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 激活。相反,具有突变 PB 的 Hor2启动子缺乏与 BPBF 结合的能力,不能被 HvGAMYB 激活,无论其 DNA 结合基序是否完整41。类似于 O237蛋白,MYB 蛋白激活靶启动子的转录需要 MYB 结合位点和 Dof 结合位点。拟南芥中参与花器官脱落调控的 AtDOF4.7 与另一种与脱落相关的转录因子 ZINC FINGER PROTEIN 2 相互作用42。在香蕉中,MaDof23是一个转录抑制因子,而 MaERF9 是一个转录激活因子。通过相互结合拮抗调控 10 个与细胞壁降解和香气形成相关的成熟相关基因43。在植物中作为种子萌发负调控因子的 AtDof3.2 与种子萌发正调控因子TCP14 相互作用,并阻碍 TCP14 调节 ABA 相关基因的表达44。除了与其他转录因子相互作用外,Dof 转录因子还可以与 HMG-box(HMGB)家族染色质相关 HMG 蛋白等发生相互作用16,23。HMGB 蛋白包含一个 HMGB DNA 结合结构域,与 DNA 非特异性结合。同时 HMGB结构域可以与 Dof 转录因子的 Dof 结构域相互作用23,45。研究人员发现了5 种不同玉米 HMGB 蛋白以不同的效率增强玉米 Dof2 与 DNA 的结合23。此外,蛋白激酶 CK2 对 HMGB1 的磷酸化消除了 HMGB1 与Dof2 之间的相互作用23,表明 HMGB 蛋白的磷酸化参与了对 Dof2 活性的调节。虽然一些 HMGB 蛋白参与了转录调控,但它们并不是真正的转录激活因子23。它们与 Dof 转录因子的相互作用可能在特定结合位点的选择或在体内增强转录因子与 DNA 的结合方面发挥作用。TOPLESS(TPL)蛋白是植物多种分子途径(激素信号和胁迫信号等途径)中常见的重要辅助转录抑制介质,可协助转录因子介导对靶位点的抑制46。拟南芥 CDF 是 CO 等开花途径基因的转录抑制因子16-17。研究发现,当 CDF1 丰富时,CDF1 和 TPL形成一个蛋白质复合体,抑制 CDF1 与下游基因启动子的结合进而减少 CO 和 FT 的转录。同时,对 CDF1和 TPL 相互作用结构域的分析表明,CDF1 与 TPL 相互作用的区域是完全抑制活性所必需的16。此外,小泛素 样 修 饰 物(SUMO)靶 向 泛 素 连 接 酶(AT-STUbL4),通过与 CDF2 结合引导 CDF2 的泛素化降解,提高 CO mRNA 水平,通过光周期促进开花47。由此表明,Dof 转录因子通过与转录因子等蛋白互作在多个维度发挥调控作用。2 Dof 转录因子在植物逆境响应中的作用2.1 干旱与盐胁迫非生物胁迫如干旱和盐碱是限制植物生长、发育和产量的重要环境因素。干旱和盐碱能诱导植物细胞的高渗透胁迫48。在拟南芥中,盐胁迫诱导 Dof1.7、Dof2.5、Dof3.6、Dof5.1 和 Dof5.5 的转录。AtDof5.8 调控 ANAC069 的表达,并响应盐、干旱和 ABA 胁迫。在油菜中,9 个经筛选的 Dof 基因可在盐、干旱、热、冷胁迫下表达上调。在干旱条件下,野生种葡萄 VyDof8 通过提高关键酶的抗氧化活性降低丙二醛(MDA)和过氧化氢(H2O2)含量,进而增加植株抗旱性49。苹果中共有 54 个 Dof 成员,大多数基因能够响应非生物胁迫(干旱和盐胁迫)诱导表达11,50。MdDof54 在苹果抗旱响应中发挥重要作用。经过长期干旱胁迫后,MdDof54 RNAi 植株高度显著降低,根系明显变弱;过表达 MdD-of54 的植株则具有更高的成活率。转录组及 DAPseq和 ChIP-seq 分析证明 MdDof54 能够识别包含 AAAG 基序的顺式元件,可能通过调控下游干旱胁迫响应基因的表达,进而调控苹果抗旱性51。研究人员发现一个中心调控因子,为马铃薯植物成熟和块茎发育起始的主效应数量性状位点。研究表明,该基因属于 Dof 转录因子家族,通过在生物钟和StSP6A 结节化信号之间充当中介,调控结节化和植物生命周期长度。该基因自然的等位基因变异导致其逃避翻译后的光调控,提出了时钟输出蛋白 StGI 和StFKF1 调控转录调控因子 StCDF1 丰度诱导马铃薯块茎形 成 的 模 型。StCDF1 通 过 下 调 StCO1/2,抑 制StSP5G 的转录,进而促进 StSP6A 的表达,诱导匍匐茎末端的块茎发育,这使得马铃薯可以在起源的地理中心以外正常种植21。Ramirez 等30研究表明 StCDF1参与干旱胁迫响应,该位点与长链非编码 RNA(long non-coding RNA,lncRNA)对应物 StFLORE 通过影响气孔发育和每日开放来调节水分流失。研究显示,St-FLORE 转录本中的自然突变和 CRISPR-Cas9 突变使植物对限水条件的敏感性增加。相反,StFLORE 的表达升高,无论是 StFLORE 的过表达还是 StCDF1 的下调,都会通过减少水分流失增加对干旱的耐受性。尽管 StFLORE 似乎是一种天然的反义转录,但它反过来受 StCDF1 转录因子的调控。因此,StCDF1-StFLORE001第 40 卷第 4 期2023 年 8 月生 物 学 杂 志JOURNAL OF BIOLOGY Vol.40 No.4Aug.2023基因位点对马铃薯植株的营养繁殖和水分平衡具有重要作用30。拟南芥 AtCDF1-5 基因的表达水平都在不同的非生物胁迫下发生变化,包括干旱、盐渗透胁迫、寒冷或高温17,25。番茄的 SlCDF1-5 同源物已被证明是参与响应盐度和干旱条件以及控制开花时间的转录调控因子22,28。表达分析显示,所有 SlCDFs 对不同的非生物胁迫(如盐、干旱、高温和低温)具有不同的根和芽的表达模式,表明番茄 SlCDFs 在非生物胁迫响应中发挥重要作用22,28。番茄 SlCDF1 和 SlCDF3 的异源过表达拟南芥增加了对盐和干旱胁迫的耐受性,通过诱导 COR15、RD29A 和 ERD10 等广泛的非生物胁迫应激响应基因的表达22。此外,也有报道称,过表达 Sl-CDF3 基因的番茄植株对盐胁迫具有更高的耐受性28。综上所述,Dofs 可能在盐胁迫和干旱响应途径的上游发挥关键调控作用。与此同时,通过对陆地棉花在盐胁迫下转录组数据和 cDNA 文库分析,在棉花(Gossypium spp.)中,200 mmol/L NaCl 处理诱导 26 个 Dof 家族基因上调表达52,同时 17%PEG6000 处理诱导 10 个 Dofs 成员上调表达53。OsDof15 能够直接结合乙烯生物合成基因OsACS1 的启动子,在初生根发育早期抑制其转录,导致乙烯生成显著减少,从而调节初生根活力的分生组织活性。同时,OsDof15 的转录也受到盐胁迫的抑制,过表达 OsDof15 降低了转基因植株主根对盐的敏感性。这些结果阐明了乙烯抑制主根伸长的分子机制,为根系发育过程中环境信号和发育信号的协调提供了理论依据54。此外,耐盐甜菜 BvM14-Dof3.4 基因的异源表达能够促进盐胁迫下转基因拟南芥植株根的生长,提高异源表达植株的鲜重和干重,通过增加 K+/Na+比、甜菜碱含量以及 SOD 和 POD 的酶活性,从而减少盐胁迫对异源表达拟南芥植株的损伤55。ThDof1则通过增强活性氧(ROS)清除能力,提高刚毛柽柳耐盐性和渗透性56-57。2.2 温度胁迫植物进化出了感知环境温度轻微变化的信号通路,并调整其新陈代谢和细胞功能,以防止与温度相关的损伤48。由于全球变暖和伴随而来的极端天气事件,植物越来越多地受到冷和热等温度胁迫48。温度胁迫降低植物生产力,威胁粮食安全。GI 是多种信号通路的中心,包括生物钟调节、糖和光信号通路、光周期和应激反应(包括低温和干旱等)17,58-59。研究结果表明,在 GI-CDF 模块中,CDFs 通过调控 C-REPEAT BINDING FACTOR(CBF)进而调控参与非生物胁迫响应基因25,60。在某些情况下,CDFs 已被确定为参与控制非生物胁迫反应的 CBF/DREB 转录调控网络的一部分25,28。例如,拟南芥 AtCDF3 在非生物胁迫中调节多 种 胁 迫 响 应 转 录 因 子(如 CBFs、DREB2A 和ZAT10),这些转录因子既涉及 GI 依赖通路,也涉及 GI独立通路25,28。类似的,与拟南芥 CDF1 同源的甘蓝型油菜 BnCDF1 通过调控不同非生物胁迫响应基因,如 CBF1、CBF2、COR15A 和 RD29A,正调控油菜抗寒性61。这些数据表明,Dof/CDFs 对 CBF 基因的调控可能是低温等非生物胁迫响应信号级联的初始步骤。同样,在作物中 Dof 蛋白通过调控合成脯氨酸和可溶性糖等一系列渗透调节物质,提升植物抗逆性。在甘蔗中,12 个 Dof 家族成员受低温诱导表达62。研究人员在基因组和转录组水平上研究了葡萄中 25 个VaDof 基因,结果显示其中 11 个 VaDof 基因在冷胁迫下显著差异表达。通过对 35S:VaDof17d 葡萄愈伤组织 mRNA 的比较测序,发现 VaDof17d 与冷响应途径和棉子糖家族寡糖(RFOs)密切相关,VaDof17d 可以通过上调半乳糖苷合酶(GolS)和棉子糖合酶(RFS)基因。而 Dof17d-ED(CRISPR/Cas9 介导的 Dof17d 突变体)的冷耐受性显著降低,同样在冷胁迫下 RFOs 水平出现显著降低,表明 VaDof17d 通过调控冷胁迫途径基因和RFOs 水 平 调 控 葡 萄 的 抗 寒 性63。此 外,过 表 达GhDof1 同时提高了陆地棉的耐盐和耐冷性64。在胡杨(Populus euphratica)和南京菊(Chrysanthemum nank-ingense)中,Dof 蛋白也参与了控制低温感知过程65。高温胁迫几乎会对作物发育、生长、繁殖和产量的所有方面产生不利影响。在甘蔗中有 5 个 Dof 成员受高温诱导表达62。而在长时间热胁迫下,小麦叶片中3 个 Dof 编码基因(TaDof5、TaDof17 和 TaDof19)表达下调12。对辣椒中 Dof 转录因子的全基因组鉴定和表达谱研究表明,一些 Dofs 编码基因可作为盐和热胁迫的生物标志物66,但热响应的功能表征和激活机制尚不明确。在核桃中,研究显示 JrDof3 和 JrGRAS2 在热胁迫下具有相似的表达模式。酵母单杂交、瞬时表达和染色质免疫沉淀(ChIP-PCR)分析表明,在热胁迫下,JrDof3 能够特异性结合位于 JrGRAS2 启动子区的AAAG 基序。在热胁迫下,JrGRAS2 的转录水平显著上调。在拟南芥中过表达 JrGRAS2 与野生型拟南芥相比,过表达株系在高温胁迫下种子萌发率、鲜重积累量以及过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽-S-转移酶(GST)活性均显著提高。同时,与野生型相比,转基因幼苗电解质渗漏101第 40 卷第 4 期2023 年 8 月生 物 学 杂 志JOURNAL OF BIOLOGY Vol.40 No.4Aug.2023(EL)率、过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量均降低。因此,JrDof3 作为 JrGRAS2 的上游调控因子,通过调控热激蛋白的表达提高植物的耐高温性67。这将为利用生物育种培育适应气候变化挑战的新品中提供关键分子元件。2.3 其他Dof 蛋白在作物衰老、C/N 调节、光合作用调节、叶绿体发育等过程中也发挥重要作用28,35,64,68。MYC2是 JA 信号中央调节器。研究表明,AtDof2.1 直接激活MYC2 启动子,通过促进 MYC2 的表达增加叶片衰老,MYC2 也被鉴定为一种负责 JA 诱导的 Dof2.1 表达转录激活因子。因此,Dof2.1 通过 MYC2-Dof2.1-MYC2反馈转录环作为 JA 诱导叶片衰老增强子69。在水稻中,OsDof24(Oryza sativa)能够抑制叶片衰老。在野生型水稻叶片中,OsDof24 的表达在自然衰老(NS)和暗诱导衰老(DIS)过程中迅速下降。研究显示在 OsD-of24 启动子中含有一个增强诱捕 T-DNA 的功能获得突变体 OsDof24-d,在 NS 和 DIS 期间表现出延迟的叶片黄变。在 DIS 期间,过表达 OsDof24 的转基因植株则表现出相同的表型。在暗培养过程中,OsDof24-d 突变体的叶绿素降解基因(NYC1、NYC3 和 SGR)下调表达。而激素处理显示,只有茉莉酸甲酯能诱导 OsDof24的表达。此外,OsDof24-d 中茉莉酸生物合成相关基因(OsLOX2、OsLOX8、OsHI-LOX、OsAOS1 和 OsAOS2)的表达也显著降低,导致内源茉莉酸水平降低,从而使叶片衰老延迟。研究显示,OsDof24 通过与茉莉酸合成途径关键基因 OsAOS1 的启动子区结合调控茉莉酸的合成。综上所述,OsDof24 通过降低茉莉酸盐生物合成抑制营养生长过程中叶片衰老的诱导。在番茄 CDFs 中,CDF3 可能在拟南芥和番茄的初级代谢和生长控制中发挥重要作用17,22,25,28。在渗透胁迫条件下,AtCDF3和 SlCDF3 基因在番茄中过表达可提高产量28。这些改善与转基因番茄植株的光合速率增加有关,进而增加蔗糖的有效利用和促进生长25,28。与此同时,CDF3过表达植株表现出较高的气孔密度和叶肉细胞电导系数,以及渗透胁迫下较高的 Rubisco 羧化作用和三糖利用率。通过分析过表达 AtCDF3 的拟南芥和番茄植株,结果显示初级代谢关键基因被诱导表达,包括丙酮酸激酶(PK)、谷氨酰胺合成酶(GS)和谷氨酸脱羧酶(GAD),这与谷氨酰胺和天冬酰胺等氨基酸含量较高相关,并改变了 TCA 周期的代谢物25,28。这些代谢物是在非生物胁迫条件下合成的,作为渗透保护液,保护膜系统和活性氧清除或次生代谢物的前体70-71。此外,由于高盐会降低营养吸收并影响植物内部的营养分配,研究人员分析了在盐胁迫下 CDF3 过表达植物产量的提高是否是由于减少了钠积累和降低了毒性,并测定了转基因植物中的矿物质组成。生长抑制通常与营养组织内部 Na+和 K+的高度缺乏有关。通过测定过表达 AtCDF3 和野生型植株在对照和盐度条件下生长 15 d 的叶片、茎和根中钠、钙、镁、钾和磷酸盐的总含量显示,在盐度条件下野生型植株表现出显著的矿物质流失,而在 AtCDF3 过表达植株中,这些元素的含量保持不变,从而避免盐胁迫引起的矿物质缺乏28。土壤贫瘠也是作物生长的逆境条件之一。氮(N)是植物生长发育必不可少的营养素,是大量细胞分子的成分,包括氨基酸、核酸、叶绿素、植物激素等72。同样,作物氮素利用效率(NUE)是一个备受关注的问题。在寻找操纵氮素利用效率的目标方面的研究表明,Dof 转录因子在光合作用基因的表达中起主调控作用,从而促进作物氮的同化72-74。叶绿素(chlorophyll)是氮素利用的标志,过表达拟南芥 Dof1 能够显著增加转基因烟草的叶绿素含量,同时增强低氮条件下转基因烟草的氮同化效率73。与对照相比,转基因植株中几乎所有氨基酸都有不同程度增加,差异最大的氨基酸是 Glu 和 Ser 家族,而 Glu 是氮利用效率的良好分子标记75,结果表明,Dof1 过表达影响了转基因植物对N 的同化74。对不同氮处理下生长的小麦品种的研究表明,在低氮处理下 TaDof1 的表达显著上调76。在拟南芥和水稻中过表达玉米 ZmDof1,已被报道能促进低氮条件下的氮同化和生长。然而,与拟南芥和水稻的结果相反,在不同低氮条件下,导入 ZmDof1 基因并不能促进转基因杨树在大田和温室中的正常生长。研究显示与氮同化和碳固定相关的基因没有表达,氮/碳浓度和光合速率没有增加77,这可能在不同物种中存在差异。此外,ZmDof1 和 ZmDof2 转录因子与玉米多个碳代谢相关基因的表达相关,通过增强胞质型磷酸二激酶(cyPPDK)基因和非光合作用 PEPC 基因的转录,进而调控植物特异的碳代谢途径78。氮素再利用也是保证植物氮素供应的关键过程72,79。研究人员对Dof 转录因子家族在茶树氮重组中的潜在功能进行了分析79。在茶树新梢发育过程中,大多数 CsDofs 在新梢发育为一芽两叶时达到峰值。此外,CsDof13/16/29/33/34/35/36/39 与 GDH、GS 等 N 代谢相关基因的表达模式显著相关,表明 CsDofs 可能在调控茶叶 N 代谢相关基因的表达中发挥作用79。201第 40 卷第 4 期2023 年 8 月生 物 学 杂 志JOURNAL OF BIOLOGY Vol.40 No.4Aug.20233 Dof 转录因子在作物农艺性状改良中的作用3.1 分枝与株型分枝是植物生长发育过程中最重要的过程之一,直接关系到植物生物量和作物产量。过表达 OsDof12会导致水稻叶片直立减少,叶片缩短,穗小,导致一次枝和二次枝数量减少80。OsDof12 过表达系的直立叶片性状使高密度种植成为可能,从而提高产量。对世界范围内水稻种质资源进行单倍型关联分析为抽穗期缺失遗传力提供了关键线索,其中 30 个 Dof 基因中有22 个与抽穗期相关。CRISPR/Cas9 介导的基因组编辑技术靶向的 30 个 Dof 基因中,有 11 个基因发生突变(OsDof1、2、8、9、11、16、21、22、24、26 和 29),显示抽穗期、株高或两者均有显著表型变化81。水稻 OsDof11在光合器官的维管细胞和各种库组织中表达。与野生型植株相比,osdof11 突变株为半矮秆植株,分蘖少。糖转运率分析显示,与野生型相比,osdof11 植株的糖转运 量 明 显 减 少。4 个 蔗 糖 转 运 体(SUT)基 因OsSUT1、OsSUT3、OsSUT4 和 OsSUT5 以及两个糖输出的转运体(Sugar Will be Export Transporters,SWEET)基因 OsSWEET11 和 OsSWEET14 的表达在突变体的各个器官中均发生了改变。染色质免疫沉淀试验显示,OsDof11 直接结合 SUT1、OsSWEET11 和 OsSWEET14 的启动子区域调控其转录。结果表明,OsDof11 通过调控水稻 SUT 和 SWEET 基因的表达来调节糖转运82。同样,在拟南芥中,苜蓿 MtDof32 通过调控分支调节基因调节分枝数。此外,过表达 MtDof32 的拟南芥叶和花大小均显著增加,这与关键器官增大基因表达上调有关(ERBB-3 BINDING PROTEIN 1;AtEBP1;ARGOS-LIKE,AtARL and AtKLU)83。综上所述,Dofs 转录因子在芽分枝和器官相关性状中发挥重要作用。3.2 开花时间开花时间在农业生产中也非常重要,而 GI 在光周期开花中的作用最为突出84。在拟南芥中,转录组分析显示,GI 和 CDFs 虽然具有拮抗作用,但在下游基因表达方面比 CO 和 FT 有更广泛的影响,尽管如此,参与生 物 钟 节 律 的 基 因 是 由 GI 独 立 于 CDFs 调 控的17-18,20。马铃 薯 StCDF1 是 一 个 中 心 调 控 因 子,StCDF1 等位变异也可能是形成马铃薯在夏季/冬季日长变化大的纬度地区(如安第斯山脉)驯化的基础,因此可能是在新的地理区域进行量身定制育种的一个极好目标21。此外,利用 CRISPR/Cas9 在 TP309(粳稻品种)中对所有 30 个水稻 OsDof 基因进行敲除突变体的研究取得成功85。其中 12 个 OsDof 基因的敲除株系(OsDof04-09、14、19、22、25、26、28 和 30)都有一个共同的作用,即生长发育不良和无法过渡到开花。低温、干旱、盐 胁 迫 和 赤 霉 素(GA3)胁 迫 高 度 诱 导PheDof12-1 的转录水平。过表达 PheDof12-1 的转基因拟南芥在长日(LD)条件下开花早,而在短日(SD)条件下开花时间不受影响。酵母单杂交实验表明,PheDof12-1 可以与 PheCOL4 启动子序列结合。同时PheDof12-1 表现出强烈的昼夜节律,光处理抑制,暗处理诱导86。番茄 Dof 蛋白 TDDF1,同时参与调节昼夜节律和抗逆性。在转移到连续黑暗(DD)或光照(LL)条件后,TDDF1 的表达仍保持较大的每日波动。过表达 TDDF1 通过上调番茄花期调控基因表达,以及与花诱导剂 SFT 蛋白互作,诱导番茄早花26。3.3 其他大豆是油料作物中最重要的豆科种子作物之一。研究显示,大豆 GmDof4 和 GmDof11 过表达转基因拟南芥种子中总脂肪酸和脂类含量增加。进一步分析显示其通过直接结合下游基因启动子区顺式作用元件激活乙酰辅酶羧化酶基因和长链辅酶 CoA 合成酶基因转录,进而调控脂质代谢87。以上结果表明,GmDof 通过上调与脂肪酸生物合成相关的基因表达来提高大豆种子的脂质含量。近年来因棉清油含有大量人体必需的脂肪酸和较高的亚油酸含量,棉籽也被用作重要的油料原料。研究发现棉花中过表达 GhDof1 能够显著提高棉花的耐盐性和耐寒性64。过表达 GhDof1 基因可使棉籽含油量增加 16%以上64,这与 GmDof4 具有相似的调节种子含油量(种子含油量提高了 20%以上)的功能87。表明部分 Dofs 是提高油料作物非生物耐性和籽油含量的功能性转录因子。此外,番茄 CDF3基因的过表达能够改变番茄果实中有机酸和糖含量,改善果实风味和品质28。这对增加作物产量和改良风味品质具有重要意义。4 结语干旱、盐和温度胁迫等是影响自然界植物地理分布、限制农业植物生产力和威胁粮食安全的主要环境因素。气候变化加剧了这些非生物胁迫的不利影响,也给作物可持续和高质量生产以及粮食安全带来新的挑战88。通过调节蛋白质-DNA 和/或蛋白质-蛋白质相互作用中的多种转录因子,Dof 家族成员可能参与对不同非生物胁迫反应的调控,也可能参与作物发育与逆境胁迫的调节,如开花时间和逆境胁迫等。同时,Dof 转录因子可以直接或间接参与作物与 C 和 N 代谢相关的各种信号通路的交叉作用。因此,分析研究301第 40 卷第 4 期2023 年 8 月生 物 学 杂 志JOURNAL OF BIOLOGY Vol.40 No.4Aug.2023Dofs 调控作物代谢稳态、胁迫反应和生长发育的分子机制非常重要。Dof 蛋白可能作为上游调控因子,在调控作物逆境胁迫及农艺性状改良中扮演重要角色。然而,只有少数作物 Dof 蛋白功能被鉴定。Dof 转录因子在响应各种胁迫时表现出多重、相互关联的表达模式,可以利用这些模式通过生物育种使作物品种实现多特性聚合改良等种源创新,获得高抗性和理想农艺性状兼具的作物品种。参考文献 1 LINDEMOSE S O SHEA C JENSEN M K et al.Structure function and networks of transcription factors involved in abiotic stress responses J.International Journal of Molecular Sciences 2013 14 3 5842-5878.2 柏星轩 闫雪 要宇晨 等.DREB_CBF 转录因子在植物生物胁迫中的作用及研究进展 J.生物学杂志 2017 34 4 88-93.3 陈柯岐 邓星光 林宏辉.植物响应非生物胁迫的分子机制 J.生物学杂志 2021 38 6 1-8.4 RIECHMANN J L HEARD J MARTIN G et al.Arabidopsis tran-scription factors genome-wide comparative analysis among eu-karyotes J.