植物抗病性相关的WRKY转录因子的结构功能

植物抗病性相关的WRKY转录因子的结构功能1植物抗病相关转录因子转录因子(transcriptionfactor，TF)是指能够直接或间接与启动子核心序列TATA盒特异结合，并启动转录的一类调节蛋白，通过调节目的基因的转录效率来调控植物的生理生化过程。转录因子包含转录激活因子和转录阻遏因子两种，是基因表达的重要调节因子。根据DNA结合区域的不同，如螺旋．环．螺旋、锌指结构、螺旋．转角．螺旋和亮氨酸拉链结构等等，植物的转录因子可划分成多个家族，如NAC家族、MYB家族、WRKY家族等。转录因子在植物的抗病过程中起重要的作用。近年研究发现，ERF、MYB、WRKY等家族中许多转录因子参与调控植物JA、ET、SA及不同病原菌侵染的信号转导途径。在ERF家族中，ERFl和ORA59是JA/ET信号途径的激活调控因子，且ERFl基因过表达可以激活植物抗病相关基因PDF1.2和几丁质酶合成基因ChiB的表达，增加植物对灰葡萄孢的抗性；ERF2、ERFl4过表达也使PDF1.2的表达水平增加，而ERFl4是PDF1.2的负调控因子，这些研究表明ERF家族中的多数基因对植物抗病起负调控作用。在MYB家族中，MYB30与植物磷脂酶相互作用，是拟南芥抗细菌的正调控因子；MYB72是拟南芥根部关键的调节因子，根际有益的细菌可诱导MYB72表达，激发拟南芥产生抗病性。WRKY蛋白是近年来发现的植物特有的一类转录因子家族，在拟南芥中有74个家族成员，在水稻中有多于100个家族成员，参与生长发育、叶片衰老等，但主要功能是协助植物对抗各种生物或非生物胁迫。2WRKY转录因子概述WRKY转录因子最初是Ishiguro从甘薯中分离得到。其后在野燕麦、皱叶欧芹、拟南芥、烟草、水稻、沙漠豆科植物、鸭茅草、大麦、棉花、油菜当中克隆到WRKY基因。截止目前已经在20多种高等植物以及一些低等正和生物如肠兰波鞭毛虫、粘液菌盘基网柄菌、绿藻中发现该基因。WRKY家族的基因具有锌指结构位点及W̵box保守区域，WRKY38和WRKY62是拟南芥抗细菌的负调控因子，WRKY62通过调控SA和JA信号途径调节植物的抗病性，该基因功能缺失促进JA信号途径基因的表达，过表达则抑制SA信号途径基因PR1的表达，但WRKY48基因过表达却与其结果相反。WRKYl8、WRKY40和WRKY60的部分功能缺失突变体对丁香假单胞杆菌更加敏感，进一步研究发现wrkyl8wrky40和wrkyl8wrky60双缺失突变体对细菌的敏感性增强。WRKY家族基因在水稻、辣椒、番茄等作物中也参与了植物的抗病信号转导途径，具有调控植物抗病反应的作用。随着分子生物学技术的发展，转录因子的DNA结合位点及其互作蛋白的研究及进一步完善植物的抗病信号转导途径成为人们的研究热点。2.1WRKY蛋白结构特征WRKY转录因子是一段具有60个高度保守氨基酸区域的锌指蛋白，在氨基末端(N端)具有WRKYGQK7个绝对保守的氨基酸序列，该区域被视为WRKY结构域的核心序列，而在羧基末端(C端)具有锌指结构。WRKY转录因子家族根据其WRKY结构域数量和锌指结构特征的不同被分为三组，其中第一组通常含有两个WRKY域，第二和第三组仅含有一个域。大多数WRKY蛋白中仍然含有基本的核定位信号区。WRKY蛋白可专一识别TTGACC／T(W-box)序列，与之结合调节基因转录。W-box植物防卫相关反应基因中均出现，且频率高于其他类型基因。NPRl启动子区域含有W-box，且WRKY蛋白作用于NPRl的上游，与其特异性结合，进而在植物防卫反应中正向调控其表达：过量表达拟南芥基因启动子中的W-box，可导致抗病反应、基础防卫反应、激发子反应和系统获得性抗性中各相关基因表达上调。2.2WRKY转录因子的结合序列WRKY转录因了特异性结合的核苷酸序列为(T)(T)TGAC(C／T)片段(即w-盒，TGAC是w-盒当中的核心序列，其中任意一个碱基的突变都会导致结合能力的减弱或者消失。当然也存在例外，如烟草当中的NtWRKYl2序列，该基因结合启动子当中的SURE元件，其结合的序列为TTTTCCAC。Ciolkowski等曾对拟南芥中不同转录因子的结合选择性进行研究，发现W-box的邻近序列会影响其所结合的转录因子种类，AtWRKYll与AtWRKY6对W-box5’端有G碱基的位点会表现fn很强亲和力。2.3WEKY转录因子的功能2.3.1参与植物抗病防卫反应植物在受到病原物侵染之后，其植物体内会产生由特定信号蛋白和信号分子组成信号传导途径，通过该途径激活防卫反应基因，从而抵抗病原物的侵染。植物抗病反应通常有多种信号分子和信号传递途径参与，其中由SA，JA和ET三种内源信号途径被称为植物抗病防卫基本信号途径。植物防卫反应基因是指在激发子的诱导下，经信号传递激活表达防卫反应功能的一类与植物抗病相关的基因。一些防卫反应基因也可以与WRKY转录因子结合，如在皱叶欧芹中PR-I,PR-2,PR-3,PR-10都可以与其WRKYl基因结合(Rushtonetal1996；Eulgemetal，1999)。转录因子不仅可在植物抗病反应中起正调控作用，也可起负调控作用。如AtWRKY48在拟南芥对假单胞菌(Pseudomonassyringae)的防卫反应中起负调控作用。2.3.2WRKY转录因子在植物抗逆中的调控作用植物在其长期的生长发育中会受到如损伤、干旱、高盐、等一系列非生物因素的胁迫，其在长期的进化过程中形成了一系列应对上述胁迫的调控机制。在植物抗逆反应过程中，会有一系列相关基因被诱导或抑制表达。Wu等人曾发现OsWRKYII可与水稻热激蛋白基因HSP基因的启动子结合，其过量表达可增加水稻对高温和干旱的抗性（wuetal,2009）。脱落酸是植物抗逆反应中起重要调控作用的激素。Xie等人曾发现水稻的OsWRKY24与OsWRKY54基因会抑制一个受脱落酸诱导表达基因的表达，而OsWRKY72则可以诱导该基因的表达。大部分与植物抗逆反应相关的转录因子都参与调控了植物对两种以上不同逆境的反应，表明其在植物体内不止参与了一条抗逆信号传导途径。2.3.3WRKY转录因子在植物发育过程中的作用WRKY转录因子对环境刺激的反应具有快速、瞬时的特点，这就为其参与信号转导途径，进行早期的基因表达调控提供了可能。WRKY转录因子便能快速表达，并结合其下游防卫基因启动子中的W-box转录激活或抑制防卫基因，最终开启或关闭植物自身防卫体系进行防卫应答反应(李蕾et161．，2005)。WRKY转录因子除了参与植物防卫反应之外，还在植物发育过程中扮演着重要角色，如影响植物形态建成、叶片衰老等。Miao等报道AtWRKy53转录因子与拟南芥衰老相关，用基因组DNA和重组WRKY53蛋白进行pulldown，分离到了许多候选的靶基因，包括WRKY家族的转录因子、胁迫和防卫相关基因以及衰老有关的基因(SAGs)等，并且体内和体外的实验验证了WRKY蛋白与这些基因启动子结合转录激活或抑制这些基因的表达，(Miaoet2.3.4WRYK转录因子在植物代谢过程中的作用WRKY转录因子还参与植物当中某些化合物合成以及代谢过程。其中最早克隆的SPFI就属此类基因。该基因在蔗糖诱导淀粉酶基因的表达中起重要调控作用（Ishiguroletal,1994）。在大麦中也发现有类似功能的转录调节因子SUSIBA2，其与异淀粉酶基因SOI启动子区的w-box结合从而参与淀粉合成的调节。3.展望WRKY转录因子作为植物应对外界生物与非生物胁迫中重要的响应蛋白,已经越来越多的引起了人们的关注。从甘薯中发现第一个WRKY转录因子至今,利用转录组学、蛋白组学、生物信息学、遗传学等方法,WRKY转录因子在植物中的功能已经被慢慢发掘出来。它不但参与了植物生长发育和新陈代谢过程,更重要的是它还参与了植物应对外界生物以及非生物的胁迫反应。WRKY转录因子存在于防御信号途径的各个位置,一些早期的受体蛋白、MAPK级联、SA和JA等激素信号途径以及下游调控蛋白都可以和WRKY转录因子进行互作。WRKY转录因子是一类庞大的家族,已有研究表明在行使某个功能上WRKY转录因子存在着冗余[36,41]。因此,进一步阐明WRKY转录因子在植物防御网络中的调控与作用机理以及WRKY转录因子间的相互协调机理,将是今后的一个重要研究方向。同时,WRKY作用机理的阐明,对于培育抗逆境作物品种具有重要的理论与实践意义。