诱导应答。水稻 (Oryza sativa L.)
中 ICE1的同源性蛋白 OsICE1和 OsICE2作为上游
转录调控因子，参与了上调冷胁迫诱导表达转录因
子 OsDREB1B和 OsHSFA3 (rice heat shock factor A3)
的表达水平。冷胁迫仅提高了 OsICE1和 OsICE2
的蛋白表达水平，而编码它们基因的表达量并未提
高 [29] ，相似于拟南芥中 ICE1的转录后调控机制。
中国野生山葡萄 (Vitis amurensis)中的 VabHLH1以及
赤霞珠品种葡萄 (Vitis vinifera cv. Cabernet Sauvignon)
中的 VvbHLH1在氨基酸序列方面具有较高的相似
性 (99.1%)。冷胁迫 24 h后，过表达 VabHLH1时，
拟南芥中 AtCBF3基因的表达量高出对照组拟南芥
6.5倍；而过表达 VvbHLH1时，AtCBF3基因的表达
量高出对照组拟南芥 4.5倍。与 ICE1转录因子类似，
VabHLH1蛋白和 VvbHLH1蛋白在冷胁迫下可能通
过一个依赖 CBF的冷信号途径起着关键性的调控作
用 [31]。
2.1.2　独立于ABA信号途径
参与独立于 ABA信号途径胁迫应答基因的表
达，一直被认为是通过 DRE元件进行调控的。以
OrbHLH2为例，与野生型种子相比，OrbHLH2过
表达植株种子的萌发表现出对外源 ABA相似的敏
感性。过表达植株中 DREB1A/CBF3、COR15A、
RD29A以及KIN1基因的表达量显著高于野生型 [32]。
OrbHLH2可能作为 DREB1/CBF的上游调控因子起
作用，OrbHLH2接受到胁迫信号后，诱导 DREB1/
CBF基因的表达并将信号向下转导，DREB1/CBF
特异性地与 COR15A、RD29A以及 KIN1等下游作
用基因启动子区域内的 DRE/CRT元件相结合，诱
导下游基因表达，最终表现出胁迫应答。ICE1-CBF
冷响应通路也可以归为独立于 ABA信号途径，以
上几个 bHLH蛋白都作为 CBFs/DREBs类转录因子
的上游激活因子，将胁迫信号向下传递。
外源 ABA处理对拟南芥 bHLH122的表达并未
产生显著性变化。与野生型相比，干旱胁迫诱导
bHLH122基因表达量升高的现象在 ABA-缺陷性突
变体 (aba2-1)和 ABA-不敏感突变体 (abi4-1)中也
无明显差异。同时，芯片结果显示：部分可能的
bHLH122 作用靶基因，如 CCA1 (circadian clock-
associated 1) 、SZF1 (salt-inducible zinc finger) 以及
ZAT10 (salt-tolerance zinc finger)等对外源 ABA并
不敏感 [4]。bHLH122可能通过独立于 ABA信号途
径直接调控胁迫应答基因的表达。而在非胁迫条件
下，过量表达 bHLH122会使植物体内的 ABA含量
升高，这可能是由于过量表达 bHLH122抑制了
CYP707A3基因的转录。CYP707A3基因编码一个
王昕嘉，等：植物bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路研究进展第2期 211
ABA 8-羟化酶，在脱水和复水后的拟南芥中决定了
体内 ABA的阈值水平 [33]。CYP707A3基因的 mRNA
水平在过量表达 bHLH122植株中显著下调，而在
bhlh122突变体植株中明显上调。这些结果又表明，
bHLH122通过抑制 CYP707A3的转录水平来提高植
物体内 ABA的含量，最终通过改变气孔开度等途
径来应答干旱、盐和渗透胁迫。总之，在过量表达
bHLH122植株中，存在着依赖于 ABA的信号通路
和独立于 ABA信号途径相交叠的现象。
2.1.3　JA信号通路
水稻中茉莉酸 (jasmonates, JA)响应基因 RERJ1[34]
编码了一个 bHLH蛋白，RERJ1基因能被外源 JA
诱导，同时机械损伤和干旱胁迫也能上调其在水稻
叶中的表达，而外源 ABA并不能诱导它的表达。
推测 RERJ1可能是通过 JA信号通路获得胁迫信号
参与了胁迫应答。2011年，Seo等 [35]的研究进一
步补充了这一信号通路：水稻中 OsbHLH148基因
编码了一个 bHLH转录因子，在没有茉莉酸的条件
下，OsbHLH148与 OsJAZ发生相互作用，从而抑
制了 OsbHLH148的活性。植株处于胁迫环境下，
具有生物活性形式的茉莉酸 JA-lle (jasmonoyl
isoleucine)的水平上升，促进了 26S蛋白酶体介导
的 OsJAZ降解。在接受到茉莉酸信号后，OsJAZ
的降解释放了转录因子 OsbHLH148。这说明，
OsbHLH148参与了茉莉酸信号通路中发生在上游
的应答起始阶段。AtDREB1A编码的蛋白在拟南芥
中作为非生物胁迫应答 (脱水、高盐和低温胁迫 )
的一个关键性转录因子，以独立于 ABA的方式起
作用，而作为同源基因的 OsDREB1A通过茉莉酸
信号途径获得干旱信号，最终表现出干旱耐性。
OsDREB1A基因在茉莉酸甲酯 (metjasmo, MeJA)处
理 15 min后受到诱导表达，在干旱条件下也能逐渐
被诱导表达，但 ABA并不能诱导其表达。在干旱胁
迫条件下，OsbHLH148的诱导表达时间点要早于
OsDREB1A的诱导表达时间点。过表达 OsbHLH148
植株与野生型植株相比，OsDREB1表达水平明显
上调。这些结果说明，OsDREB1可能作为OsbHLH148
转录因子的下游靶基因。同时，过表达 OsbHLH148
植株与野生型植株相比，表达量上调的基因中有 29
个基因的启动子区域内含有一个以上的 DRE核心
序列 (A/GCCGAC)拷贝，OsDREB1蛋白能特异性
识别该核心序列。OsDREB1受到诱导激活后，也
会激活其下游的目标作用基因，最终使过表达
OsbHLH148植株表现出干旱耐性。
值得注意的是：分别用MeJA、ABA以及MeJA +
ABA处理后，水稻中 OsbHLH148的表达均受到诱
导。MeJA+ABA的诱导表达水平高于MeJA，ABA
最低。非生物胁迫促进了水稻中MeJA和 ABA的
生物合成；OsbHLH148通过MeJA与 ABA协同介
导参与了水稻对非生物胁迫的适应性。拟南芥中的
AtJMT基因编码的蛋白参与了 MeJA的生物合成，
过量表达 AtJMT使转基因水稻中的 OsSDR基因获
得上调表达，OsSDR基因编码的蛋白参与 ABA的
生物合成，从而使非干旱条件下转基因水稻幼穗组
织中的 ABA水平上升 [36] 。同样，在干旱条件下，
茉莉酸水平可能先升高，之后 ABA的水平也出现
相应升高。
2.2　依赖于ABA的信号途径
ABRE元件能与 bZIP家族的转录因子发生特
异性结合，而几乎所有 ABA胁迫应答相关基因的
启动子都包含 ABRE元件。一些 bHLH家族的基因
参与了非生物胁迫的耐受性，但在对盐胁迫应答过
程中并不依赖 ABA，这表明在胁迫条件下，bHLH
家族中的部分基因成员 [30, 32]可能不涉及依赖于
ABA的信号通路。但部分 bHLH基因也会受到外
源 ABA处理的诱导，如 AtMYC2和 AtAIB[37-38]，说
明也有 bHLH蛋白参与了依赖于 ABA的信号途径
调控机制。
2.2.1　间接参与依赖于ABA的信号途径
间接参与依赖于 ABA的信号途径可能是通过
ABA处理，诱导 bZIP蛋白的表达，结合启动子区
域内含有 ABRE元件的下游靶基因 (bHLH包括在
这些基因中 )，bHLH受到诱导表达后，再调控其
自身下游靶基因的表达，最终表现出对非生物胁迫
的抗逆性。香杨 (Populus koreana Rehd) PkbHLH2
基因 [39]的启动子区域内具有 ABRE核心元件，
PkbZIP2能与该核心元件发生特异性结合，调控
PkbHLH2基因的表达。同时，ABA和氧化胁迫都
能上调 PkbHLH2基因与 PkbZIP2基因的表达，且
表达模式类似。PkbHLH2基因作为 PkbZIP2转录
因子的下游靶基因，通过获得 PkbZIP2所传递的胁
迫信号，最终进一步传递信号，诱导 PkbHLH2自
身的下游靶基因表达。
2.2.2　直接参与依赖于ABA的信号途径
在拟南芥中，RD22 (responsive to desiccation 22)
基因是个脱水应答基因，其编码了一个 bHLH转录
因子，能被外源 ABA诱导表达。而这种诱导需要
在干旱胁迫下合成一种新蛋白。但 RD22基因的启动
生命科学 第27卷212
子内并未发现传统的ABRE元件 [40]。之后研究证实：
干旱胁迫下，体内合成了 bHLH相关蛋白 AtMYC2
和MYB相关蛋白 AtMYB2[37, 41]。在 ABA诱导下，
过量表达 AtMYC2增加了 RD22和 AtADH1基因的
表达水平，而在这两个基因的启动子内均含有
MYC和MYB特异性结合的位点。这些结果说明，
在干旱胁迫和盐胁迫下，bHLH (AtMYC2)蛋白与
MYB (AtMYB2)蛋白协作调控基因的表达可能是
ABA信号通路中的另一种调控系统。
在转基因植物中过量表达 AtMYC2和 (或 )
AtMYB2都使植物组织和种子表现出对 ABA更敏锐
的感受能力，而 Ds transposon插入纯合子突变体则
表现出较低的敏感性。之后发现：AtAIB基因编码
一个 bHLH转录因子，AtAIB基因过量表达能提高子
叶和幼苗根系对 ABA的敏感性；T-DNA插入 AtAIB
的表达导致植物对 ABA敏感性降低。土培 AtAIB过
表达植株增强了植株的干旱耐受性。AtMYC2及
AtAIB这类 bHLH转录因子可能直接通过 ABA获
得胁迫信号，并作为信号传递中间体，最终将胁迫
信号进一步向下传递。
2.3　Ca2+结合型bHLH转录因子参与胁迫信号通路
AtNIG1是首个证实参与植物盐胁迫信号通路
的 Ca2+结合型 bHLH转录因子 [42]，AtNIG1定位在
核仁并能在体外与 Ca2+发生结合作用。与野生型相
比，atnig1-1敲除突变体对盐胁迫的敏感性显著提
高，同时，盐胁迫下突变体的成活率、干重等生理
指标均显著下降，这些都说明了 AtNIG1在盐胁迫
信号通路中起着至关重要的作用。与以上信号通路
不同的是，AtNIG1通过 Ca2+信号通路直接结合二
级信号物质 (Ca2+)，而 bHLH转录因子在这条通路
中同时作为 Ca2+感受体和转录因子发挥作用。
3　植物bHLH转录因子在参与非生物胁迫应答中
的下游靶基因
对 bHLH转录因子参与非生物胁迫应答中下游
靶基因的研究仍处于基础阶段，许多研究仅间接推
测出一些可能的下游靶基因。对于下游靶基因的研
究还需要科研工作者不懈的努力，争取为植物
bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路提供更多
的理论支持。
3.1　编码CBF/DREB转录因子基因
作为 bHLH的靶基因，bHLH转录因子能在胁
迫条件下激活编码 CBF/DREB转录因子基因的转
录，从而进一步激活 CBF/DREB转录因子的靶基因，
调控下游更多的胁迫响应相关基因。在拟南芥中，
电泳迁移率分析 (electrophoretic mobility shift assay,
EMSA)表明 ICE1能特异地与 CBF3启动子区域内
的MYC识别位点发生结合 [13]。苹果MdCIbHLH1
蛋白能与 AtCBF3和 MdCBF2启动子区域的 MYC
识别位点发生特异性结合并激活它们的表达 [21]。番
茄中 SlICE1a能与 SlCBF1 和 SlCBF3启动子区域内
的MYC元件直接作用来调控下游 CBF基因的转录
水平 [24]。编码 CBF/DREB转录因子的基因可能是
植物 bHLH转录因子在参与非生物胁迫应答中起关
键作用的一类下游靶基因。
3.2　编码参与ABA信号通路基因
EMSA和染色质免疫共沉淀 (chromatin immuno-
precipitation, ChIP)分析同时证明拟南芥 bHLH122
能直接与 CYP707A3基因启动子结合，抑制了
CYP707A3基因的转录，从而提高了体内 ABA含量。
过量表达 bHLH122基因能在非胁迫条件下提高植
物体内 ABA含量，而 ABA的产生会诱发一系列保
护机制。胡杨 (Populus euphratica)中的 PebHLH35
可能在干旱胁迫下诱导 FAMA基因的表达上调 [43]，
该基因在拟南芥中编码一个转录因子，负责保卫细
胞的分化，缺失该转录因子会导致气孔不能正常发
育 [44]。PebHLH35的过量表达显著降低了气孔的密
度和开度，从而降低了蒸腾速率。这些结果验证了
通过转录因子调控气孔的发育是一个响应干旱胁迫
的重要途径 [8]，显然植物 bHLH转录因子也参与了
这一应答。拟南芥中，RD22转录因子以转录激活
因子在逆境胁迫下参与 ABA信号转导过程。RD22
基因的启动子区域内具有 MYC (CANNTG) bHLH
以及MYB (C/TAACNA/G)识别位点，该基因的表
达受到 AtMYC2转录因子的调控，AtMYC2的单独
过表达能诱导下游 RD22基因的表达 [41]。
3.3　编码过氧化物酶(peroxidase, POD)基因
在枳 (Poncirus trifoliata)[3]中，通过酵母单杂
交 (yeast one-hybrid assay)与瞬时表达 (transient exp-
ression analysis)分析，表明 PtrbHLH转录因子能与
一个编码 POD基因的启动子区域内 E-box元件相
结合。无论在冷胁迫还是正常生长条件下，与野生
型烟草 (Nicotiana tabacum L.)和野生型柠檬 (Citrus
limon)相比，过表达 PtrbHLH烟草和柠檬中，POD
活性都显著升高，体内 H2O2的积累量则显著降低；
同时，通过 RNA干扰 (RNAi)下调 PtrbHLH表达
的植物中 POD的活性较低，体内 H2O2含量更高。
这些结果共同表明，PtrbHLH转录因子通过调控
POD介导的 H2O2清除参与了植物对冷胁迫的应答。
王昕嘉，等：植物bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路研究进展第2期 213
4　植物bHLH与其他转录因子所形成的调控
网络
根据之前的论述，植物 bHLH能直接与CYP707A3
基因和 POD 基因等编码功能性蛋白的基因启动
子结合，但大部分研究结果仍集中于对下游编码
CBFs/DREBs和 RD22等转录因子基因的激活诱导
作用。在香杨中，PkbHLH2作为 PkbZIP2转录因
子的下游转录因子，通过 PkbZIP2转录因子的诱导
激活作用，编码 PkbHLH2转录因子蛋白再诱导其
自身作用靶基因的表达，编码功能性蛋白，使植物
表现出干旱耐性 [39]。上游转录因子特异地与编码下
游转录因子基因启动子区域内的对应顺式作用元件
相结合，分布传递胁迫信号。
通过 STIFDB数据库分析了拟南芥中逆境胁迫
相关基因的启动子区域内转录因子的结合位点 [45-46]。
在分析的 2 629个基因中，根据结合位点的数量可
知：2 628个基因具有 MYB转录因子结合位点、
2 097个基因具有 HSEs结合位点、
1 734个具有WRKY结合位点、N-box bHLH
579个、G-box-bHLH 781个。这些结果表明，每个
逆境胁迫相关基因的启动子区域内至少具有两个或
两个以上的顺式作用元件结合位点。共表达
AtbHLH17和 AtWRKY28转基因拟南芥植株 [47]在甲
基紫精 (methyl viologen，MV)模拟的胁迫条件下，
CZSOD2基因的表达量增加，对其启动子区域分析
并未发现WRKY和 bHLH结合元件，而具有 HSE1、
MYBRS以及 GCC-box元件。这可能是由于其他转
录因子诸如 DREB、MYB和 HSF等的启动子区域
内具有 bHLH或者WRKY结合元件，间接地调控
了 CZSOD2基因的转录表达。共表达植株在 NaCl、
PEG和MV模拟胁迫下表现出较高的逆境耐受性，
两种转录因子的过表达直接或间接上调其他转录因
子的表达水平，最终调控了更多数量的下游靶基因。
所以，过量表达某种转录因子，可能会间接地通过
它上调其他的转录因子，最终上调功能基因。ice1
突变体与野生型植株冷处理 6 h后基因芯片的结果
显示，有 306个基因在野生型中具有 3倍或者 3倍
以上更高的诱导表达，这其中的 2/3编码了转录因
子 [13]。这些结果都证明了，在传递胁迫信号过程中，
包括 bHLH在内的不同转录因子之间的相互作用是
普遍现象，它们可能形成一个复杂的传递中间网络，
对下游逆境诱导的基因进行调控。
5　小结
bHLH转录因子参与的胁迫信号通路可根据是
否依赖 ABA被分为两类 (图 1)。在独立于 ABA途
径中，植物可能通过 JA信号途径获得胁迫信号。
Dombrecht等 [48]研究报道，AtMYC2通过 JA信号
途径调控一系列 JA响应基因参与氧化胁迫自我保
图1 bHLH转录因子参与的胁迫信号的传递以及非生物胁迫应答基因的表达
生命科学 第27卷214
护的过程。但MYC2参与 ABA信号途径与参与 JA
信号通路之间的联系，独立于 ABA的信号途径与
JA信号通路的重叠效应还需更充分的研究来验证。
水稻中，非生物胁迫促进了MeJA和 ABA的生物
合成；OsbHLH148通过MeJA和 ABA协同介导参
与了水稻对非生物胁迫的适应性。在干旱条件下，
水稻体内茉莉酸水平可能先升高，之后，ABA的
水平也出现升高。胁迫条件下，ABA信号途径与
JA信号通路之间的关系还需进一步研究。ICE1-
CBF冷响应通路也可以归为独立于 ABA信号途径，
该通路作为研究最清楚的冷胁迫响应通路，在越来
越多种类的植物中被证明是保守存在的。在最近发
表的许多研究成果中，过量表达或异位表达 ICE基
因都能显著提高植物的抗冻性。拟南芥中 bHLH122
可能通过独立于 ABA的信号途径直接调控胁迫应
答基因的表达。但在非胁迫条件下，过量表达
bHLH122会使植物体内的 ABA含量升高，在过量
表达 bHLH122植株中明显存在着依赖于 ABA的信
号通路以及独立于 ABA信号途径相交叠的现象。
在依赖于 ABA信号通路中，bHLH启动子区域内
含有 bZIP特异性识别的 ABRE元件间接参与 ABA
信号通路。bHLH (AtMYC2)蛋白与MYB (AtMYB2)
蛋白协作调控基因的表达可能是 ABA信号通路中
的另一种调控系统。AtNIG1通过 Ca2+信号通路直
接结合二级信号物质 (Ca2+)，从而参与了盐胁迫信
号通路。所有 bHLH蛋白作为转录因子，都能与下
游靶基因启动子区域内的 G/E-box顺式作用元件结
合，进而激活下游非生物胁迫应答基因的转录。
在提高作物对环境胁迫抗性的分子育种中，与
导入个别功能基因来提高某种抗性的方法相比，导
入一个编码转录因子的基因可能是更有效的方法。
bHLH转录因子作为植物体内第二大转录因子，在
拟南芥和水稻等植物中的过量表达改变了下游基因
的表达模式，从而增强了植物对非生物胁迫的耐受
性。最近报道的部分基于 bHLH-基因的转基因植
株所表现出的逆境耐受性的相关内容总结在表1中。
然而，为了更好地理解胁迫耐受性的分子机制，仍
需对 bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路中所
起作用及 bHLH转录因子自身下游靶基因进行更深
入的研究。至今，对 bHLH转录因子参与非生物胁
迫信号通路仍停留在理论框架。人为地根据是否依
赖 ABA将胁迫信号通路分为两类，并不能将问题
完全解释清楚。植物激素 (ABA或 JA)、各类转录
因子及蛋白激酶等调控蛋白共同参与的胁迫信号转
表1 过量表达bHLH家族转录因子提高植物非生物胁迫耐性的实例
基因 基因来源 转基因植物 胁迫应答 文献
ICE1 Arabidopsis Arabidopsis 抗冻性 [13]
AtMYC2 Arabidopsis Arabidopsis 渗透胁迫耐性 [41]
AtAIB Arabidopsis Arabidopsis 干旱耐性 [38]
OrbHLH2 Rice Arabidopsis 耐盐性、氧化抗性 [32]
TaICE41
TaICE87 Wheat Arabidopsis 抗冻性 [23]
bHLH92 Arabidopsis Arabidopsis 耐盐性、渗透胁迫 [49]
ICE2 Arabidopsis Arabidopsis 抗冻性 [17]
OsbHLH001 Rice Arabidopsis 抗冻性、耐盐性 [50]
OsbHLH148 Rice Rice 干旱耐性 [35]
MdCIbHLH1 Apple Apple 抗冻性 [21]
OrbHLH001 Rice Rice 耐盐性 [51]
ItICE1 Isatis tinctoria L. Rice 抗冻性 [27]
EcaICE1 Eucalyptus camaldulensis Tobacco 抗冻性 [26]
SlICE1a Tomato Tobacco 抗冻性、耐盐性、渗透胁迫 [24]
bHLH122 Arabidopsis Arabidopsis 干旱耐性、耐盐、渗透胁迫耐性 [4]
PtrbHLH Poncirus trifoliata Tobacco 抗冻性、氧化抗性 [3]
Citrus limon 抗冻性
VabHLH1 Vitis amurensis Arabidopsis 抗冻性 [31]
VvbHLH1 Vitis vinifera Arabidopsis
PebHLH35 Populus euphratica. Arabidopsis 干旱耐性 [43]
王昕嘉，等：植物bHLH转录因子参与非生物胁迫信号通路研究进展第2期 215
导机制是复杂多样的，这就需要将复杂调控网络中
那些具体的路径不断地补充和完善，为提高植物非
生物胁迫耐受性提供更多理论依据。对 bHLH转录
因子与其他基因相互作用机制的进一步研究，可能
是未来植物胁迫基因工程的重要发展方向。
[参　考　文　献]
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