董 铮，戴阳朔，李 魏，戴良英

（湖南农业大学生物安全科学技术学院，湖南农业大学作物基因工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410128）

水稻（Oryza sativa L.）是世界上种植广泛的粮食作物，它是地球上半数以上人口的重要主食。低温作为一种渗透型非生物胁迫，严重制约水稻的生长和产量。水稻在受到低温胁迫时，细胞内主要有两类蛋白质分子在发挥作用：一类是直接保护细胞的渗透调节功能蛋白；另一类就是参与胁迫信号传导和表达调控的转录因子。根据这些转录因子结合的顺式作用元件的结构以及产生作用的机理不同，将它们分成很多个转录因子家族。其中CBF/DREB（C-repeat binding factor/dehydrationresponsive element binding）类、MYB（ν-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）类、bZIP（basic region/leucine zipper）类和 NAC（NAM，ATAF1-2，CUC2）类转录因子就是水稻低温胁迫信号传导中发挥重要作用的4个家族。

1 CBF/DREB类转录因子

CBF/DREB类转录因子属于AP2/ERF（APETALA2/ethylene-responsive factor）基因家族中的ERF亚家族[1]。AP2/ERF是一个巨大的基因家族，广泛的存在于各种植物中，仅在水稻中，就拥有188个AP2/ERF类转录因子[2-3]。CBF/DREB转录因子通过自身包含的RAYD保守结构域特异识别干旱和冷诱导响应顺式元件DRE/CRT后与之结合并激活下游基因，在植物适应干旱、高盐和低温等非生物逆境过程中起着非常重要的作用[4-5]。

近几年，Dubouzet等[6]在水稻中分离出了5个与拟南芥（Arabidopsis thaliana）中DREB的同源基因，分别是 OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1D和 OsDREB2A，其中 OsDREB1A和OsDREB1B受冷诱导表达。同时，Dubouzet等在拟南芥中超表达OsDREB1A，可以诱导与拟南芥DREB1A转录因子相结合的目标基因表达，提高拟南芥对干旱、高盐和冷胁迫的耐受性。这些结果表明OsDREB1A与DREB1A具有相似的功能。而Mao等[7]鉴定了10个水稻CBF/DREB同源基因，其中 6个基因（OsDREB1A，OsDREB1B，OsDREB1C，OsDREB1E，OsDREB1F 和 OsDREB1G）在水稻基因组中的位置与拟南芥CBF1-CBF4的位置具有共线性和相似的表达模式，并参与冷信号基因的共表达，表明这些基因可能也参与了水稻的冷驯化过程。

2 MYB类转录因子

MYB类转录因子在植物组织细胞中广泛存在，它们在调控抗非生物和生物胁迫信号方面起到重要作用。根据这些蛋白DNA结合域上重复串联序列的数目不同，MYB类转录因子可分成3种类型：结合单个特异重复序列的R1型、2个序列的R2R3型和3个序列的R1R2R3型[8]。

R1型转录因子在冷驯化过程中起调控作用的报道不多，而其中最有代表性的是Lu等[9]发现的MYBS3。MYBS3的DNA结合域能特异性的与α-淀粉酶基因（aAmy3）启动子区TA-box（TATCCA）结构结合。Su等[10]研究表明，MYBS3的转录水平被冷胁迫诱导上调，他们分别构建了该基因的超表达和RNAi的转基因株系，发现超表达MYBS3能提高水稻耐冷性，而干涉MYBS3的表达会让水稻对冷胁迫更加敏感，说明MYBS3在水稻耐寒中起重要作用。该研究同时发现MYBS3能在转录水平上抑制水稻中已知的CBF/DREB冷信号传导通路中的DREB1类蛋白，与CBF/DREB信号途径对寒冷的快速应答不同，MYBS3所在的冷信号通路应答缓慢，但作用更为持久。植物中的MYB类转录因子多数为R2R3型，这类转录因子在植物的生长、抗逆和激素调节等方面起重要作用[11]。其中，Os－MYB2是一个典型的R2R3型MYB转录因子。Yang等[12]研究表明，超表达OsMYB2的转基因水稻对盐分、冷害和干旱的耐受性增加，并能上调编码脯氨酸合成酶和运输蛋白的表达，而脯氨酸在细胞中的积累能明显提高植物对低温胁迫的耐受性。超表达OsMYB2也能让植株中的胁迫相关基因如OsLEA3，OsRab16A，OsDREB2A表达出现上调。相对于R2R3型，植物中的R1R2R3型的MYB类转录因子数量要少得多。OsMYB3R-2就是一个R1R2R3型的转录因子，该蛋白与有丝分裂特异激活因子顺式作用元件（T/C）C（T/C）AACGG（T/C）（T/C）A结合。OsMYB3R-2在水稻中能被寒冷、干旱和高盐胁迫诱导表达，若将水稻OsMYB3R-2在拟南芥中超表达，与冷相关的上游基因如DREB2A，COR15a，RCI2A等表达量都显著提高，说明OsMYB3R-2能通过激活冷应答基因的表达来提高对冷胁迫的耐受性，而且该蛋白处在冷信号途径中的上游位置[13]。

3 bZIP类转录因子

bZIP类转录因子在真核生物中是最保守、分布最广的一类转录因子，目前在水稻中已发现94个成员[14]。该类转录因子结构特征是在N端有一个由20个碱性氨基酸组成的能与特异DNA序列结合的结构域，紧挨着碱性结构域的是一个亮氨酸结构域，其特点是每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基，该结构能形成二聚体并结合DNA。bZIP类转录因子能特异识别核心序列为ACGT的顺式作用元件，包括 CACGTG（G 盒），GACGTC（C盒），TACGTA（A盒）。很多ABA诱导的启动子中都含有这类元件。在胁迫条件下，bZIP转录因子与ABA信号响应基因的启动子区ABRE（ACGTGCG）结构结合并启动下游基因的表达[15]。

研究人员很早就发现水稻LIP19蛋白是一个由148氨基酸组成的bZIP转录因子，受低温胁迫诱导表达[16]。后来Shimizu等[17]发现它缺失bZIP类蛋白常有的同源二聚化和结合DNA的能力，这一点与哺乳动物的Fos蛋白相同。他们通过酵母双杂交发现了另一个与LIP19互作的受低温诱导的bZIP蛋白OsOBF1。该蛋白形成的同源二聚体能特异的结合到序列ACGTCA上。OsOBF1和LIP19能形成异源二聚体结构，这种互作的形式要比OsOBF1自身形成同源二聚体的作用要强。因此水稻中可能存在一种感温模型：在25℃降低到5℃这个过程里，OsOBF1表达量由高到低，而LIP19表达量由低到高，细胞内的OsOBF1同源二聚体逐渐转变成由OsOBF1和LIP19形成的异源二聚体，导致特异结合的DNA种类发生变化，最终诱导特异的耐寒基因，完成植物自身对环境的反馈调节。

4 NAC类转录因子

NAC类转录因子在植物中广泛存在，水稻中就发现有149个[14]。NAC得名于发现在这类转录因子DNA结合区域上保守的前3个分别来自不同植物的蛋白，即NAM，ATAF1-2和CUC2[18]。这类转录因子所编码的蛋白特点是在N端有一个非常保守的DNA结合区域，但在C端有不同的结构，比如丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷氨的数量不同[19]。

Hu等从旱稻IRA109中分离了一个响应低温胁迫的NAC类转录因子：SNAC2。SNAC2蛋白包含NAM类的DNA结合结构域，并定位在细胞核中。超表达SNAC2的水稻增加了对寒冷、高盐胁迫和聚乙二醇（PEG）模拟的干旱胁迫的耐受性，并且比非转基因对照植株对ABA敏感。对超表达SNAC2的水稻进行基因芯片分析，发现有36个相关基因在常温和低温下表达量都上调了，同时有9个相关基因在常温和低温下表达量下调了，这些基因中编码的蛋白部分在抗寒、抗旱和抗高盐浓度作用上发挥了功能。

5 结语

近些年，植物转录因子的克隆和功能研究有很大的进展，它们在很多信号途径中的作用都有新发现，这与转录因子在生物或非生物逆境条件下发挥重要作用密不可分。水稻中很多增强或减弱抗低温胁迫的转录因子同时也受其他逆境的诱导，特别是受非生物胁迫的情况比较常见，如干旱、高盐胁迫，但病理、激素相关的生物胁迫也可诱导低温胁迫相关的转录因子。转录因子在何种信号途径中起更重要的作用很多时候取决于该因子的DNA结合域的识别情况和效率。比如在CBF/DREB参与的耐寒途径中，拟南芥中DREB1A蛋白结合ACCGAC和GCCGAC效率是一样的，而水稻OsDREB1A蛋白更偏好于结合GCCGAC，说明OsDREB1A转录因子可能偏向于某一信号途径[6]。虽然通过研究转录因子在植物逆境胁迫过程中的作用，阐明植物抗逆信号传导机制，以及利用转录因子提高植物抗逆性是解决植物在逆境条件下产量与质量问题的有效途径，但目前还没有特别成熟的抗性品种。这可能是因为各个抗逆信号途径之间存在复杂的交联信号网络，因此进一步分析转录因子在关联各种抗逆信号网络上的作用机制具有重要意义。

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