Dof转录因子在作物逆境胁迫响应及农艺性状改良中的作用.pdf

doi:10.3969/j.issn.2095-1736.2023.04.098Dof 转录因子在作物逆境胁迫响应及农艺性状改良中的作用王泽民1,晋 昕1,张飞燕1,司怀军1(甘肃农业大学 生命科学技术学院,兰州 730070)摘 要 阐述 DNA-binding with one finger(Dof)转录因子在作物中应答极端温度、干旱和盐胁迫等逆境的分子机制及其改良农艺性状的作用;介绍 Dof 转录因子在作物中响应逆境的信号感知方式和信号转导途径,分析其基因表达调控过程的调控机理以及对胁迫耐受力与重要次生代谢产物(RFOs 等)等积累的影响。同时从多信号网络调控机制以及全球气候变化对作物可持续和高质量生产的需求角度,对进一步研究和利用 Dof 转录因子进行作物生物育种的前景和方向作展望。关键词 生物育种;Dof 转录因子;转录调控;非生物胁迫;农艺性状中图分类号 S763文献标识码 A文章编号 2095-1736(2023)04-0098-09The role of Dof transcription factors in crop stress response and agronomic trait improvementWANG Zemin1 JIN Xin1 ZHANG Feiyan1 SI Huaijun1 College of Life Science and Technology Gansu Agricultural University Lanzhou 730070 China Abstract The molecular mechanisms of DNA-binding with one finger Dof transcription factors in crop response to stress such as ex-treme temperature drought and salt stress and their important roles in agronomic trait improvement were analyzed.Combined with the effects of different abiotic stresses on plant growth and development the signal sensing mode and signal transduction pathway of Dof transcription factors in crop response to stress were introduced.The regulation mechanism of Dof transcription factors and the action mode of stress tolerance and important secondary metabolites RFOs etc.during the regulation of gene expression were analyzed.Moreover from the perspective of multi-signal network regulation mechanism and the demand of global climate change for sustainable and high-quality crop production the prospects and directions of further research and utilization of Dof transcription factors in crop bio-breeding were prospected.Keywords bio-breeding Dof transcription factors transcriptional regulation abiotic stress agronomic trait 转录因子(transcription factors,TF)是一种蛋白质,它结合在目标基因启动子区域的特定 DNA 基序上,调节其转录。植物体内近 7%的基因转录产生 TFs,已知TFs 参与应对干旱、渗透、高温和低温等非生物胁迫1-3。植物 TFs 根据其 DNA 结合结构域被分为约 58个家族1。许多 TFs(如 Dof、WRKY、ERF、NAC、GRAS和 MYB 等)在与非生物/生物胁迫反应和许多发育/生理过程相关的信号和调节网络中起至关重要的作用1-4。虽然大量研究证实 Dof 广泛参与植物生长发育和胁迫响应等过程,同时影响作物重要农艺性状,如品质、产量、植株结构、开花时间和器官发育等,但仍然存在很多未知,对 Dof 家族具体成员相关功能和调控89第 40 卷第 4 期2023 年 8 月生 物 学 杂 志JOURNAL OF BIOLOGY Vol.40 No.4Aug.2023收稿日期:2022-08-30;最后修回日期:2022-10-21基金项目:甘肃省科技厅青年基金项目(21JR7RA844,22JR5RA882);省部共建干旱生境作物学国家重点实验室开放基金项目(GSCS-2022-03,GSCS-2020-07);国家自然科学基金项目(32260518)作者简介:王泽民,博士,副教授,研究方向为植物抗逆分子生物学,E-mail:wangzem 通信作者:司怀军,博士,教授,研究方向为马铃薯分子遗传育种,E-mail:hjsi 方式的研究并不完善,每个成员在多种复杂的环境条件下的响应机制尚不清晰。因此,仍需进一步了解和研究,为利用 Dof 转录因子提供更多理论依据。本文结合非生物胁迫(干旱、极端温度、盐胁迫等)和生物胁迫对作物生长发育的影响,从信号转导、基因表达调控和重要次生代谢产物变化等方面,重点综述 Dofs 家族成员在作物胁迫响应和作物重要农艺性状方面的多重功能,以期为 Dofs 在作物改良和抗逆性生物育种中的潜在功能及应用提供参考。1 Dof 转录因子DNA-binding with one finger(Dof)蛋白是植物特有的转录因子大家族。在模式植物拟南芥等物种的研究中发现,Dof 蛋白长度在 200 到 400 个氨基酸之间,通常由保守的 DNA 结合域(N 端)和一个转录调控区(C 端)组成4。Dofs 转录因子的另一个重要特征是高度保守的核定位信号(NLS),它可以引导这些蛋白质到达细胞核。这个长达 17 个氨基酸的 NLS 在本质上有两部分,与 Dof DNA 结合结构域下游末端相连,这一特性允许在一些植物中识别 Dof5-6。随着越来越多植物基因组测序项目完成,Dof 转录因子家族也在更多植物中得到全面鉴定。在模式植物拟南芥和水稻中分别发现了 36 和 30 个 Dofs 成员7-8,西红柿 34 个,西瓜和黄瓜均 为 36 个9,无 芒 隐 子 草 50 个10,苹 果 60个11,大豆和白菜中较多,分别为 76 和 78 个,小麦中最多有 96 个12。根据蛋白序列相似性,Dof 转录因子可分为 A、B、C、D 4 个组或亚组,B、C、D 组可进一步细分13-14。不同组或亚组 Dof 转录因子可能存在功能特异性。例如,B 组的 CDFs 亚组是将植物对不利环境条件反应与植物生长控制和发育不同方面(如光周期开花时间或根和芽生长)结合起来的关键元素15-18。CDF 蛋白,通常在其 C 端区域包含特定的结构域8,19,如时 钟 基 因 GIGANTEA(GI)和 FLAVIN BINDING KELCH REPEAT F-BOX PROTEIN 1(FKF1)结合结构域15,已知这些结构域通过蛋白质-蛋白质相互作用参与翻译后调控20-22。此外,一些 CDF 蛋白在 N 端也含有一个非 EAR 基序样结构域,这是与辅抑制因子TOPLESS 蛋白相互作用所必需的16。1.1 Dof 转录因子识别的顺式作用元件研究发现大多数 Dofs 只有一种类型的 DNA 结合区和寡聚区,尽管有些缺乏转录调节区域或特定的DNA 结合区23。研究人员通过不同的体外和体内方法分析了 Dof 结构域的 DNA 结合活性,发现所有检测的 Dof 都与 DOFCORE5-(A/T)AAAG-3 结合5。在拟南芥中,通过 DNA 亲和纯化测序(DAP-seq)技术对 529 个转录因子进行系统研究,所有 39 个 Dofs 转录因子都具有上述启动子结合偏好24。在拟南芥体外分析中报道了类似的观察结果20,25,也包括马铃薯21和番茄22,26等其他植物。以上实验阐明了 AAAG 基序在 Dof 转录因子识别 DNA 中的重要性,以及优先结合(A/T)AAAG 而不是(G/C)AAAG。与其他植物转录因子相比,Dof 转录因子识别的 DNA 序列相对较短27。由于 Dof 转录因子识别的是一个相对较短的序列,推定 Dof 结合位点在许多基因的启动子序列和转录调控区域中非常常见。然而,大多数可能是体内无功能的部位。此外,Dof 转录因子可能需要与其他转录因子相互作用,结合 DNA 或在基因组的精确位点上调节转录。1.2 Dof 转录因子与其他转录因子相互作用协同或拮抗调控下游基因表达 Dof 结构域不仅可以介导 DNA 与蛋白质,也介导蛋白质与蛋白质相互作用。Dof 转录因子与其他蛋白结合:一些通过 Dof 结构域介导,而另一些则涉及 Dof结构域外的氨基酸序列。研究显示,Dof 蛋白的 C 端基序在蛋白质-蛋白质相互作用中起关键作用。Dof 蛋白 C 端激活域的结构不同,导致 Dof 蛋白在碳氮同化28、光介导生物钟22,29、气孔功能30、种子萌发31、激素反应32、植物防御33、细胞周期34和果实成熟35等方面的功能不同。在拟南芥中,通过筛选 cDNA 文库发现第一个互作蛋白,即植物蛋白 OBP1(OBF-bind-ing protein)36。植物中 prolamin box(P-box)是一个高度保守的 7 bp 序列元件(5-TGTAAAG-3),存在于许多谷物种子贮藏蛋白基因的启动子中。研究显示,Dof转录因子 PBF 具有 P-box(PB)结合特性。PBF 能够与一种已知的调控玉米醇溶蛋白基因表达的转录激活因子 basic leucine zipper protein(bZIP)Opaque2(O2)相互作用,其靶点位于 22 ku 玉米醇溶蛋白(zein)基因启动子中 P-box 下游 20 bp 处。Dof 蛋白与 AAAG DNA序列基序结合及其与相邻启动子位点 bZIP 因子的相互作用表明,Dof 蛋白、PB 和 O2 之间的类似相互作用可能发生在 22 ku zein 基因启动子上37。Dof-MYB 相互作用也是通过 BPBF 的 C 端介导,而不是通过 Dof 结构域38-39。研究显示,Dof 转录因子能够与参与赤霉素(GA)调控基因表达(GAMYB)的R2R3 型 MYB 蛋白相互作用,这种相互作用对谷粒萌发过程中 GA 诱导糊粉层水解酶基因的表达起关键作用40。大麦 MYB 转录因子 HvGAMYB 通过与5-TAA-99第 40 卷第 4 期2023 年 8 月生 物 学 杂 志JOURNAL OF BIOLOGY Vol.40 No.4Aug.2023CAAC-3或 5-CAACTAAC-3基序结合反式激活 Hor2和 Itr1 启动子的转录,激活 Hor2 启动子也需要一个完整的 PB。HvGAMYB 通过与 BPBFC 端结构域相互作用增强 BPBF 的反式激活能力38。反式激活实验以HvGAMYB 作为效应器,通过与种子特异性转录激活因子 BPBF 可激活与 PB 结合的 Hor2 启动子的转录。即使在 Hor2 启动子中 MYB binding 位点发生突变的情况下也可以被 BPBF 激