TGA转录因子在植物氧化胁迫应答中的调控作用

罗秀云，李园园，周 赓，田 云，卢向阳

（1.湖南农业大学生物科学技术学院，湖南长沙410128；2.湖南省农业生物工程研究所，湖南长沙410128）

植物体内各组织器官（如根、茎、叶、花、果）时刻都在发生生理代谢，在代谢过程中会产生活性氧（ROS）。环境胁迫（如干旱、低温、高温、盐害、外源H2O2等）会导致植物体内积累大量的ROS，破坏机体内ROS氧化还原的平衡，从而产生氧化胁迫。氧化胁迫会使植物体内ROS的清除能力减弱，造成植物伤害甚至死亡［1－2］，在很大程度上影响植物的生长发育、作物品质和产量［3］。

目前，氧化胁迫的研究主要集中在两方面：一是病毒、微生物引起的植物机体抗氧化应答机理；二是外源H2O2和光照等条件诱导产生的植物抗氧化调控［4］。ROS是氧化胁迫研究的关键信号分子，主要存在于线粒体、内质网等膜系统中，植物体内清除过量的ROS途径主要有两类：抗氧化酶系统（NADPH 酶、脂氧合酶等）和抗氧化剂（GSH、Vc等）［5］。此外，植物机体内ROS的信号转导途径易受机体自身激素的影响［6］。在植物ROS信号途径中，硫基类蛋白，尤其是半胱氨酸蛋白对ROS的信号转导途径起关键作用。目前，在ROS信号转导途径的研究中，主要有NPR1／TGA 和Rap2.4两类关键蛋白［7］。作者主要综述了植物TGA转录因子的分类、结构和作用，重点介绍了TGA 转录因子在植物ROS应答途径中的调控作用。

1 植物TGA转录因子

转录因子是由DNA 结合结构域和转录激活结构域构成的能与DNA 分子相互作用的蛋白质，根据DNA 结合位点的不同可分为多类，如bZIP 类转录因子、MYC类转录因子等［8］。植物TGA 转录因子是能够识别TGACGT 特异性结合序列且含有一个典型的锌指结构域和2个谷氨酰胺转录激活位点的一类转录因子，属于bZIP 转录因子家族中的一个亚家族。TGA 转录因子中锌指结构域是螺旋－旋转－螺旋类的DNA 结构域，且在DNA 结构域的C 端含有一个亮氨酸拉链和碱性结构的二聚体，此外，其谷氨酰胺激活结构域是一类酸性转录激活域。

1.1 植物TGA转录因子的分类与结构

1989年，利用花椰菜花叶病毒（CaMV）35S 启动子，首次在烟草中发现了TGA1a转录因子并确定其能识别TGACGT 特异性结合序列［9］。之后在水稻、拟南芥中陆续发现了TGA 转录因子。

根据TGA 转录因子的结构差异，植物TGA 转录因子可分为6 类：TGA1a、TGAⅠ、TGAⅡ、TGAⅢ、TGAⅣ、TGAⅤ，见表1。

根据植物TGA 转录因子的DNA 结构域和转录激活域的结构特征，可明显地比较这6类转录因子的结构异同［10］，见图1。

表1 植物TGA转录因子的分类Tab.1 Classification of TGA transcription factors in plant

图1 植物TGA转录因子的结构Fig.1 Structures of TGA transcription factors in plant

有研究表明，在拟南芥中发现了10个TGA 转录因子，根据其结构的不同可以分为5类：TGAⅠ、TGAⅡ、TGAⅢ、TGAⅣ、TGAⅤ。其中TGAⅠ包括TGA1（At5g65210）和TGA4（At5g10030），其调控作用类似于烟 草 中 的 TGA1a；TGA Ⅱ 包 括 TGA2（At5g06950）、TGA5（At5g06960） 和 TGA6（At3g12250），相对其它类别而言，其DNA 结构域含有较短的N 端序列，是TGA 转录因子中研究最多的一类；TGA Ⅲ包括TGA3（At1g22070）和TGA7（At1g77920）；TGAⅣ主要包括TGA9（At1g08320）和TGA10（At5g06830）［17］；TGA Ⅴ 包 括 PAN（At1g68650）。

1.2 植物TGA 转录因子的作用

TGA 转录因子参与调节植物根系的生长、胁迫应答、开花调节等多种生理代谢过程。目前，主要通过拟南芥研究TGA 转录因子的功能，对水稻、烟草中TGA 转录因子的研究较少。

TGAⅠ类转录因子参与植物根系的生长调节。Alvarez等［18］利用免疫共沉淀及生物信息学分析法研究了拟南芥中TGA1和TGA4转录因子，结果表明，TGAⅠ作为关键调节因子参与拟南芥根系中硝酸盐的调节。

TGAⅡ类转录因子参与植物胁迫的应答。Stotz等［19］研究表明，拟南芥TGA2转录因子参与环境胁迫诱导的氧化胁迫途径及ROS的氧化还原调控途径，恢复植物生长发育，避免外界不利条件对植物产生影响。此外，丁香假单胞菌会侵染拟南芥，产生生物胁迫，激活机体内细胞分裂素途径，促使TGA3 转录因子与ARR2互作形成复合物启动pr1基因表达，从而调节拟南芥的生长发育［14］。

2 植物ROS应答途径

氧化胁迫信号转导的关键是植物机体内ROS的氧化还原途径，植物TGA 转录因子因其螺旋－折叠－螺旋的DNA 结构域，通过特异性识别并结合TGACGT序列而参与氧化胁迫［20］。Chen等［21］报道了as－1 顺式元件能结合bZIP 类转录因子PIF1／PIF3与HY5／HYH 互作的复合物，激活ROS 相关基因的表达，调控ROS应答途径。作为ROS应答途径的关键调节蛋白as－1顺式元件与TGAⅠ、TGAⅡ转录因子相互作用，激活ROS 相关基因的表达，调节机体内ROS 水平，使ROS达到氧化还原平衡状态，从而恢复植物的正常生长发育［12］。ROS的氧化还原途径主要有两条：一条是活性电子物质（RES）途径，另一条是茉莉酸（JA）途径，见图2。

图2 植物ROS的调控过程Fig.2 Regulation process of ROS in plant

2.1 TGA转录因子通过介导RES途径调控植物体内ROS水平

植物抗氧化实质是植物机体中光系统控制植物ROS的去氧化过程，且ROS主要通过植物光合作用产生［22］。当植物体内积累过量的ROS，就会打破机体内ROS的氧化还原平衡态，导致ROS 转变成RES，RES在SCL14蛋白的作用下，激活TGAⅡ类转录因子，启动RES相关基因的表达，调控ROS途径中产生的脂质胁迫，达到ROS 的氧化还原平衡态［12，23］。此外，在外源物质诱导产生的植物ROS 信号途径中，SCL14蛋白结合TGAⅡ类转录因子形成复合物TGA／SCL14后，与MYC2 转录因子相互作用，诱导Cyp81D11基因的表达，响应机体内脂质胁迫，达到ROS去氧化的目的［24］。

Rojas等［25］报道了光合作用中光反应会干扰植物光系统中氧化激发态，作为光反应中的关键酶乙二醛酶（GLO）催化乙醇酸产生ATP和H2O2［26－27］。H2O2是ROS的一种形态，当其浓度超过机体适宜浓度时，GLO 会抑制H2O2以达到植物正常生长的浓度。在烟草中，GLO 参与Pro／AurPto防御反应，使NADPH氧化成NADP＋，促使TGA 转录因子和NPR1蛋白相互作用并识别TGACGT 特异性序列，激活pr1 基因表达，响应植物ROS途径［28］。在水稻信号转导途径中，谷氧还蛋白（GST）与GLO 互作形成复合物后，与TGA 转录因子相互作用，介导NPR－1的调节，此外，NH1／NH3蛋白通过与TGA 转录因子互作形成复合物后与阻遏调控蛋白NRR 结合，使植物获得氧化胁迫抗性［29］。

2.2 TGA 转录因子通过介导JA 途径调控植物体内ROS水平

植物响应氧化胁迫途径需依赖JA［30］，其JA 信号转导途径与外源物质诱导机体内JA 信号转导途径类似［31］。目前，对植物体内JA 信号转导的机制尚不清楚，还需深入研究［32－33］。

在植物ROS途径中，茉莉酸－亮氨酸途径（JA－Ile）与RES途径具有协同作用，都能恢复机体内ROS的氧化还原平衡。脂氧合酶（LOX）能催化植物机体ROS去氧化，在LOX 的催化下，COI1与JAZ蛋白的复合物与MYC转录因子相互作用，激活JA 相关基因的表达，调控ROS 的氧化还原，恢复机体正常生长［34］。有研究表明，TGA 转录因子调控的JA／ET 途径与ROS 的去氧化过程息息相关，EINs 蛋白如EIN2、EIN3 在内质网中磷酸化后进入核内，激活GRX 与TGA2 相互作用，诱导ORA59、ERF1 的表达［13，35－36］。ORA59 会下调JA 的靶基因PDF1.2 和MYC2、MYC3、MYC4的表达［37－38］，参与ROS的氧化还原过程。此外，NPR1 蛋白与TGA 转录因子（如TGA2、TGA3、TGA5、TGA6）相互作用，激活JA 相关基因的表达，参与ROS水平调控［39－40］。

2.3 TGA 转录因子通过SA 的参与调控植物体内ROS的水平

SA 作为阻遏因子不仅在植物机体内RES的去氧化途径中起拮抗作用，在JA 途径中亦然。有研究表明，机体内SA 阻遏TGA 转录因子与NPR1蛋白相互作用，弱化ROS去氧化相关基因的表达，抑制植物机体内ROS 氧化还原态的恢复，影响植物的生长发育［17］。

拟南芥中，用SA 处理野生植物和AtTTM 突变株，部分突变株获得SA 抗性，获得抗性的植物在胁迫应答中依赖SA、PAD4、NPR1 激活相关蛋白的合成［41－43］。无SA 诱导时，TGAⅢ类转录因子TGA3参与HopMⅠ的胁迫应答激活pr1基因的表达，参与调控植物ROS水平，减少胁迫对植物伤害［44－47］。

3 展望

植物转录因子调控作用的研究一直是生物学研究的热点。目前，主要从生物胁迫信号转导调控方面来研究植物TGA 转录因子，而对TGA 转录因子介导氧化胁迫调控的研究非常有限。TGA 转录因子中，研究较多的是TGAⅡ类转录因子，对其它TGA 转录因子研究较少。此外，相对其它转录因子而言，植物TGA转录因子的功能研究有限，除了在拟南芥中研究较多，在其它植物中研究甚少。

针对目前植物TGA 转录因子的研究现状，今后主要从以下几方面对TGA 转录因子展开研究：（1）研究TGA 转录因子在氧化胁迫中的复杂的调控网络；（2）从不同植物材料、不同生理途径中研究TGA 转录因子的调控作用；（3）在植物非宿主防御反应方面对TGA 转录因子的调控研究较多，在氧化胁迫应答机制方面研究较少，尤其在ROS应答机制方面的研究还有待进一步加强。

可以预见，随着分子生物学和细胞生物学的发展，对TGA 转录因子在氧化胁迫应答中的作用将会剖析得更加详细。

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