全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (6): 540~544540
收稿 2013-04-08 修定 2013-05-10
资助 国家自然科学基金面上项目(30971715和31201151)和广东
省自然科学基金重点项目(10251063101000010)。
* 通讯作者(E-mail: liling@scnu.edu.cn; Tel: 020-85211378)。
AREB/ABF转录因子响应胁迫信号的网络调控
胡鹏伟1, 何朝勇1, 洪岚1,2, 李玲1,*
1华南师范大学生命科学学院, 广东省植物发育工程重点实验室, 广州510631; 2仲恺农业工程学院园艺园林学院, 广州
510225
摘要: 植物AREB类转录因子通过与ABRE元件结合, 调控ABA信号途径诱导下游基因表达响应胁迫, 最近研究表明AREB
参与了除AREB-SnRK外的信号途径, AREB响应网络调控在植物中存在。与AREB因子相关的激素类交谈调控也被研究。
本文介绍了AREB类转录因子响应胁迫的网络调控及参与激素信号网络调控方面的研究进展。
关键词: AREB; 胁迫; 网络调控; ABA信号转导
Internet Regulation of AREB Transcription Factors Responsed Stress Signal
HU Peng-Wei1, HE Chao-Yong1, HONG Lan1,2, LI Ling1,*
1Guangdong Key Lab of Biotechnology for Plant Development, College of Life Sciences, South China Normal University, Guang-
zhou 510631, China; 2College of Horticulture and Landscape Architecture, Zhongkai University of Agriculture and Engineering,
Guangzhou 510225, China
Abstract: The plant AREBs transcription factors (TFs) regulate the expression of downstream genes in ABA
signal pathway via combining to ABRE element responding to stresses. Recent studies show that AREB tran-
scription factors involve in other signaling pathways, excepting the AREB-SnRK pathway, the internet regula-
tion of AREB is existed in plant. Cross-talking regulation which is correlated with AREB between different
phytohormones have been studied. In this paper, we review recent advances in AREB, including the roles of
AREBs transcription factors and mechanism of the regulating networks.
Key words: AREB; stress; regulatory networks; ABA signaling transduction
AREB/ABFs类转录因子近年来关注度很高,
继在烟草(Oeda等1991)、拟南芥(Uno等2000)、玉
米(王磊等2002)、大麦(Casaretto和Ho 2003)、小
麦(高世庆等2007)、枳(Huang等2010)、番茄
(Hsieh等2010)和大豆(Gao等2011)中被报道后, 水
稻(Jin等2010; Tang等2012)、花生(Hong等2013)、
蒲公英(Fricke等2013)和杨树(Ji等2013)等植物中
AREB/ABFs的同类物亦被鉴定和研究。其中在拟
南芥中, AREB/ABF类转录因子亚家族共发现4个
成员: AREB1/ABF2、AREB2/ABF4、ABF1和
ABF3, 它们在植物营养组织中表达。ABF1主要受
干冷而非渗透胁迫诱导。AREB1/ABF2、AREB2/
ABF4和ABF3受ABA含量、脱水和高盐等渗透胁
迫诱导, AREB/ABF-SnRK2途径中, AREB类转录
因子在ABA/胁迫信号中具有重要作用, 途径中除
了PYR/PYL/RCAR-ABA-PP2C复合物的参与外,
其他信号因子或与SnRK2 (sucrose non-fermenting
1-related protein kinase, SnRK)互作, 存在其他调控
途径(Fujita等2013)。本文就AREB/ABFs类转录因
子保守结构域在胁迫应答中的作用、AREB/ABFs
类转录因子参与植物胁迫记忆、AREB/ABFs类转
录因子和其他转录因子互作介导ABA-依赖性和
ABA-非依赖性胁迫应答信号之间的交叉对话以及
AREB/ABFs类转录因子参与除ABA以外其他激素
的信号网络方面进行综述。
1 AREB/ABFs保守结构域在胁迫应答中的作用
AREB/ABFs类转录因子在结构上具有5个保
守结构域(图1), N端3个(C1、C2和C3), C端1个结
合DNA的bZIP区域和1个末端C4保守结构域(Hong
等2013)。氨基酸序列分析显示这些保守结构域中
特约综述 Invited Review
胡鹏伟等: AREB/ABF转录因子响应胁迫信号的网络调控 541
存在多个Ser/Thr磷酸化位点R-X-X-S/T, 以拟南芥
AREB1为例: C1 (23~26位氨基酸残基)有1个, C2
(83~86位氨基酸残基、91~94位氨基酸残基)有2个,
C3 (132~135位氨基酸残基)有1个, C4 (410~413位
氨基酸残基)有1个(Tang等2012)。研究显示, 当保
守结构域中的Ser/Thr被置换成Ala (氨基酸R基
为-H, 无磷酸化位点)后, AhAREB1转录活性被显
著抑制 , 而把Ser /Thr置换成Asp (氨基酸R基
为-COOH, 可磷酸化)后, AhAREB1转录活性存在
(Furihata等2006)。作者实验室于2009年从花生中
克隆了AhAREB1, 酵母活性实验验证AhAREB1转
录因子N端保守结构域为转录激活关键区域, C4保
守区域具有抑制自身的转录激活作用 (姚瑶等
2012)。同时, ChIP和原生质体瞬时转化实验证明,
AhAREB1能与AhNCED1启动子上的顺式作用元
件ABRE结合, 且C2保守结构域是该过程必需基序
(待发表资料)。此外, Tezuka等(2013)发现将拟南
芥AREB1同类物ABI5的C3保守结构域中的非磷
酸化位点Ala (214位氨基酸残基)突变成Gly后,
ABI5转录活性受到影响, 表现为突变体拟南芥种
子萌发时具有ABA不敏感性和NaCl耐受性, 酵母
单杂交显示该蛋白具有自身激活功能, 而由ABI5
调控, 编码胚胎发育晚期丰富蛋白LEA蛋白的基因
Em1和Em6表达活性被显著降低。
2 AREB/ABF转录因子响应胁迫
Hsien等(2010)报道了番茄AREB/ABF类转录
因子SlAREB响应盐害和水分胁迫。已知杨树
AREB转录因子亚家族有14个AREB/ABF基因成员,
qRT-PCR检测外源ABA处理下, 有8个AREB/ABF
基因表达量增加(Ji等2013)。从马铃薯植株中已经
分离得到了StABF1蛋白, 并证实该蛋白属于AREB
家族bZIP转录因子, 在响应渗透胁迫过程中, bZIP
转录因子受到StCDPK2磷酸化的作用, 在ABA胁
迫和渗透胁迫下表达量增加(García等2012)。Tang
等(2012)证实OsbZIP46属于胁迫响应bZIP转录因
子, 与拟南芥AtABF/AREB具有高度同源性, OsbZ-
IP46超表达植株在种子萌发和幼苗阶段ABA敏感
性较高, 分段分析与超表达实验证明其启动子D区
域为负性调节域, 揭示了转录因子OsbZIP46调节
着胁迫相关基因以响应渗透、干旱等非生物胁
图1 AREB/ABF调控植物胁迫信号网络
Fig.1 AREB/ABF regulate the stress response in plants
参考Kim等(2011)文献修改。涂有颜色方块表示AREB/ABF保守结构域, 其中黑色表示该结构域中磷酸化位点, 红色表示非磷酸化位点。
植物生理学报542
迫。水稻OsAREB8功能分析结果表明bZIP家族中
AREB类转录因子在植物营养生长阶段响应干旱
胁迫, 具有提高自身适应性的能力(Miyazono等
2012)。
AREB/ABF与DREB/CBF是广泛存在于植物
中的两类转录因子, 前者结合ABRE的(ACGTGG/
T)顺式元件, 调控植物干旱和渗透胁迫耐受性, 后
者结合DRE元件(TACCGACAT)和C-重复(CRT; G/
ACCGAC)顺式元件, 调控植物盐胁迫和冷胁迫的
响应(Maruyama等2012)。Lee等(2010)以拟南芥为
材料, 通过GST-pull-down实验证明AREB/ABF
(ABF2~4)在体外能够和DREB (1A、2A和2C)结
合, 并且DREB2C超表达植株在种子萌发和根长测
定时的结果表明其具有更高的ABA敏感性。Kim
等(2011)对拟南芥DREB2A启动子测序分析发现其
转录起始位点上游95 bp位置存在ABRE顺式元件,
对启动子分段并测定GUS表达活性显示, 该顺式元
件对于DREB2A基因表达是必不可少的; 通过酵母
单杂交显示AREB类转录因子能通过结合该元件启
动DREB2A的表达。ABA缺陷和不敏感突变体
(areb1areb2abf3、srk2dsrk2esrk2i、abi1-1C、
abi2-1C、nced3-2和aba2-2)在干旱胁迫下减弱
DREB2A基因表达, 表明ABA信号途径和非ABA依
赖性信号途径影响DREB2A基因表达。酵母双杂
交、ChIP实验证明AREB1、AREB2、ABF3等皆
以ABRE依赖途径响应胁迫。通过分析拟南芥srk2
和areb的三重突变体植株DREB2A基因表达, 表明
SnRK2s控制下, 对DREB2A表达的影响更明显。
在ABA依赖性途径起作用时, SnRK2s可能与下游
其他因子作用, 非依赖ABA途径调节DREB2A基因
表达, 影响下游因子包含WRKY、MYB或bZIP其他
家族成员。AREB类转录因子参与的ABA信号转
导途径在植物响应胁迫时并非单一起作用(Kim等
2011)。
盐芥中A B F转录因子Ts A B F与拟南芥中
AREB类转录因子同源性达到88%, 其中TsABF1表
达模式类似于AtABF1~4的表达模式, 都能调节
ABRE依赖性基因的表达, 在高盐和干旱胁迫下转
录因子与胁迫相关基因上调, 且TsABF转录因子与
Ts14-3-3类家族蛋白互作, 通过ABA信号途径中调
节抗逆, 推测转录因子与蛋白互作调节其自身与
DNA元件的结合活性, 或者是形成新的转录调节
复合物的先决条件, 形成其他网络调控(Vysotskii
和Leeuwen 2013)。
植物胁迫具有记忆现象, 先前的处理会影响
随后植物对胁迫的响应, 当植物再次置于胁迫条
件下表现出更为快速或强烈的响应, 使自身更好
地适应逆境条件(Bruce等2007)。Ding等(2012)对
拟南芥进行重复脱水/复水处理(受训), 发现RD29B
和RAB18 (在先前胁迫处理表达的基因, 简称受训
基因)与RD29A和COR15A (未受处理表达的基因,
简称未受训基因)在表达上存在差异, 如: 第4次胁
迫(S4)下, RD29A和COR15A表达水平与初次胁迫
(S1)的水平相当, 而RD29B和RAB18 (受训)表达却
是初次胁迫时的10倍以上。并且在受胁迫诱导回
复的受训基因转录中发现明显标记: 高水平的组
蛋白3第4位赖氨酸的三甲基化(trimethylated his-
tone H3 Lys4, H3K4me3)和聚合酶II丝氨酸5位磷
酸化(Ser5P polymerase II, Ser5P Pol II)。未受训基
因在胁迫诱导下H3K4me3和Ser5P Pol II上升后会
在恢复期降低到正常水平(未受胁迫的水平), 而受
训基因在胁迫下H3K4me3和Ser5P Pol II上升后在
恢复期降到比正常值高的水平。胁迫条件下, 转
录因子AREB和相关胁迫基因的表达水平升高, 胁
迫解除(恢复期)时, AREB诱导的胁迫相关基因表
达保持一定水平。转录记忆与ABA依赖性转录因
子AREB1、AREB2和ABF3发挥的作用相关 ,
AREB1、AREB2和ABF3在水分胁迫条件下诱导
RD29B和RAB18等胁迫基因表达, 而在areb1/areb2/
abf3缺失突变体中受训基因与非受训基因表达均
显著降低, 受训基因RD29B和RAB18表达在S4期较
S1表现为更高的转录水平, 胁迫记忆存在, 趋势更
明显(Ding等2012)。
3 AREB转录因子参与激素信号网络调控
Yang等(2011)发现水稻中ABL1 (ABI5-Like1)
转录因子定位核内, 结合ABRE元件调控ABA途径
和生长素响应途径。ABL1与拟南芥ABI5同源, 受
到植物激素和胁迫条件(干旱、盐害、PEG等)诱
导并在多组织(主根、茎、叶等)中表达, 表达量以
叶和茎中较高; OsABL1明显受ABA诱导影响, 对
PEG处理更为敏感, IAA的影响轻微, 而BR和JA没
有影响。abl1突变体中ABA敏感性被抑制, abl1的
胡鹏伟等: AREB/ABF转录因子响应胁迫信号的网络调控 543
主根长度变化对外源IAA呈现高敏感性。IAA响
应相关基因(IAA1、IAA9和IAA24)的表达量上升并
进一步促进对IAA的响应。一些IAA相关基因包
含多个ABRE顺式元件, 相比之下, 在abl1突变体的
IAA相关基因中基本不含ABRE元件, 表明IAA与
ABA信号转导途径间可能涉及到其他间接调控途
径。杨树PtAREB/ABF与拟南芥AREB同源, ABA诱
导其在胁迫期间发挥作用(Ji等2013)。从雪松分离
得到与ABI3同源的CnABI3, 发现CnABI3与CnAIP2
蛋白发生互作, 共同促进幼苗根的发育。CnAIP2
超表达拟南芥植株的种子在萌发初期对ABA不敏
感, 经生长素处理则促进其侧根发育, 部分侧根发
育相关基因WAK4和ARR12等表达上调, 但是对开
花负调控基因AGL31、MAF4和MAF5等表达下调
(Zeng等2012)。CnAIP2是ABI3协同调节因子, 共
同调控IAA信号途径在调控开花、形成侧根的过
程(Cecchetti等2008; Mai等2011)。
拟南芥中ABI4转录因子与氧化还原、激素信
号转导途径相关(Foyer等2012)。拟南芥转录因子
bZIP16作用于其启动子含G-box元件的基因RGL2,
抑制其表达并激活GA途径, 间接抑制PIL5, 调节种
子萌发阶段的ABA信号途径, 研究发现bZIP16转
录因子在种子发育早期参与光调节和激素的调节
过程, 是具有G-box特异结合活性的核蛋白, 连接
着GA和ABA信号转导途径, bZIP16与GA信号途径
相关基因RGA-LIKE2基因作用, 促进种子早期的生
长发育, 在种子发育早期调控GA途径上游基因
RGL2和PIL5, 这两个基因被抑制可激活GA的信号
途径和抑制ABA信号途径, 除AREB-SnRK途径外,
不同信号途径在胁迫时期起调节作用, bzip16突变
体植株中除RGL2外有8个基因(含G-box)上调, 这
些基因都含有ABRE元件并且参与到ABA和GA信
号途径中(Hsieh等2012)。
4 展望
随着2009年ABA受体蛋白复合物PYR/PYL/
RCARs的报道, AREB/ABF类转录因子介导的信号
网络更加备受关注。转录因子之间发生互作, 或
形成复合结构在整个网络信号转导途径中发挥作
用(Yoshida等2010; Zeng等2012; Vysotskii和Leeu-
wen 2013)。通过网络调控、基因功能研究等, 将
进一步阐明AREB类转录因子在ABA-SnRK等信
号途径中的关键作用。未来的研究将注意3个方
面: 不同物种AREB/ABF类同类物的发现以及基本
功能研究, AREB/ABF类转录因子自身保守结构域
在信号的激活过程以及必需基序, 以及AREB/ABF
和其他类转录因子互作对信号网络的影响。
深入研究AREB参与的ABA信号网络系统, 将
促进植物抗逆基因工程分子基础研究。因此, 研
究AREB/ABF类转录因子在信号转导中的作用机
理, 以期为利用转录因子进行植物抗逆基因工程
改良提供理论依据。
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