转录因子NAC的研究进展

亚热带农业研究　　　　　　

Subtr op ical Agriculture Research 第4卷第4期　2008年11月

转录因子NAC 的研究进展

何　炜1, 2, 3, 叶冰莹1, 2, 3, 周　平1, 2, 3, 陈由强1, 2, 3, 陈如凯2

(1. 福建师范大学生命科学学院, 福建福州350108; 2. 室, 福建福州350002; 3. , 350108)

摘要:NAC 转录因子是植物所特有的一类转录因子, NAC 发现至今经过十几年的时间, NAC 。, NAC 结构域蛋白的特点, NAC 的生物学功能及其与植物的生长发育、关键词:NAC 转录因子; 中图分类号::A 文章编号:167320925(2008) 0420311205

Advances i n NAC tran scr i pti on factors

HE W ei 1, 2, 3, YE B ing 2ying 1, 2, 3, Z HOU Ping 1, 2, 3, CHE N You 2qiang 1, 2, 3, CHEN Ru 2kai 2

(1. College of L ife Sciences, Fujian Nor mal University, Fuzhou, Fujian 350108, China; 2. Key Laborat ory of

Eco 2physi ol ogy &Genetics I m p r ove ment f or Sugarcane, M inistry of Agriculture, Fuzhou, Fujian 350002, China;

3. State Key Laborat ory of Devel opmental B i ol ogy and Neruobi ol ogy, Fujian Nor mal University, Fuzhou, Fujian 350108, China ) Abstract:The p lant 2s pecific NAC transcri p ti on fact ors p lay regulat ory r oles in diverse devel opmental p r ocesses and stress res pon 2ses . Since its discovery, there has been more and more research on the structure and functi ons of NAC . I n this article, the classifi 2cati on of NAC fa m ily members and the features of regulat ory domains as well as bi ol ogical functi ons were intr oduced .

Key words:NAC transcri p ti on fact or; bi ol ogical functi ons; research p r os pect

转录因子(transcri p ti on fact or, TF ) 又称反式作用因子, 是一类能与真核基因启动子区域中的顺式作用元件发生特异性结合, 从而保证目的基因以特定强度、在特定时间与空间表达的蛋白质分子。植物中许多基因的表达都是受特定的转录因子与顺式作用元件相互作用调控的。特别是当植物感受外界干旱、高盐、激素、病害时, 通过一系列信号传导, 激发转录因子表达并与相应的顺式作用元件结合, 启动特定基因的转录表达, 最后通过基因产物的作用对内、外界信号作出的调节反应。

NAC 是高等植物中所特有的一类转录因子, 其命名来源于上世纪90年代发现的3个基因片段———矮牵牛NAM 基因、拟南芥AT AF1/2和CUC2基因。1996年Souer et al 报道的NAM (N o A pical M eriste m ) 是第一个分离到的NAC 基因。它能影响矮牵牛顶端分生组织的形成与分化。研究发现nam 突变体幼苗不能生成正常的茎尖分生组织, 多数死亡, 少数逃逸死亡的植株花器官发育异常。1997年

[2]A ida et al 又在拟南芥中发现了能产生类似效应的CUC 2(Cup 2shaped Cotyledon ) 。cuc 2突变体不能正常[1]

生成顶端分生组织, 突变植株表现出子叶融合形成杯状、萼片雄蕊愈合的现象。由于CUC 2与Souer 报道的NAM 及H irt 克隆到的A TA F 1/2编码的蛋白质在N 端具有一个保守的氨基酸序列, 故将此类的保守结构域命名为NAC 结构域, 将含有此域的蛋白称为NAC 。

随后进行的2项研究进一步证实NAC 与转录调控有关。第一, Xie et al 发现GFP 2NAC 融合蛋白荧光信号定位在细胞核内, 体外纯化获得的GST 2NAC 能够结合Ca MV 35S 启动子, 表明NAC 是DNA 结合蛋白。除此之外, 研究者还发现该NAC 蛋白在酵母和洋葱表皮细胞中均能表现出转录激活活性。若在拟南收稿日期:2008-09-01

基金项目:国家“948”项目基金(2006-G37) ; 农业公益性行业科研专项(nyhyzx07-019) 。

作者简介:何炜(1984-) , 女, 硕士研究生。研究方向:植物生理与分子生物学。通讯作者陈由强(1956-) , 男, 教授, 博士。研究方向:植物生理与分子生物学。Email:yqchen@fjnu. edu . cn 。[3]

・312・亚　热　带　农　业　研　究第4卷芥中过表达NAC 还能使相关的下游生长素应答基因表达量上调, 促进侧根生成。反之则抑制侧根发育。这些试验结果首次证实先前认为NAC 是植物转录因子的判断。第二, 早期报道表明, AT AF1/2能够激活

[4]Ca MV 35S 启动子。此后, Duval et al 通过酵母体内和体外表达试验进一步确认NAM 编码的蛋白为转录

因子:蛋白N 端的NAC 结构域为DNA 结合域(DNA binding domain, DBD ) , 可以特异性结合Ca MV 35S 启动子; 蛋白C 端发挥转录激活功能。

1　NAC 转录因子的结构与分类

1. 1　NAC 转录因子的分类

NAC 是植物所特有的一类转录因子, [56。它被认为是植物基因组中最大的转录因子家族之一, AT AF 、

[7]NAM 、O s NAC3三个亚家族。年, ,

[8]Ooka et al 利用拟南芥, 预测在拟南芥和水稻中分别存在多达105个和752个大组。其中组Ⅰ包含了14由4。先前界定的AT AF 、NAM 、O s NAC3三个亚家族也都相应地被包含在组Ⅰ内。

1. 2　NAC 转录因子的结构

NAC 转录因子N 端结构域保守, X 射线观察表明其为一个两端缠绕螺旋结构的反向平行β2折叠的构象。整个N 端区域可划分为5个亚结构域(A 、B 、C 、D 、E ) 。其中, 亚结构域A 、C 、D 高度保守, 表明其重要作用。如上文提及的nam 突变体的产生就是在亚结构域A 的序列中插人了转座子, 破坏了域的构象, 造成NAC 功能的丧失。而亚结构域C 、D 序列中含有核定位信号(nuclear l ocalizati on signals, NLS ) , 可能会与转录因子核定位及启动子上特定顺式元件的识别有关。现已证实DNA 结合域位于NAC 结构域中, 大约包含160个氨基酸残基。如拟南芥NAM (A t N AM ) 的DNA 结合域包含在亚结构域D 、E 中。与N 端NAC 结构域保守的情况不同, 转录因子的C 端无论是在长度还是在氨基酸序列方面都具有高度的多样性。C 端是转录激活功能区(transcri p ti onal activati on regi ons, T AR s ) , 该端的共同特点是一些氨基酸如丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷氨酸重复出现的频率高。尽管C 端具有高度多样性, 但还是发现存在13个较保

[8]守的位点(motif ) 。这些位点分布于不同的亚组的NAC 中, 同一亚组的蛋白含有相同的位点, 这表明同

一亚组的NAC 可能行使相近的生物学功能。[7-8]

2　NAC 转录因子的生物学功能

相较于MY B 类、bZI P 类及WRKY 类的转录因子, NAC 转录因子的相关研究较少。目前已知的NAC 转录因子功能主要为对植物生长发育的影响以及在生物与非生物胁迫应答中的作用。

2. 1　影响植物的生长发育

研究发现NAC 转录因子在植物不同的组织器官的系统发育过程中有重要的影响, 在植物的形态建成中发挥着不可或缺的作用。近年来的研究涉及到了对顶端分生组织及花器官分化、侧根形成、次生壁增厚等植物特定发育过程的机制探讨。

2. 1. 1　在分生组织及花器官发育中的作用　矮牵牛NAM 是最早报道的NAC 转录因子之一, 其突变体的茎顶端组织不能正常发育。通过对NAM 的mRNA 原位杂交分析, 发现该基因表达主要集中于分生组织和叶原基的边缘区域, 表明NAM 在分生组织和原基的生长分化中具有重要作用。与此结果类似, Zi m mer 2

[9]mann et al 根据NAC 基因的高保守区的序列信息克隆分离到玉米NAC 家族成员, 其中包括ZmNAM 1、ZmNAM 2、Zm CUC 3。原位杂交结果表明胚胎早期转型阶段ZmNAM 1在胚胎近轴附近转录表达, 该位置正好是分生组织原基的部位; ZmNAM 2的表达方式与ZmNAM 1相似, 但表达量较后者少; 而Zm CUC 3则在胚胎发育阶段后期在分生组织部位处于非常活跃的状态。可见, ZmNAM 1、ZmNAM 2、Zm CUC 3与分生组织的分化关系密切。

第4期何炜等:转录因子NAC 的研究进展

[10]・313・　　此外相关的研究还发现某些NAC 蛋白参与花器官发育。Sabl owski et al 报道发现拟南芥NA P

(NAC 2like activated by AP3/P I ) 主要分布于花器官的分生组织下部, 在花梗以及幼花发育中的萼片中表达。过表达NA P 可影响花器官发育, 开花量增多, 花瓣和雄蕊变短, 能产生花粉, 但花是雌性不育的。抑制表达NA P 的转基因植株表现为主花序和侧生花序的头2-4朵花的雄蕊短且产生的花粉囊不开裂。Sabl owski 的结果表明, NA P 作为A P 3/P I 的下游靶基因参与了植物花器官的发育调控。

2. 1. 2　在侧根形成中的作用　NAC

。如et NAC 1表

达受生长素诱导。取NAC 1, 过表达NAC 1的转基因植株的侧根比野生型发达, 。该结果表明, NAC 2. 1. 3　。

[11]Nobutaka et al NST1(NAC secondary wall thickening p r omoting

fact or 1) 与达粉囊内层不能形成次生壁进而致使花粉囊无法正常破裂。之后,

NST1和NST3是影响木质组织中次生壁正常形成的重要调控因子。

[13]Zhong et al 报道拟南芥的S ND1(secondary wall 2ass ociated NAC domain p r otein 1) 和NST1在茎次生壁纤

维素的合成中发挥着重要的作用。上述研究结果证实了NAC 家族成员是植物各组织次生壁增厚的不可或缺的调控因子。Nobutaka et al

2. 2　在胁迫应答中的作用[12研

究发现拟南芥TI P (T CV 2iI nteracting p r otein ) 能够与芜菁皱叶病毒的衣壳蛋白相互作用, 表明TI P 可能参2. 2. 1　与病原胁迫相关　NAC 家族中的一些成员在植物的病原胁迫应答中发挥作用。如Ren et al

[15][14]与病毒抵御机制。Sang 2Keun et al 报道使用细菌或病菌侵染红辣椒, 在二者相互作用的过程中, 一个特

异的NAC 结构域转录因子Ca NAC1(cap 2sicum annuu m NAC1) 被迅速地诱导表达。

少数NAC 转录因子能参与病毒基因组的复制。二倍体病毒基因组能编码与复制相关的蛋白(rep lica 2ti on 2ass ociated p r otein, REP ) , 但该蛋白并不具有DNA 聚合酶的功能, 因此, 病毒基因组的复制在很大程度上要依赖于宿主细胞。现有证据表明某些NAC 转录因子能被病毒利用, 如在番茄中发现的Sl N AC1(s ola 2

[16]nu m lycopersicu m NAC1) 。Selth et al 的研究表明, 番茄卷叶病毒(t omat o leaf curl virus, T LCV ) 诱

导Sl N AC1转录因子在感染细胞中特异性表达并与病毒的复制增强子相作用从而增强了病毒DNA 的复制。不过也有报道指出与病毒REP 相互作用的NAC 类蛋白GRAB (ge m inivirus rep a 2bingding ) 在小麦培

[17]养细胞中的表达则可以抑制病毒DNA 的复制。

2. 2. 2　与非生物胁迫相关　一些NAC 转录因子参与植物对干旱、高盐和水涝等非生物胁迫的应答。

报道的甘蔗NAC23能够在低温、水涝和病虫侵袭的情况下诱导表达。Hu et al 报道过

表达水稻S NAC1(stress 2res ponsive NAC 1) 能增强转基因水稻生长阶段的抗旱和耐盐能力。

近年来, 研究者发现植物在快速转录应答外界刺激的过程中膜介导调控起了重要作用。NAC 转录因子家族成员中有一类属于膜相关转录因子(me mbrane 2ass ociated transcri p ti on fact ors, MTFs ) , 并将这类

[20]NAC 转录因子命名为NT L s 。如拟南芥中的NT L8就是其中的一员, Sang 2Gyu et al 报道在盐胁迫的情况Nogueira et al [18][19]

下过表达NT L8使开花信号蛋白基因的表达量减少以延迟开花时间从而增强植物的耐盐力。

[21]并非所有相关NAC 对胁迫的应答都是正调控的。L iu et al 发现的拟南芥AT AF1基因就是一个受

干旱胁迫诱导表达的基因, 但它所编码的NAC 结构蛋白会使胁迫应答基因的表达量下调, 起到负调控的作用。

3　研究现状及远景

目前有关NAC 转录因子的研究主要集中于模式植物拟南芥和水稻, 其他植物的报道较少。在拟南芥

・314・亚　热　带　农　业　研　究第4卷和水稻基因组中存在大量的NAC 成员, 但只有其中一些成员的功能被研究确定, 如参与植物花器官的发

[22][23][24]育、顶端分生组织的形成、生长激素信号传导、细胞周期控制等, 其它大部分成员的功能未定, 仍

需开展大量研究工作深入探讨家族中不同成员的功能。

分析NAC 转录因子在逆境胁迫应答过程中的作用机制已成为当前的研究热点。NAC 在植物防卫反应和逆境胁迫应答中扮演了非常重要的角色。因此, 该类转录因子的基因克隆和功能研究取得了很大的进展。一般认为, 转录因子或通过形成同源、合而直接调控靶基因的表达, S A ,

25形成基因表达的调控网络, 激活特定的生理生化反应, 在分子育种中, 子不失为提高作物抗逆性的有效途径。, 从而达到改良植株抗逆性状的效果。, 必将鉴定出更多对植物改良有重大意义的NAC 。

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