全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (2): 199–209, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00199
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收稿日期: 2012-04-09; 接受日期: 2012-10-09
基金项目: 国家杰出青年基金(No.30725025)和国家自然科学基金(No.30972329)
* 通讯作者。E-mail: lgli@sibs.ac.cn
HD-Zip III转录因子家族与植物细胞分化
朱莹莹, 于亮亮, 汪杏芬, 李来庚*
中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所, 国家植物分子遗传学重点实验室和合成生物学重点实验室, 上海 200032
摘要 细胞分化是生物生长发育的重要过程, 受到一系列信号的精确调控。植物特有的转录因子HD-Zip III在细胞分化中发
挥了重要作用。该文对HD-Zip III基因类型和结构特点进行了简要介绍, 重点论述了HD-Zip III在胚胎形态发生、顶端分生组
织形成、叶极性建立和维管组织分化等发育过程中的作用, 系统总结了HD-Zip III基因在不同层次受到的调控, 探讨了该家
族基因与陆生维管植物进化的关系。
关键词 细胞分化, HD-Zip III, 植物发育, 转录因子
朱莹莹, 于亮亮, 汪杏芬, 李来庚 (2013). HD-Zip III转录因子家族与植物细胞分化. 植物学报 48, 199–209.
植物的生长发育过程伴随着细胞的不断分裂和
分化。细胞分裂后形成的子细胞向着某一方向进行特
异分化, 产生一类性质相同或相似的细胞族群, 形成
具有特定功能的组织和器官。研究表明, 细胞分化过
程受到一系列程序化信号的精确调控。
植物中存在一类转录因子 : 亮氨酸拉链蛋白
(homeodomain-leucine zipper protein, HD-Zip), 该
类蛋白属于同源异型域(homeodomain, HD)转录因
子超家族 (Schena and Davis, 1992; Elhiti and
Stasolla, 2009)。根据结构域保守性、基因结构以及
生理学功能 , HD-Zip家族又可以分为HD-Zip I、
HD-Zip II、HD-Zip III和HD-Zip IV四个亚家族(Ariel et
al., 2007)。 HD-Zip I主要响应外界信号, 如温度和渗
透压等非生物胁迫, 进而调控植物生长使植物适应环
境; HD-Zip II通过感应光信号使植物具有避阴生长反
应 ; HD-Zip IV主要调控植物表皮细胞的分化 ; 而
HD-Zip III对植物多种细胞分化过程都起到重要调控
作用, 如胚胎形态发生、分生组织形成、侧生器官发
生、侧生器官极性建立和维管系统发育等(Prigge et
al., 2005)。本文将对HD-Zip III亚家族基因的类型、
结构、功能和调控等研究现状进行系统介绍。
1 HD-Zip III基因类型
从低等的苔藓植物, 到蕨类植物和裸子植物, 再到更
为进化的被子植物都存在HD-Zip III基因(Floyd et al.,
2006; Prigge and Clark, 2006)。随着越来越多物种
全基因组测序工作的完成, 人们发现HD-Zip III在每
个物种中的成员数目不尽相同。在不具有维管系统的
球蒴藓(Physcomitrella patens)中, 存在5个HD-Zip
III基因(Sakakibara et al., 2001)。在裸子植物白云杉
(Picea glauca)和火炬松(Pinus taeda)中分别克隆到
4个和5个HD-Zip III基因(Côté et al., 2010)。双子叶
草本植物拟南芥(Arabidopsis thaliana) HD-Zip III家
族共有5个成员, 分别是REVOL UTA/IFL1(REV)、
PHAVOLUTA/AtHB9(PHV)、PHABULOSA/AtHB14
(PHB)、AtHB15/CORONA(CNA)和AtHB8, 它们的蛋
白同源性在60%–85%之间。单子叶植物水稻(Oryza
sativa)中也存在5个HD-Zip III基因, 为OsHB1–5
(Itoh et al., 2008)。木本植物毛果杨(Populus
tr ichocarpa)HD-Zip III基因家族成员有8个 , 为
PtHB1–8 (Ko et al., 2006)。根据HD-Zip III的序列同
源性可以将其分为3组: 原始HB族群(Paleo-HB)、裸
子HB族群(Gymno-HB)和被子HB族群(Angio-HB)
(图1)。其中, 低等植物HD-Zip III基因组成了原始HB
族群; 裸子植物HD-Zip III基因组成裸子HB族群, 部
分裸子植物HD-Zip III与原始HB族群重叠; 全部被子
植物HD-Zip III组成被子HB族群。在被子HB族群中,
又可细分为3个亚组, 这3个亚组具有不同的表达模
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图1 HD-Zip III基因之间的同源关系
Pp: 球蒴藓; Pg: 白云杉; Pta: 火炬松; Ptr: 毛果杨; At: 拟南芥; Os: 水稻

Figure 1 Phylogenetic relationship among HD-Zip III genes
Pp: Physcomitrella patens; Pg: Picea glauca; Pta: Pinus taeda; Ptr: Populus trichocarpa; At: Arabidopsis thaliana; Os: Oryza
sativa
The access number of gene sequence in NCBI: PpHB10 (DQ657200); PpHB11 (DQ657201); PpHB12 (DQ657202); PpHB13
(DQ657203); PpHB14 (DQ657204); PgHB3 (HQ391914); PgHB4 (HQ391915); PgHB5 (HQ391916); PgHB6 (HQ391917);
PtaHDZ31 (DQ657210); PtaHDZ32 (DQ657211); PtaHDZ33 (DQ657212); PtaHDZ34 (DQ657213); PtaHDZ35 (DQ657214);
PtrHB1 (AY919616); PtrHB2 (AY919617); PtrHB3 (AY919618); PtrHB4 (AY919619); PtrHB5 (AY919620); PtrHB6 (AY919621);
PtrHB7 (AY919622); PtrHB8 (AY919623); REV (NM_125462); PHV/AtHB9 (NM_102785); PHB/AtHB14 (NM_129025);
CNA/AtHB15 (NM_001084233); AtHB8 (NM_119441); OsHB1 (NM_001055242); OsHB2 (NM_001071408); OsHB3 (NM_0010-
73792); OsHB4 (NM_001057280); OsHB5 (AB374207)

式和功能。目前对于被子植物HD-Zip III的研究比较深
入。下文将着重介绍被子植物HB族群中各个成员的
结构特点和功能, 解析HD-Zip III基因在植物生长发
育过程中的作用。
朱莹莹等: HD-Zip III转录因子家族与植物细胞分化 201
2 HD-Zip III蛋白结构
HD-Zip III蛋白包含4个结构域, 从N端到C端依次是
同源异型结构域(Homeodomain, HD)、亮氨酸拉链结
构域(leucine-zipper domain, Zip)、START结构域
(steroidogenic acute regulatory protein-related lipid
transfer)和MEKHLA结构域(图2)。HD结构域由高度
保守的60或61个氨基酸残基组成, 能够结合特异的
DNA序列, 调控靶基因表达。Zip结构域形成同源或异
源二聚体并行使功能。START结构域被预测为脂质/
类固醇结合受体, 它在进化中高度保守(Ponting and
Aravind, 1999; Schrick et al., 2004)。有关在动物中
含有START结构域的蛋白报道较多, 不少脂质配体
已被鉴定。在植物中 , 只有PYR (PYRABACTIN
RESISTANCE)蛋白的START结构域可以与脱落酸
(ABA)结合 , 起到 ABA受体的作用 (Park et al.,
2009)。另外, HD-Zip III亚家族蛋白的羧基末端都含
有一段MEKHLA序列, 这一序列以6个高度保守的氨
基酸命名, 分别为氨基酸Met、Glu、Lys、His、Leu
和Ala。MEKHLA结构域与PAS(Per-ARNT-Sim)结构
域具有较高的相似性 (Mukherjee and Burglin,
2006)。PAS结构域在生物界普遍存在, 其功能可能
与外界信号接收与传递有关(Möglich et al., 2009;
McIntosh et al., 2010)。有报道显示, HD-Zip III蛋白
的MEKHLA结构域通过结合信号分子, 改变HD-Zip
III蛋白构象, 从而解除其它信号对HD-Zip III形成二
聚体的抑制 , 起到调控HD-Zip III转录激活作用
(Magnani and Barton, 2011)。但这一细胞信号尚待
进一步鉴定。
3 HD-Zip III基因功能
由于结构高度保守, HD-Zip III转录因子在功能上表现
出普遍的冗余性。拟南芥5个成员的缺失突变体只有
rev出现表型变化。Prigge等(2005)通过构建多重突变
体发现, HD-Zip III家族成员在拟南芥发育过程中扮演
着重叠、拮抗或者完全相反的作用。同时, 对HD-Zip
III显性突变体的研究表明, HD-Zip III基因家族在植物
胚胎及胚后形态发生(顶端分生组织及侧生分生组织
的形成)、侧生器官极性建立和维管组织细胞分化等
方面扮演着重要角色(图3)。
3.1 调控胚胎形态发生
胚胎形态发生是从受精卵发育成多细胞个体的过程。
在被子植物中, 随着胚胎形态的建成, 植株轴向(如
近远轴、顶基轴等)随之建立, 主要组织雏形(如顶端
分生组织、维管组织)逐步形成, 为进一步发育成植物
个体提供基础。
在拟南芥胚胎发育过程中, REV、PHB、PHV和
CNA首先在球形胚的顶端中部表达。到了心形胚阶



图2 HD-Zip家族蛋白结构
HD: 同源异型框; LZ: 异亮氨酸拉链域; N-Term: N末端一致序列; START: 脂质/类固醇结合受体; MEKHLA: 较保守的MEKHLA序
列

Figure 2 Schematic representation of the distinctive features exhibited by each HD-Zip subfamily
HD: Homeodomain; LZ: Leucine-zipper; N-Term: N-terminus consensus; START: Steroidogenic acute regulatory protein-related
lipid transfer domain; MEKHLA: Named after the highly conserved amino acids Met, Glu, Lys, His, Leu, Ala
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图3 HD-Zip III的功能及调控网络

Figure 3 Summary of HD-Zip III functions and its regulation
network


段, REV、PHB和PHV在子叶的近轴侧及原维管束的
中心部位表达(McConnell et al., 2001; Emery et al.,
2003); CNA的表达则不具有明显的区域性(Ilegems
et al., 2010)。AtHB8在胚胎发育到心形胚时, 在维管
组织中强烈表达(Baima et al., 1995)。HD-Zip III在胚
胎发育阶段的表达模式呈叠加性和互补性, 暗示这些
基因存在一定程度的冗余, 同时各具特点。水稻同源
基因具有与拟南芥相似的表达模式: OsHB1─4在胚
胎的顶端及子叶的起始部位表达, 而与AtHB8同源的
OsHB5在胚胎维管束形成后表达(Itoh et al., 2005,
2008), 暗示AtHB8/OsHB5可能与维管组织分化关系
更紧密。
在拟南芥中, REV、PHB、PHV和CNA在胚胎发
育各时期均有表达, 但各个基因的单一缺失突变体都
未显示胚胎发育缺陷的表型。Prigge等(2005)发现拟
南芥rev phb双重缺失突变体胚胎顶端被一辐射对称
结构所取代, 幼苗缺失顶端分生组织, 原本的2片子
叶被一呈辐射对称式棒状结构所取代。此外, rev phb
phv和rev phb cna三突变体进一步增强了rev phb的
胚胎发育缺陷表型。遗传学分析表明, REV、PHB、
PHV和CNA在胚胎发生过程中协同调控顶端分生组
织和顶端两侧对称。
Smith和Long (2010)将REV、PHB和CNA异位过
量表达在根的起始区, 发现根被第2个茎组织所取代,
进一步证明了HD-Zip III在胚胎发育时期对顶部组织
形成的决定作用。
3.2 调控顶端分生组织形成
植物生长主要依赖于顶端分生组织细胞的分裂与分
化。顶端分生组织包括茎顶端分生组织(shoot apical
meristerm, SAM)和根顶端分生组织 (root apical
meristerm, RAM), 茎顶端分生组织可分化为叶原基
(leaf primordia)和花原基(flower primordia)。在拟南
芥和水稻中, 除AtHB8和OsHB5, 其它的HD-Zip III
基因都在顶端分生组织、叶原基、花原基和侧根原基
处表达(Williams et al., 2005)。在拟南芥中, rev突变
体叶腋缺失分生组织, 分枝显著减少, 花结构发育不
全且不育, 表明REV在茎顶端分生组织的形成过程
中起着重要作用(Talbert et al., 1995; Otsuga et al.,
2001)。 phb和phv都能进一步强化rev单突变的表型,
说明三者在顶端分生组织形成中起协同作用。cna、
athb8与rev形成三重突变时, 出现了比rev单突变更
多的侧枝和可育的花, 说明CNA和AtHB8与REV在
茎顶端分生组织形成过程中可能相互拮抗(Prigge et
al., 2005)。在根顶端分生组织发育过程中, phb phv
rev三重缺失突变体产生较少的侧根, 而显性突变体
rev-10d则产生更多的侧根, 说明REV、PHB和PHV
同时促进根顶端分生组织的形成, 在根的发育过程中
起协同作用(Hawker and Bowman, 2004)。
3.3 调控叶片极性建立
被子植物叶片呈背腹性分化的平坦结构, 其叶肉细胞
在背面(近轴面)为排列紧密的栅栏组织, 在腹面(远轴
面)为松散的海绵组织。在叶脉维管束中, 负责水分和
无机盐运输的木质部靠近叶片背面一侧; 负责有机物
运输的韧皮部则靠近腹面一侧。背腹性在叶原基的确
立需要一系列位置信息的产生和感应机制。
HD-Zip III基因在叶原基的近轴一侧强烈表达,
表明它们在叶片起始时对叶片近远轴极性建立发挥
着作用。拟南芥REV的显性突变体rev-10d/avb1和
PHB显性突变体phb-1d在叶的形态上具有非常显著
的表型特征: 叶子出现不同程度的近轴面化, 产生了
喇叭状叶、棒状叶和更为严重的针状叶; 切片观察显
示这些叶片的维管结构呈木质部包围韧皮部的近轴
面化模式(McConnell and Barton, 1998; Emery et
al., 2003; Zhong and Ye, 2004)。以上研究结果进一
步证实了这类基因对叶片极性建立至关重要。CNA的
朱莹莹等: HD-Zip III转录因子家族与植物细胞分化 203
显性突变体 icu4-1在极性上的缺陷不如PHB和REV
的显性突变体明显, 只是叶片出现了上卷, 叶片维管
结构未见明显变化(Ochando et al., 2006)。同时拟南
芥REV缺失突变体rev-1叶片变大并下卷, 解剖观察
结果显示叶肉细胞和维管束细胞明显增多, 且近轴面
的细胞数量和体积增多增大的现象更为显著(Talbert
et al., 1995)。双重缺失突变体rev phv出现喇叭状叶,
且远轴面的特性出现在叶片的近轴面。三重缺失突变
体rev phb/+phv的叶片几乎全部呈喇叭状并且远轴面
化加剧(Prigge et al., 2005)。上述显性突变体与缺失
突变体表型呈现相反的现象充分说明HD-Zip III基因
对叶片的极性建立起到调控作用。到目前为止, 人们
还未能明晰地解释HD-Zip III基因如何影响叶片极性
的建立。
3.4 调控维管组织细胞分化
维管组织是陆生植物主要特征结构, 提供植物向上生
长的机械支撑, 同时运输水分、营养物质及一些信号
分子。维管束由3种有序排列的组织组成: 木质部、
原形成层(procambium)/形成层和韧皮部。
在拟南芥、水稻和毛果杨中, HD-Zip III基因在根、
茎和叶的维管束中均强烈表达。精细定位发现拟南芥
中的5个HD-Zip III基因在原形成层细胞和木质部细
胞中特异表达 (Zhong and Ye, 1999; Kang and
Dengler, 2002)。显性突变体rev-10d/avb1和phb-1d
整个植株维管组织发生了剧烈变化, 出现木质部包围
韧皮部且维管束数目显著增多的现象(McConnell et
al., 2001; Zhong and Ye, 2004)。REV缺失突变体茎
秆维管束出现异常: 在Col(Columbia)生态型背景下
ifl1的束间纤维细胞缺失, 植株倒伏(Zhong and Ye,
1999); 在Ler(Landsberg erecta)生态型背景下rev-1
茎秆皮层、木质部和韧皮部细胞增多, 形成层细胞区
域扩大(Talbert et al., 1995)。而CNA显性突变体
icu4-1出现木质部、形成层和韧皮部细胞增多的现象
(Ochando et al., 2006)。这表明CNA在维管组织发育
过程中的作用与REV相反。Baima等(2001)在拟南芥
中过量表达AtHB8, 只出现木质部细胞增多的现象,
暗示AtHB8可能在功能上有别于其它几个成员, 专一
调控木质部的发育。双重缺失突变体rev phb和rev
phv均加剧了rev维管发育缺陷表型, 而rev cna athb8
三重突变体部分抑制了rev维管发育缺陷表型(Prigge
et al., 2005)。这些研究表明, REV、PHB和PHV与
CNA和AtHB8在拟南芥茎维管组织发育中的功能可
能是相互拮抗的。拟南芥根中, 5个HD-Zip III基因在
除韧皮部细胞以外的维管束各类细胞中均有表达, 包
括原形成层细胞、木质部前体细胞(xylem precursor
cells)、原生木质部细胞(protoxylem cells)和后生木质
部细胞(metaxylem cells)。athb8 phb和各种三重缺失
突变体的后生木质部细胞被异位产生的原生木质部
细胞所取代。四重缺失突变体几乎无后生木质部细胞
产生, 而五基因同时缺失则完全无木质部产生。这一
结果表明HD-Zip III基因决定木质部产生, 同时不同
表达量决定形成不同类型的木质部细胞(Carlsbecker
et al., 2010)。
木本植物的维管系统发育有别于草本植物。木本
植物在初生维管系统基础上, 维管形成层(vascular
cambium)保持长久的干细胞活性, 持续地向外分化
形成次生韧皮部组织, 向内分化形成次生木质部组
织。我们研究发现, PtHB7在杨树次生木质部的分化
调控中起重要作用。另有研究表明, 杨树中分别与
REV和CNA同源的PtHB2和PtHB6影响杨树初生和
次生木质部的发育。PtHB2过量表达植株产生异位的
形成层和木质部细胞, 可能调控形成层的起始。过量
表达PtHB6抑制次生木质部和韧皮部纤维细胞的木
质化, 表明其对次生维管组织发育起负调控作用(Du
et al., 2011; Robischon et al., 2011)。
4 HD-Zip III与其它信号因子的相互作用
作为一类重要的转录因子, HD-Zip III在各个层次受到
精确调控(图3), 同时HD-Zip III准确地启动或者抑制
下游因子的表达, 从而使其作用得到完好发挥。
4.1 转录水平的调控
4.1.1 HD-Zip III与KAN之间的调控
KANADI(KAN)是2001年被发现的一类GAPR转录因
子。在拟南芥中其mRNA在器官的远轴面的一侧特异
地积累 , 通过对其缺失突变体kan的分析发现KAN
对远轴面的建成起促进作用(Kerstetter et al., 2001)。
KAN组织定位及缺失表型都与HD-Zip III相反, 暗示
这两类因子间存在拮抗作用。REV显性突变体
rev-10d的发现初步揭示了这两类因子间的关系。在
204 植物学报 48(2) 2013
rev-10d中由于REV的过量表达出现了木质部包围韧
皮部的维管束, 而KAN三基因缺失突变体kan1 kan2
kan3出现了同样的表型(Emery et al., 2003; Hawker
and Bowman, 2004)。这一现象充分说明了KAN家族
与HD-Zip III家族在维管束的发育过程中作用相反。到
目前为止, 人们尚不清楚这两类因子相互影响的机
制。因为KAN的组织定位与HD-Zip III的mRNA定位是
不完全重合的, 所以它们之间可能不存在直接的相互
作用(Izhaki and Bowman, 2007)。有报道显示某些转
录因子在形成蛋白质后可以在细胞间移动(Yadav et
al., 2011)。KAN和HD-Zip III蛋白是否也具有移动性,
从而可以直接在转录水平调控彼此的表达呢？这还
需要进一步研究解析。

4.1.2 生长素对HD-Zip III基因的调控
早在1995年, 人们就发现拟南芥HD-Zip III的一个成
员AtHB8转录受到生长素的诱导(Baima, 1995)。研究
表明, 在REV缺失突变体ifl1中生长素的极性运输能
力急剧下降(Zhong and Ye, 2001)。同时, 在水稻中
外源施加生长素导致HD-Zip III家族基因的表达在空
间上发生扩展(Itoh et al., 2008)。这些结果都暗示了
HD-Zip III在转录水平上与生长素关系密切。在HD-Zip
III缺失突变体中, 生长素转运蛋白PIN1的定位发生异
常。phb phv rev三突变体发育至心形胚时, PIN1的定
位从正常的两侧表达模式变成了辐射对称模式, 生长
素的分布极性发生变化, 形成单一生长素富集区域,
结果产生单个辐射对称的子叶(Izhaki and Bowman,
2007)。Donner(2009)通过观察athb8叶脉系统阐明了
HD-Zip III与生长素的确切关系。他们发现生长素响应
因子MONOPTEROS(MP)可以结合AtHB8启动子中
生长素响应元件直接调控AtHB8表达。这种直接调控
关系是否普遍适用于HD-Zip III家族其它成员和其它组
织器官的发育过程, HD-Zip III与生长素的运输又有怎
样的关系, 还需要更多的研究阐明。

4.1.3 Dof转录因子对HD-Zip III的调控
最近, 研究人员经筛选发现一个与HD-Zip III基因过
量表达叶片上卷相似表型的突变体。这一突变体是由
Dof转录因子家族Dof5.1过量表达引起的。在这一基
因过量表达的植株中, REV和CNA发生了表达上调。
进一步的研究发现在REV的启动子上存在Dof家族的
结合元件, 从而推测Dof5.1可能结合REV的启动子元
件发挥作用。这一推测得到了体外和体内实验验证。
但是在CNA的启动子中并没有发现相同或相似的结
合元件。Dof5.1调控HD-Zip III基因的机制还有待进一
步研究(Kim et al., 2010)。

4.1.4 microRNA对HD-Zip III表达的调控
microRNA165/166对HD-Zip III的调控作用研究得最
为清楚。拟南芥基因组含有2个miR165前体和7个
miR166前体, 与拟南芥HD-Zip III转录本的一段保守
区有近乎完美的互补性(Floyd and Bowman, 2004)。
miR165/166的发现很好地解释了为什么几乎所有
HD-Zip III基因显性突变体的突变位点都是在这一段
序列中。改变REV和PHB mRNA但不改变相应蛋白
序列的转基因拟南芥, 获得了与显性突变体同样的表
型 , 证明 HD-Zip III mRNA受到microRNA调控
(Emery et al., 2003)。同时在烟草中筛选分离到一个
NsPHAV(拟南芥PHV同源基因)的显性突变体phv1,
该单碱基突变发生在microRNA结合位点, 但并未导
致编码氨基酸序列的变化。phv1引起叶片极性、维管
束模式及多种分生组织发育的变化, 表明microRNA
通过调控HD-Zip III基因影响植物发育。杂交杨
PtaHB1与次生生长密切相关, 其表达水平随着杨树
发育阶段和季节变化而不同, 且与miR166水平呈负
相关, 表明在多年生植物中, microRNA通过负调控
PtaHB1来影响生长发育进程 (Ko et al., 2006)。
microRNA负调控HD-Zip III的机理很好地解释了为什
么过表达HD-Zip III家族基因没有表型的变化。但例外
的是过表达AtHB8诱导产生更多的木质部(Baima et
al., 2001), 这种过表达的表型可能反映了microRNA
与目的转录本间存在剂量依赖型作用模式。这一推测
在2010年得到了进一步证实: 拟南芥根中高剂量的
HD-Zip III形成后生木质部(metaxylem), 而低剂量时
形成原生木质部(protoxylem)。这要求HD-Zip III在中
柱鞘维持低剂量的状态, 而在中心具有高浓度状态的
分布梯度。这一分布梯度的形成直接依赖于miR165/
166的调控。miR165/166可以从皮层向中柱移动, 从
而不同程度地切割HD-Zip III的mRNA使其形成浓度
梯度(Carlsbecker et al., 2010)。
朱莹莹等: HD-Zip III转录因子家族与植物细胞分化 205
4.2 DNA水平的调控
Bao等(2004)发现microRNA作用于PHB转录本不仅
能导致其降解, 同时能引起相应PHB模板DNA甲基
化。高度甲基化常常伴随染色质的转录活性降低。
miR165/166介导的降解作用使得HD-Zip III转录本快
速失活, 而其后发生的甲基化能够使HD-Zip III基因保
持在受抑制状态。研究表明, microRNA能够在转录过
程中和转录后两个水平上调控HD-Zip III基因的表达。
4.3 蛋白水平的调控
Wenkel等(2007)首先鉴定出一种包含亮氨酸拉链的
蛋白小家族 (LITTLE ZIPPER proteins, ZPR), 与
HD-Zip III 中的Zip结构域相似。实验证实ZPR蛋白在
体外与REV相互作用 , 同时过量表达ZPRs出现与
HD-Zip III功能缺失相一致的表型。说明ZPRs与
HD-Zip III蛋白形成非功能型的异源二聚体, 通过竞
争抑制HD-Zip III与目的DNA结合的方式调控HD-
Zip III通路。Kim等(2008)通过观察ZPRs缺失突变体
茎顶端分生组织发育状况, 证明HD-Zip III能正向调
控ZPRs的表达, 说明HD-Zip III与ZPRs形成反馈环
调控植物的发育。
DORNRÖSCHEN(DRN)和DRN-LIKE(DRNL)蛋
白被证明与HD-Zip III相互作用, 协同调控胚胎的发
育。DRN和DRNL都属于包含AP2结构域的蛋白家族。
在drn和drnl的缺失突变体中都发现了胚胎发育异常
现象, 常常出现针状子叶或子叶缺失的表型。且drn
phv双突变体增加了drn单突变体缺失表型的比例。同
时, 酵母双杂交、免疫共沉淀和双分子荧光互补实验
都证明DRN和PHV之间存在相互作用, 这种相互作
用同样适用于HD-Zip III的其它成员(Chandler et al.,
2007)。
4.4 HD-Zip III的下游因子
HD-Zip III作为一类转录因子, 必定能够直接调控其
它因子。在体外实验中发现PHV对回文序列GTAAT
(G/C)ATTAC具有高亲和力, 表明其调控基因结合位
点可能包含这段序列(Sessa et al., 1998)。Magnani
和Barton(2011)在ZPR3的启动子上发现了上述回文
序列, 并且在烟草表皮细胞中观察到REV与ZPR3启
动子具有相互作用。Brandt等(2012)利用ChIP-seq
(chromatin immunoprecipitation)在拟南芥的全基因
组范围内搜索确定REV的结合DNA序列(ATG/CAT),
发现REV通过直接调控生长素合成途径的2个关键酶
TAA1 (TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF-
ARABIDOPSIS1)和YUCCA5发挥作用。
5 HD-Zip III与陆生植物的进化
HD-Zip III转录因子家族在低等植物(苔藓)以及高等
植物(拟南芥、水稻、杨树等)中普遍存在(Aso et al.,
1999)。球蒴藓PpHB10与拟南芥5个家族成员的同源
性都在50%以上(Sakakibara et al., 2001), 而其功能
涉及植物生长发育和形态建成的诸多重要方面, 预示
着HD-Zip III转录因子家族在陆生植物进化中具有重
要作用。从结构上看, HD-Zip III基因家族高度保守,
均具有4个保守结构域。目前发现的所有HD-ZipIII转
录本均存在与miR165/166互补的序列, 说明这一水
平的调控在陆生植物中高度保守(Floyd and Bow-
man, 2004)。如前所述, HD-Zip III调控某一功能时往
往由多个成员共同参与、协同作用, 导致只要缺失其
中一个成员就不出现表型变化(rev除外), 这种功能
上的冗余反映了成员间较强的保守性。
植物基因组存在大量的重复基因 (duplication
gene), 拟南芥有近65%的基因以基因家族的形式存
在。基因复制是物种进化的主要基因“原材料”, 因
为冗余的同源基因承受更小的选择压, 所以比非冗余
基因更容易进化出新功能(Ohno, 1970)。HD-Zip III
虽然在进化上高度保守, 但是它们的功能并不等同。
将拟南芥HD-Zip III家族的5个基因连接REV的启动
子(PREV)转化rev突变体, 结果显示只有PREV:REV能
够恢复缺失表型 , 其它4个基因均不能完全恢复
(Prigge et al., 2005)。这5个基因功能的分化预示着
HD-Zip III家族蛋白在进化中功能域的改变。为研究早
期HD-Zip III的功能, Prigge和Clark(2006)将球蒴藓
PpHB10基因连接REV的启动子转化rev突变体, 结
果显示PpHB10不能恢复rev分生组织和叶片发育的
缺陷, 但能引起茎皮层组织的过度分裂。这一现象从
未在HD-Zip III功能缺失和显性突变体中出现过, 表
明HD-Zip III在进化过程中功能发生了变化。拟南芥
AtHB8在胚胎发育时期和幼苗期特异地在维管组织
中表达, 而其它4个基因的表达几乎伴随着整个植株
206 植物学报 48(2) 2013
发育过程。这说明AtHB8可能在进化过程中发生了功
能上的特化, 专一地促进木质部分化(Baima et al.,
2001)。在木质部发育十分旺盛的木本植物毛果杨中,
存在2个与AtHB8较为同源的基因: PtHB7和PtHB8,
二者同源性高达95%。我们对PtHB7作了较为系统的
研究, 发现它参与调控次生木质部的分化(Zhu et al.,
2013)。
6 总结与展望
HD-Zip III基因家族在进化上的保守性表明其在植物
发育中具有重要作用, 这些作用涉及植物生长发育的
许多重要方面。HD-Zip III各成员的功能存在冗余但并
不等同, 在植物不同组织、不同发育时期, 它们起着
协同、拮抗或完全不同的作用。这种复杂的作用方式
可能涉及各成员间的互作, 需要运用遗传学与分子生
物学手段进一步阐明。各基因的时空表达差异暗示它
们可能受到多种机制的调控。microRNA在转录中及
转录后两个水平上调控是研究最多且最清楚的一种
方式, 而miR165/166调控HD-Zip III家族的保守性又
证明了HD-Zip III的功能在进化上是保守的。由于存在
保守的START结构域, HD-Zip III可能受到脂质信号
分子的调控, 是否存在这一配体有待进一步验证。
研究表明, BR能够诱导原形成层细胞分裂分化
产生木质部(Caño-Delgado et al., 2004)。Ohashi-Ito
等(2002, 2003)利用百日草(Zinnia elegans)悬浮细胞
系研究发现, BR能够诱导木质部细胞HD-Zip III的表
达, 因此HD-Zip III可能通过响应BR信号转导在维管
发育过程中发挥作用。但是并没有研究显示BR信号
转导途径中的某个元件直接作用于HD-Zip III, 这种
间接的调控作用尚待研究。HD-Zip III作为一类转录因
子, 必然通过调控下游基因表达来实现功能。到目前
为止, 只鉴定出少数几类因子受到HD-Zip III的直接
调控, 且尚不能完全阐明HD-Zip III的调控机制。因
此, 有必要进一步分析鉴定HD-Zip III调控的下游基
因, 从而更深入阐明其在植物发育中的功能。
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朱莹莹等: HD-Zip III转录因子家族与植物细胞分化 209
HD-Zip III Transcription Factor and Cell Differentiation in Plants
Yingying Zhu, Liangliang Yu, Xingfen Wang, Laigeng Li*
National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics and Key Laboratory of Synthetic Biology, Institute of Plant Physiology
and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China
Abstract Cell differentiation, an essential process for multicellular organism development, is precisely regulated by a
series of signals. The plant-specific transcription factor HD-Zip III plays critical roles in the process. Here, we review the
HD-Zip III gene cluster and structure features and discuss the main functions of HD-Zip III genes during embryogenesis,
apical meristem formation, leaf polarity and vascular differentiation. We summarize the regulation of HD-Zip III genes at
different levels and discuss the relationship between HD-Zip III function and land plant evolution.
Key words cell differentiation, HD-Zip III, plant development, transcription factor
Zhu YY, Yu LL, Wang XF, Li LG (2013). HD-Zip III transcription factor and cell differentiation in plants. Chin Bull Bot 48,
199–209.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: lgli@sibs.ac.cn
(责任编辑: 白羽红)