非生物胁迫相关NAC转录因子的结构及功能_李小兰

植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (10): 1009~10171009

非生物胁迫相关NAC转录因子的结构及功能

李小兰, 胡玉鑫, 杨星, 于晓东, 李秋莉*

辽宁师范大学生命科学学院, 辽宁省植物生物技术重点实验室, 辽宁大连116081

摘要: NAC是植物特有的一类转录因子, 参与植物多个生长发育过程, 还参与植物对逆境胁迫的响应。本文对非生物胁迫相关NAC转录因子的结构特征、功能预测、表达特性、在转基因植物中的作用及调控路径进行综述。非生物胁迫相关NAC转录因子具有典型的NAC胁迫亚家族结构特征, 根据这些结构特征可以预测其功能; 非生物胁迫相关NAC转录因子能响应多种非生物胁迫, 其转基因过表达大多能使转基因植物提高一种或几种胁迫耐受性; 非生物胁迫相关NAC转录因子有着复杂的调控路径。这些NAC转录因子可用于提高转基因植物的逆境耐受性。关键词: NAC转录因子; 非生物胁迫; 表达特性; 转基因植物; 调控路径

Structure and Functions of NAC Transcription Factors Involved in Abiotic Stress

LI Xiao-Lan, HU Yu-Xin, YANG Xing, YU Xiao-Dong, LI Qiu-Li*

Key Laboratory of Plant Biotechnology of Liaoning Province, College of Life Sciences, Liaoning Normal University, Dalian, Lia-oning 116081, China

Abstract: The plant-speci c NAC (NAM, ATAF1,2 and CUC2) transcription factors are involved in several developmental programs, and involved in the response to stress. This review focused on structural feature, func-tional prediction, expression patterns, the role in transgenic plants and regulation pathway of NAC transcription factors involved in abiotic stress. Abiotic stress related NAC transcription factors have typical structural fea-tures of stress subfamily of NAC, and their functions can be predicted by these features; NAC genes can be in-duced by at least one type of abiotic stress, overexpression of these genes enhanced one type or several types of abiotic stress tolerance of transgenic plants; the regulation pathway of these NAC genes is complicated. These NAC transcription factors will help enhance stress tolerance of transgenic plants.

Key words: NAC transcription factor; abiotic stress; expression patterns; transgenic plant; regulation pathway

非生物胁迫如干旱、高盐、冷害、冻害、高温、水涝等会影响植物水分、光合、呼吸、物质代谢等过程。植物在长期的系统发育中逐渐形成了对逆境的适应和抵抗机制, 所形成的适应和抵抗机制众多, 基因表达的转录调控在其中起着重要作用。转录因子是基因表达中一类重要的调控因子, 通过与目标基因启动子中特定的DNA序列即顺式作用元件结合, 激活或抑制靶基因的转录表达。许多转录因子如AP2/ERF (APETALA 2/eth-ylene-responsive element binding factor)、MYB、bZiP (basic region/leucine zipper)、WRKY、NAC等参与植物逆境胁迫反应的调控(Singh等2002; Olsen等2005b)。NAC转录因子是植物特有的一类转录因子, 命名源于矮牵牛(Petunia hybrid) NAM (no apical meristem)和拟南芥(Arabidopsis thaliana) ATAF1、ATAF2以及CUC2 (cup-shaped cotyledon)

收稿 2013-06-01　　修定 2013-08-09

资助 国家自然科学基金(31340052)和辽宁省自然科学基金

(2013020069)。

* 通讯作者(E-mail: skyliqiuli@http://www.77cn.com.cn; Tel: 0411-82157078)。

基因, 其数量众多, 广泛分布于陆生植物中(Souer等1996; Duval等2002; Ooka等2003)。到目前为止, 通过植物基因组测序, 已经鉴定出拟南芥有117个、水稻(Oryza sativa)有151个、葡萄(Vitis vin-ifera)有79个、白杨(Populus trichocarpa)有163个、大豆(Glycine max)和烟草(Nicotiana tabacum)分别有152个NAC基因(Le等2011; Hu等2010; Nuru-zzaman等2010; Rushton等2008), 可以看出NAC转录因子构成了较大的转录因子家族之一。具有如此众多成员的NAC转录因子家族在植物中发挥着不可低估的作用。研究显示, NAC转录因子不仅

1010植物生理学报

参与植物的多个生长发育过程如种子萌发、细胞分裂、细胞次生壁的合成、开花、衰老、侧根形成等, 还参与植物对生物以及非生物胁迫的响应(Olsen等2005a)。根据生物信息学对全基因转录组分析, 预测有20%~25%的NAC基因对至少一种或几种胁迫有响应(Fujita等2004; Kawaura等2008)。十多年来, 越来越多的研究不断证明这些抗逆相关的NAC转录因子在植物耐受逆境方面起着关键作用。本文对非生物胁迫相关的NAC转录因子的结构、功能预测、表达特性、在转基因植物中的作用及调控路径进行介绍, 目的在于为抗逆相关NAC转录因子的深入研究提供相关基础。1 NAC转录因子的结构及功能预测1.1 NAC转录因子的结构特征

目前NAC转录因子结构模型中, 典型模型是N端存在一个高度保守的NAC结构域, C端是变化多样的转录调控域(Ooka等2003; Shen等2009)。NAC结构域一般由约150个氨基酸组成, 分为5个亚结构域A~E, 其中亚结构域C、D高度保守, 带正电荷, 与DNA结合; 亚结构域A可能与NAC蛋白形成二聚体有关; 亚结构域B、E富于变化, 可能赋予NAC基因不同的功能。NAC结构域存在单向或双向的核定位信号, 其中亚结构域D中的赖氨酸残基对核穿梭起关键作用。除此之外, NAC结构域还调节蛋白质结合, 这一点可能决定了NAC蛋白的命运和功能, 可能是植物与病原体相互作用或胁迫耐受的关键(Puranik等2012)。NAC转录因子的转录调控区域位于高度分散的C端, 激活或抑制转录, 有几组重复的富含丝氨酸-苏氨酸、脯氨酸-谷氨酸或酸性氨基酸残基的特异基序, 这些基序对NAC同一亚家族是保守的, 在不同的亚家族之 …… 此处隐藏：24805字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……