张洁雯，刘建国，蔡墩旭，陈日远，朱云娜，宋世威

(1.华南农业大学园艺学院，广东广州 510642；2.韶关学院英东生物与农业学院，广东韶关 512005)

氮是植物生长发育所必需的大量元素之一，生产中存在施用量大、利用率不高、产品器官易积累硝酸盐、环境污染等问题，提高氮素利用率是农业生产中提高产量亟待解决的重要问题。一般来说，提高植物氮素利用效率一方面可以通过改善栽培条件而达成，另一方面可以通过调节植物体内碳氮代谢基因表达网络的调控因子来实现。然而，一些研究表明，仅从氮吸收、代谢途径的某个基因着手提高氮素利用效率，对作物增产效果并不显著。蔡红梅超表达水稻硝酸根转运蛋白基因、铵离子转运蛋白基因、谷氨酰胺合成酶基因等氮吸收、代谢相关的基因，结果表明，转基因植株氮代谢途径相关基因水平明显提高，但产量无显著变化。包爱丽进一步研究发现，超表达水稻、基因导致核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶加氧酶基因，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶基因、等碳氮代谢关键基因表达模式发生明显变化，植株碳、氮代谢不平衡，从而影响了植物生长发育和产量的形成。这进一步说明植物氮素利用效率的提高，不能仅依靠提高植物对氮素的吸收能力，还需要考虑碳、氮代谢之间的平衡关系。

碳、氮代谢是植物体内最重要的两大代谢，二者相辅相成，直接影响植物生长发育、作物产量和品质。近年来，研究指出，协调碳氮代谢平衡可优化植株对氮素的吸收、同化和代谢，提高氮素利用效率。许多研究结果表明，从根本上提高作物氮素利用效率的有效方法之一是找到影响植物碳氮代谢途径的关键调控因子，在整体上协调碳氮代谢途径，提高氮素利用效率，从而增加作物产量和改善作物品质。

转录因子作为协调靶基因整个应答网络表达的主要调节因子，可以同时调控1个或者多个基因调控靶基因，从而影响整个应答网络中所涉及的代谢物变化。前人研究报道HY5、Dof1、NLP6、GRF4等转录因子对氮素代谢具有重要调控作用；其中，HY5、Dof1还参与碳同化和运输。Li等报道，GRF4和DELLA共同协调水稻植株碳、氮代谢，在减氮条件下仍可获得高产，这为农业育种提供了新策略。目前已有文献报道，锌指蛋白转录因子Dof在植物的光调控开花、非生物胁迫、种子萌发与发育调控、植物激素信号转导和碳氮代谢等方面起着调控作用。Dof可显著影响、、等多个碳、氮代谢基因表达，从而调节碳氮代谢。近年来，越来越多的学者关注Dof转录因子在植物碳氮代谢和提高氮素利用效率方面的作用，但还没有清晰的Dof转录因子参与植物碳氮代谢的分子调控网络。本文主要综述参与植物碳氮代谢中的Dof转录因子及功能，以期给后续研究提供一定的理论基础。

1 Dof转录因子的结构特点

DNA结合单锌指蛋白转录因子属于单锌指蛋白超家族，是植物特有的一类转录因子，自1993年Yanagisawa等从玉米中分离出第1个Dof基因()以来，越来越多的Dof家族成员在不同物种中得到鉴定，其结构和功能分析已有大量文献报道。典型的植物转录因子包含4个结构域，分别是DNA结合结构域、转录调节结构域、寡聚位点和核定位信号。Dof转录因子一般由200～400个氨基酸组成，具有2个功能结构域：N-末端的DNA结合区和位于C-末端的转录调控区，其中，DNA结合区为52个保守的氨基酸残基构成的C2-C2型单锌指结构域，由4个保守的半胱氨酸(Cys)残基和1个Zn共价结合，形成CXCXCXC基序，被命名为Dof结构域(图1)。

除文献报道的南瓜Dof蛋白AOBP特异识别序列为AGTA序列外，Dof家族成员主要通过含有AAAG(或CTTT)序列的识别位点与下游基因启动子序列结合调控靶基因表达，因此Dof结合结构域具有高度保守性。另外，Dof转录因子核心序列之外的侧翼序列、AAAG序列的数量、蛋白互作以及转录后的修饰会影响Dof蛋白与DNA识别序列结合的亲和力与选择性。由于Dof的C-末端转录调节结构域的氨基酸序列较为多变，不具有保守性，因此其功能也呈现出多样性。

2 Dof转录因子在植物碳代谢中的调控作用

植物生长发育离不开碳代谢。碳代谢作为植物生命活动中最基础的代谢之一，一方面，碳代谢通过光合作用把体外的二氧化碳转化为植物能吸收的碳水化合物；另一方面，碳代谢通过呼吸作用把碳水化合物异化为二氧化碳等生理生化过程，包括光合产物木质素、淀粉、蔗糖等的生物合成、降解和转化，以及呼吸过程中的三羧酸循环(TCA)、糖酵解途径(EMP)以及磷酸戊糖途径(PPP)等。碳代谢还能为氮代谢等物质代谢提供能量和碳骨架2-酮戊二酸(2-OG)等。

2.1 Dof转录因子调控光合作用

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是将磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)转化成草酰乙酸(OAA)的关键酶。超表达玉米基因可提高玉米原生质中启动子的活性，提高和非光合启动子的活性；在水稻中超表达该基因，除可激活基因表达外，还可上调依赖烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP)的苹果酸脱氢酶编码基因(-)和异柠檬酸脱氢酶编码基因()表达，从而促进碳代谢。类似地，水稻是玉米的同源基因，超表达该基因也表现出类似的作用。进一步研究表明，通过结合等基因启动子区域的AAAG基序进而发挥作用。然而，不同Dof成员具有不同活性，对靶基因发挥不同的调控作用。与类似，玉米也可参与碳代谢，但具有不同的功能，抑制靶基因和启动子活性，而激活启动子活性。

2.2 Dof转录因子调控木质素生物合成

木质素的合成需要大量的碳骨架，因此，木质素作为一种重要的碳代谢产物，引起了学者们的关注。Rueda-López等在拟南芥中超表达松树显著下调了基因表达，导致调控的反应底物PEP大量积累。PEP作为木质素合成前体之一，可为木质素生物合成提供大量碳骨架；同时，还发现超表达拟南芥植株的胞质果糖-1，6-二磷酸酶(cFBPase)活性显著上调，可溶性糖含量显著增加，而增加的蔗糖除提供碳骨架，还可作为一种信号调控木质素的生物合成。Ramachandran等的研究表明，拟南芥维管束相关的转录因子VDof1和VDof2参与调控维管细胞分化和木质素生物合成。由此可见，Dof转录因子通过调控碳骨架、糖信号等方式参与木质素生物合成途径。

2.3 Dof转录因子调控淀粉的生物合成和分解

此外，Dof转录因子还通过调控淀粉生物合成途径参与碳代谢。玉米可与淀粉生物合成基因和启动子结合，促进淀粉生物合成；也可以通过结合参与糊粉层细胞分化的启动子，正调控玉米胚乳的发育，敲除则降低表达也证明了这一观点。类似地，Wu等报道玉米可与6种淀粉生物合成基因的启动子结合，超表达该基因的玉米籽粒淀粉含量增加，可溶性糖和还原糖含量降低，表明正调控玉米胚乳淀粉的合成。然而，在猕猴桃中，通过靶向调控-淀粉酶编码基因而参与果实成熟过程中淀粉的降解，超表达的植株表现出果实中表达水平上升，而果实中淀粉含量下降。相反，在甘薯中，超表达Dof转录因子SRF1植株表现出液泡型转化酶基因表达水平降低，甘薯贮藏根中淀粉比例增加，显著降低了葡萄糖和果糖所占比例，从而调节甘薯贮藏根中的碳水化合物代谢，表明SRF1转录因子在淀粉生物合成过程中有重要的作用。此外，研究表明大麦Dof转录因子SAD与HvGAMYB协同作用激活-淀粉酶编码基因表达，而另一Dof转录因子BPBF通过与HvWRKY38结合可抑制SAD和HvGAMYB之间的协同作用，从而阻止在糊粉层表达。

根据文献报道，本文总结了Dof转录因子在不同植物调控碳氮代谢的潜在靶标基因及其功能，详见表1。

表1 不同植物中Dof转录因子调控碳氮代谢的潜在靶标基因及其功能

3 Dof转录因子在植物氮代谢中的调控作用

植物氮代谢包括氮的吸收、转运和同化，把土壤中的无机氮(硝酸盐或者铵盐)同化为植物可以吸收的氨基酸等成分。无机氮的还原可以在根部或者地上部进行，在胞质时氮的还原需要硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)，生成铵盐，通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶(GS/GOGAT)途径，被同化为氨基酸。此外，天冬酰胺合成酶(AS)、氨甲酰合成酶(CPSsae)和谷氨酸脱氢酶(GDH)也参与铵盐的同化过程，将铵盐同化为不同氨基酸，氨基酸再进一步合成具有不同功能的蛋白质，为植物生长发育提供营养。

3.1 Dof通过调节氮的吸收、转运、同化影响氮代谢

Dof转录因子可通过调控氮吸收、转运相关基因参与氮代谢。在拟南芥中超表达水稻可上调铵离子转运蛋白基因；和；表达，抑制硝酸根转运蛋白基因；的表达，增加总氨基酸含量，提高氮素利用率。Wu等报道水稻基因缺失突变体降低了；、；、；和；的表达水平，表明通过诱导根系中基因表达，从而影响植株对铵的吸收、运输及氮的分布。

Dof转录因子通过调节氮同化关键基因参与氮代谢。拟南芥表达受氮供应水平调控，在烟草中超表达该基因能够上调谷氨酰胺合成酶编码基因表达，从而促进氮同化。类似地，超表达小麦可以提高转基因植株GS、GOGAT、GDH等氮同化相关酶的活性，进而促进氮代谢。Wang等报道茶树可以直接与的启动子区域AAAG基序结合，超表达或者均可增加转基因植株中的转录水平，增加植株体内谷氨酰胺含量，这表明茶树Dof转录因子可正调控谷氨酰胺代谢。

3.2 Dof转录因子通过调节碳氮代谢平衡影响氮代谢

有趣的是，作为番茄逆境响应的的同源基因，主要调节植物开花时间和抗性，最近研究表明也参与植物碳氮代谢。在拟南芥中超表达通过参与硝态氮响应来提高拟南芥氮素利用率，增加转基因植株中蔗糖和氨基酸的含量；超表达提高番茄果实大小和产量，转基因番茄通过调控蔗糖酶活性来控制果实的库源关系，提高成熟果实中碳、氮化合物的含量，从而影响果实品质。

综上，Dof转录因子在碳、氮代谢过程中发挥着重要作用，两大代谢相辅相成，直接影响植物生长发育、作物产量和品质。根据文献[2，45]，将Dof转录因子参与植物碳氮代谢过程的调控网络图总结如图2所示。

4 Dof转录因子的转录调控机制

前人研究表明，Dof转录因子能够识别靶基因AAAG序列或其反向互补序列CTTT。Dof转录因子对靶基因的转录调控具有双重功能，可作为转录的激活子或抑制子，同时正向和负向调控靶基因启动子的活性。玉米和共同的靶基因和，但前者为转录激活子，而后者为转录抑制子，二者行使完全相反的功能。拟南芥Dof转录因子、与不同DELLA蛋白编码基因互作，以完全相反的作用调控种子萌发。然而，相同的Dof转录因子成员对靶基因的不同基因家族成员作用。前人研究表明，松树是启动子的激活子，却是启动子的抑制子。此外，Dof转录因子具有双重功能区，它不仅可以与DNA相互作用，也可以与蛋白质相互作用。拟南芥；参与调控花器官脱落。拟南芥Dof蛋白OBP1与OBF互作增强了OBF与DNA的结合能力。玉米胚乳特异性Dof蛋白PBF(BPBF的同源物)与玉米BZIP蛋白O2互作激活了胚乳中玉米醇溶蛋白基因。目前为止，虽只报道少数Dof存在蛋白与蛋白之间的互作，但由于Dof结构域高度保守，Dof可能存在蛋白-蛋白的相互作用。

5 展望

Dof转录因子在碳、氮代谢过程和植物生长发育中发挥着重要调控作用，但其效应却因作物及不同Dof家族成员而异。到目前为止，有关Dof转录因子在碳氮代谢方面的研究主要集中在模式植物和主要农作物中，如拟南芥、水稻、玉米、小麦等，但在园艺植物中的研究较少，对于偏好氮肥且易积累硝酸盐的叶用蔬菜则少之甚少。虽然，许多研究结果表明，Dof转录因子可调控作物碳氮代谢水平，增强其农艺性状，但其在植物碳氮代谢应答网络中的调控作用机制还不清楚，与其他蛋白或转录因子的相互作用机制还有待进一步研究。随着基因组测序的陆续完成，其他作物的Dof转录因子也逐渐被鉴定。在今后的研究中，可加强园艺植物Dof转录因子的挖掘并预测其生物学功能，研究Dof转录因子调控植物碳氮代谢及对生长发育的影响，利用基因工程选育高氮素利用效率的优良品种，且有助于阐明改善植株碳氮代谢水平而影响氮素利用效率的分子机制。