WRKY转录因子在植物非生物胁迫抗逆育种中的应用

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　　新疆生产建设兵团棉花遗传改良与高产栽培重点实验室，新疆石河子 832000）
　　摘要：干旱、高盐和低温等非生物逆境是影响农作物产量的重要因素。WRKY转录因子由于其过量表达能够提高植物抗旱、耐盐、耐低温、抗冻甚至抵抗重金属等逆境胁迫的能力，因此被作为应用基因工程途径进行植物抗逆性状改良的理想候选基因。在分子育种中，增加1个关键的转录因子的调控能力，能同时激活多个功能基因表达，从而提高植株综合抗逆性。本文主要综述了WRKY轉录因子的结构、功能、转录调控机制研究以及近年来国内外WRKY转录因子新基因的发现及其在培育抗逆性转基因植物中的应用，以期为植物抗逆分子育种改良提供参考。
　　关键词：WRKY;转录因子;转基因;非生物胁迫;抗逆育种
　　中图分类号： Q786;S332文献标志码： A文章编号：1002-1302（2019）16-0009-05
　　收稿日期：2018-05-09
　　通信作者：田琴，硕士，副研究员，主要从事棉花遗传育种研究。E-mail：tq2005@126.com。干旱、低温和高盐等非生物逆境胁迫是农业生产中严重的自然灾害，严重影响了植物的生长发育及农作物的产量。为了适应和抵消非生物胁迫对自身的影响，植物体建立了一系列信号传导和调控的分子机制，通过相关转录因子的表达进而调节下游基因的大量表达，以提高植物应对逆境胁迫的能力。转录调控因子在植物的生长发育和耐逆抗病过程中发挥着极其重要的调控作用，与逆境相关、参与信号传递途径及基因表达调控过程的转录因子主要包括5个家族：MYB、bZIP（basic leucine zippe）家族、AP2/EREBP家族、WRKY（因含有高度保守的核心氨基酸序列WRKYGQK而命名）、NAC（因其N端为保守的大约150个氨基酸NAC结构域命名）[1]。
　　WRKY是一类锌指型转录因子，主要存在于植物中，不仅在各种生物胁迫防卫反应中发挥作用，也参与调控多种非生物（如机械伤害、低温、干旱等）胁迫反应，但关于WRKY在非生物胁迫中的研究没有在生物胁迫中的研究广泛。WRKY转录因子作为干旱、低温等胁迫应答的主要成分，可与下游基因启动子中的顺式作用元件特异性结合，调节一系列依赖该顺式作用元件的抗逆功能基因以特定的强度在特定的时间与空间表达，进而增强植物对干旱、低温以及高盐等逆境的抗性。因此，传统育种结合转基因操作等方法用以提高植物的胁迫耐受性，培育抗逆植物新种质，选育抗逆新品种，改良农作物的抗逆性，已成为近年来植物抗逆遗传育种研究的热点之一。本文主要综述WRKY转录因子的结构、功能，以及近几年来国内外对WRKY转录因子的研究进展，并对WRKY转录因子在农业培育抗逆转基因植物中的应用进行概括。
　　1WRKY转录因子的结构特点与功能
　　1.1WRKY转录因子的结构域及W-box（W盒）元件
　　高等植物典型的转录因子一般由4个功能区域组成，即DNA结合域、转录调控域、核定位信号和寡聚化位点。根据转录调控因子的DNA结合结构域（DNA-binding domains，DBDs）可将他们分为若干个家族，并以其DNA结构域的名字命名，例如AP2/ERF、WRKY、NAC等[1]。在WRKY家族中，最主要的结构特点是各成员的DNA结合域中都含有至少1个WRKY结构域，是由1段大约60个高度保守的氨基酸残基组成的多肽序列，在WRKY残基核心序列之后接有1个C2H2（C-X4-5-C-X22-23-H-X1-H）或C2HC（C-X7-C-X23-H-X1-C）类型的锌指基序，并且所有成员均含有7个绝对保守的氨基酸残基WRKYGQK[2-3]，由此得名为WRKY。随后发现在该结构域的C端存在锌指结构。另外，WRKY结构域所对应的编码序列中都含有1个位置高度保守的内含子，但是其存在的意义目前还不清楚[2，4]。也有研究表明，在保守区之外，成员中其余氨基酸组成的同源性并不高，这也可能是不同WRKY基因具有调节不同靶基因的结构基础[5]。WRKY蛋白质通过特异性地结合靶基因启动子的W-box而实现其分子生物学功能[6-7]，W-box的特定序列是C/TTGACC/T，是WRKY与DNA特异结合的最小的共有序列，其中TGAC为W-box的核心序列。生物信息学和植物转录因子的功能研究都证明与胁迫应答有关的基因启动子区域都含有1个或几个W-box序列[6]。由于WRKY转录因子结构的多样性，因此WRKY蛋白质能够广泛地参与植物基因表达的调控。
　　1.2WRKY转录因子的多样化功能
　　植物在生长过程中不仅会面临病害等生物逆境的胁迫，还会遭遇干旱、冷害及高温等非生物逆境的胁迫。在长期的进化过程中，植物形成了自身防御系统以抵御来自外界的伤害，越来越多的报道表明关于WRKY转录因子的这个多基因家族在植物防卫反应的转录调控中发挥重要的作用。WRKY基因在植物体内是诱导型表达的，目前已识别和克隆的WRKY基因的表达受多种不同环境条件的诱导，如病原体、真菌诱导子、高盐、干旱、低温、创伤、营养不足、衰老、种子和毛状体发育、胚胎发生、机械胁迫、各种病程相关信号分子、植物不同发育阶段及植物代谢等，其表达具有快速、瞬时等特点，同时还具有组织特异性。针对非生物逆境的胁迫，植物发展了一套非常复杂而完善的调控网络，WRKY基因家族在此调控网络中起着重要的调控作用。然而，WRKY转录因子在非生物胁迫中的作用研究得还不够深入和广泛，远远落后于其在生物胁迫的研究，这可能是由于非生物胁迫信号通路非常复杂，且缺少相关突变体造成的[8]，并且关于WRKY转录因子的研究大多集中于拟南芥、水稻和烟草等模式植物，而在重要经济作物中研究较少。近几年，对WRKY的非生物胁迫的研究也成为近几年来生物学研究的热点。WRKY被证明是许多信号通路重要的成分，包括脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）/乙烯（ET）、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）、钙调蛋白、组蛋白去乙酰酶[9-10]等，在各种应激信号通路中与不同的蛋白质相互作用起着多种功能作用，尽管它们的相互作用方式还有待确定。 　　2WRKY转录因子对非生物胁迫的应答与转录调控机制
　　2.1WRKY转录因子在非生物逆境胁迫下的表达模式
　　植物的非生物胁迫主要包括干旱、盐害、高温、低温等因素，WRKY蛋白质通过复杂的信号转导途径参与植物的非生物胁迫应答，并具有重要的调控作用。与生物胁迫研究相比，关于WRKY转录因子参与非生物胁迫应答的研究相对较少。最近的研究表明，很多WRKY基因能强烈而迅速地响应某些非生物胁迫，如机械伤害、干旱、盐害、低温和渗透胁迫，且单个WRKY基因可能同时参与多种逆境应答反应。
　　NaCl胁迫处理的基因芯片及qRT-PCR分析显示，拟南芥根部有18个AtWRKY基因诱导表达[11]。WRKY57在干旱胁迫下表达量提高，它通过提高ABA水平增加拟南芥的耐旱性[12]。用NaCl处理过的拟南芥，AtWRKY25和AtWRKY33的表达量都有所提高，进一步研究表明，无论是AtWRKY25还是AtWRKY33的超表达都能提高拟南芥植株的耐盐能力[13]。拟南芥WRKY25、WRKY26、WRKY33和WRKY39基因参与植物的热胁迫应答反应，AtWRKY25和AtWRKY33能够被ABA、干旱和高盐诱导，Atwrky25单突变体和Atwrky25Atwrky33双突变体都对高盐敏感[14-15];而超表达AtWRKY25和AtWRKY33能够增加植株的高盐抗性[15]。在烟草中过量表达TaWRKY10，提高了转基因植株的干旱及耐鹽受性，表明该基因受多重胁迫的诱导表达[16]。AtWRKY70和AtWRKY54的单突变体能增强其对渗透胁迫的耐受性，双突变体明显地增强这一特性，同时它们还表现出对干旱、高盐、低温胁迫的耐受性[17]。Hu等发现AtWRKY8与VQ9通过相互拮抗调控植物的耐盐性，盐胁迫使得AtWRKY8基因表达量上调，突变体则表现出对盐敏感的表型，相反vq9突变体则表现出耐盐性[18]。在植株的生长和发育过程中，Atwrky63突变体对ABA处理表现出超敏反应，由于气孔的闭合对ABA不敏感，该突变体还表现出不耐旱[19]。将TaWRKY79转入拟南芥，该植株受NaCl和ABA的诱导，表现出对盐、离子胁迫和ABA的耐受性，并检测到ABA相关基因ABA1、ABA2、ABIl和ABI5表达量上调，也进一步表明该转录因子依赖于ABA信号途径发挥作用[20]。Babitha等研究发现，AtbHLH17和AtWRKY28基因在干旱和氧化应激条件下表达量升高，转基因株系表现出对NaCl、甘露醇和氧化应激的耐受性增强，过表达转基因株系的几个下游靶基因在多种应激条件下上调[21]。另有研究表明，AtWRKYl8、AtWRKY40和AtWRKY60与ABA信号相关，并且在种子萌发期和萌发后期，它们作为ABA信号的负调控因子发挥作用，其中，AtWRKY40是3个WRKY蛋白质的负调控中心，它通过结合几个重要的ABA响应基因启动子区域的W-box从而直接抑制ABA相关基因的表达[22]。越来越多的研究表明，WRKY基因参与伤害、干旱、高温、低温等多种非生物胁迫应答反应[7，9，12，14-15，23-26]。
　　2.2WRKY转录因子下游靶基因的鉴定
　　为了更好地研究WRKY转录因子的生物学功能及可能参与的信号通路，鉴定其下游靶基因变得很有必要。通过比较分析基因芯片不同基因型的表达模式，可以从基因组规模上获得潜在的WRKY基因的靶基因。举例来讲，Atwrky34-1突变体在4 ℃低温处理48 h后，有12个基因在成熟花粉中的表达与野生型有显著差异[24]。基因芯片分析也证实了与野生型相比，几个ABA信号通路基因（如AtABI5、AtABI3）的表达在Atwrky2突变体中显著增强[27]。通过cDNA-AFLP试验证实了FRK1/SIRK是AtWRKY6的靶基因，这些基因在植物叶片衰老过程中协同作用[28]。这些方法也可以用来鉴定其他参与非生物胁迫WRKY基因的下游靶基因。然而这些方法只能提供给我们一些候选的靶基因，这些基因是否是WRKY蛋白质的直接靶基因还需试验确定，所以还需要进一步用其他方法确定其直接靶基因，如染色质免疫共沉淀技术（ChIP），ChIP技术已经被证实是一种有效的动态条件下检测生物体内DNA-蛋白质和蛋白质-蛋白质相互作用的方式[29]。通过使用这种技术，已有越来越多的WRKY转录因子在非生物逆境胁迫下的靶基因被鉴定。如一些重要的ABA信号通路中的调控基因，AtABF4、AtABI4、AtABI5、AtDREB1A、AtMYB2和AtRAB18已被证实与AtAD1A（AtWRKY40）启动子上游的W盒序列直接相互作用[22]。AtWRKY6和AtWRKY42都可以通过结合到AtPHO1的启动子的W盒序列而直接抑制AtPHO的表达[30]。通过染色质免疫共沉淀发现，早期干旱和ABA诱导旋蒴苣苔（Boea hygrometrica）BhWRKY1在植物体内可以特异地结合到BhGolS1基因启动子序列4个W盒上[31]。通过鉴定WRKY转录因子下游的直接作用基因，可以帮助我们了解胁迫诱导下植物的信号通路作用机制。考虑到大量的WRKY蛋白质及其在不同信号通路中的不同作用，仍需要大量工作来鉴定其靶基因相应的应答途径。
　　值得一提的是，许多研究显示WRKY转录因子可以结合到自身启动子序列的W盒上进行自调节和交叉调节。染色质免疫沉淀（ChIP）研究显示PcWRKY1能结合其自身以及PcWRKY3启动子的W盒[32]。凝胶迁移阻滞试验（EMSA）显示AtWRKY18和AtWRKY40都可以识别AtWRKY60基因上游启动子的W盒序列，同时激活AtWRKY60在原生质体中的表达，表明AtWRKY60可能是ABA信号通路中AtWRKY18和AtWRKY40的直接靶基因[33]。最近，ChIP-qPCR试验又证明AtWRKY33可以通过直接结合在自身的启动子序列上调节自身的表达[34]，结果表明，WRKY转录因子之间普遍存在着自调节与交叉调节。 　　2.3WRKY转录因子互作蛋白质的鉴定
　　为了研究WRKY转录因子是如何参与到复杂的植物逆境胁迫反应中的，利用酵母双杂交技术筛选或其他技术进行蛋白质相互作用的鉴定是非常有必要的。已有许多WRKY转录因子被证实是重要的信号通路中的组成部分，然而它们的相互作用方式还有待确定。到目前为止，已有研究证实WRKY转录因子在各种信号通路中与不同的蛋白质结合（如MAP激酶、MAP激酶激酶、组蛋白去乙酰化酶、钙调蛋白等），从而行使多种功能作用[8，35]。在胁迫响应和信号转导过程中，WRKY转录因子被各种磷酸化MAPKs，最终调节植物胁迫应答基因的激活。AtWRKY38和AtWRKY62共同作用于组蛋白脱乙酰酶HDA19，最终调节植物防御反应。因此，组蛋白脱乙酰酶可能在植物胁迫反应中维持组蛋白的适当乙酰化状态上发挥重要作用。WRKY转录因子还能形成具有功能的同源或异源二聚体发挥它们的作用，不同WRKY转录因子之间的异二聚体形成可能对它们DNA结合活性有正面或负面的影响[9，36]。在非生物逆境的研究中，有研究表明WRKY转录因子通过蛋白质-蛋白质进行相互作用，如AtWRKY6基因可与同源基因AtWRKY42在内的十几种蛋白质相互作用，过表达这2个基因都能诱导ProPHO1 ∶GUS强烈表达。此外，在低磷条件下，AtWRKY6与未知蛋白相互作用可被26S蛋白酶泛素化降解[30]。除了蛋白质之间的相互作用，在拟南芥中AtWRKY18、AtWRKY40和AtWRKY60作为ABA受体，也可以与镁原卟啉IX螯合酶H亚基（CHLH/ABAR）形成复合体[22，36]。综上所述，鉴定WRKY转录因子的互作蛋白质有助于识别WRKY蛋白质在信号通路中所发挥的作用。
　　3WRKY转录因子在非生物胁迫抗逆育种中的应用
　　近年来，越来越多的WRKY基因被报道参与非生物逆境应答，不仅包括模式植物拟南芥及烟草，还包括水稻、小麦、大麦、葡萄、大豆、棉花、茄子、黄瓜、甜高粱、甜菜、菜豆、灌木等多种作物，且大多数已通过基因敲除或过表达的方式进一步验证了其在植物非生物胁迫中的调控作用。从4 ℃处理的水稻cDNA文库中分离出13个WRKY基因，Northern印迹分析显示，其中10个OsWRKY基因在NaCl、PEG、低温（4 ℃）及高温（42 ℃））非生物胁迫处理中差异表达[37]。在热击启动子Hsp101驱动下OsWRKY11过表达可以提高水稻的耐热性和耐旱性[38]。OsWRKY45的过表达提高了拟南芥转化植株的抗盐抗旱性，同时也提高了植株的抗病能力[39]。OsWRKY74的过表达不仅显著增强转基因植株对P缺乏的耐受性，还表现出比WT植物更多的Fe积累及冷应答基因的上调，说明OsWRKY74在调节磷稳态与铁缺乏以及水稻冷胁迫中起着重要作用[40]。小麦中分离的15个WRKY基因中有8个在低温、高温、NaCl及PEG处理下诱导表达[41]。小麦TaWRKY1和TaWRKY33的过表达能激活逆境胁迫相关的下游基因，不仅能提高发芽率，而且促进了拟南芥根的生长[42]。大麦WRKY38基因在冷害和干旱胁迫中表达，表明其参与调控冷害和干旱胁迫信号途径[43]。过表达葡萄VvWRKY11的拟南芥幼苗受甘露醇诱导增加了对水分胁迫的耐受性[44]。将大豆GmWRKY21、GmWRKY54、GmWRKY13在拟南芥中异源表达，与野生型植株相比，GmWRKY21转基因植株的耐冷性增强，GmWRKY54转基因植株的抗盐抗旱能力增强;而GmWRKY13的过表达增加了拟南芥对盐和旱的敏感性，减少了对ABA的敏感性[45]。与野生型相比，过表达大豆GmWRKY20的拟南芥转基因植株表现出对ABA更为敏感，并增强了其干旱胁迫耐受性[26]。GmWRKY47和GmWRKY58基因的表达受干旱及高盐的调节[46]。GhWRKY41在烟草中过表达能增强烟草的干旱和盐胁迫耐受性[47]。GhWRKY25在本氏烟草中的过表达降低了植物对干旱胁迫的耐受性，增强了对盐胁迫的耐受性[48]。GhWRKY34在拟南芥中过表达能增强转基因植株对盐胁迫的耐受性[49]。Ding等鉴定出112种雷蒙德氏棉和109种亚洲棉的WRKY基因，并对参与特定纤维发育过程的WRKY基因及其表达模式进行了分析[50]。Yang等对茄子中（Solanum melongena L.）的50个WRKY基因及水茄（Solanum torvum）中的62个WRKY基因进行了初步功能分析[51]。在棉花中，GhWRKY44不仅正向调节病原体诱导的植物病害抗性，而且其表达还能被非生物胁迫和不同信号分子诱导[52]。孔维龙等基于甜菜基因组信息分析了盐胁迫和热胁迫下甜菜WRKY基因家族（Bv WRKYs）的组织特异性表达谱和表达模式[53]。水稻OsWRKY71响应于冷胁迫表达量上调，其启动子受冷诱导表达，并通过调节下游靶基因在耐冷中起着正调控作用[54]。黄瓜CsWRKY46赋予转基因植物耐寒性并依赖ABA正向调节冷信号传导途径[55]。甜高粱SbWRKY1和SbWRKY2基因在干旱胁迫时期均表达上调，说明这2个基因可能在甜高粱的干旱胁迫中发挥作用[56]。Wu等从G19833菜豆的基因组序列草图中鉴定了88个完整的PvWRKY蛋白质，并使用qRT-PCR检测了19个对干旱胁迫有反应的WRKY基因，其中11种下调，8种在干旱胁迫下上调[57]。随着分子生物学技术的发展及植物遗传转化技术的建立，WRKY基因将广泛应用于农业育种。
　　4展望
　　在过去的十几年中，相关研究报道详细阐述了WRKY转录因子超家族子参与多种生物胁迫反应、植物生长发育和生理反应，包括胚胎发育、种皮形成、毛状體发育、叶片衰老调控、生物合成途径调控和激素信号传递等[58]。鉴于WRKY家族的多样化功能，关于WRKY转录因子在非生物逆境如干旱、低温和营养缺乏条件下的功能研究将会越来越多，且试验材料不再限于模式植物，而是扩展到了各类植物，尤其是作物中的研究。此外，植物的耐逆性状是多基因控制的复杂性状，转录因子不仅可以调控多个与同类性状有关基因的表达，还能通过增强一些关键的调节因子的作用来促进这些耐逆相关基因的作用。因此，通过转基因技术将转录因子转入植物是一种更为有效的方法和途径，可使植物获得综合抗逆的根本改良，此方法对于培育植物抗逆品种，特别是培育抗旱、抗盐和抗寒的植物品种具有重要意义。 　　得益于生理學、化学遗传学、分子计算学和信息生物学等领域技术的飞速发展，能详细了解到WRKY转录因子对植物非生物胁迫反应各个方面的复杂机制。借助于基因功能获得和功能缺失的突变体技术和转基因技术，WRKY转录因子的具体功能将会被人们所熟知。为了更好地了解它们在非生物胁迫中的作用，识别相互作用共同调节下游靶基因转录的WRKY蛋白质非常重要。随着科学技术的不断突破，WRKY转录因子在植物生命进程的信号调控网络将逐渐清晰地呈现出来。采用酵母双元杂交系统及染色质免疫亲和沉淀分析等方法，可分析WRKY转录因子在应答不同信号途径的特异性DNA结合位点，解析WRKY蛋白质特异调控靶基因表达的方式，并有效阐明WRKY基因参与调控靶基因表达的分子机制。这方面的研究对植物的分子改良具有重要的理论和实际意义，对农业生产具有很大益处。
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