MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物木質(zhì)素合成中的調(diào)控機(jī)理

轉(zhuǎn)錄因子在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控目的基因表達(dá)是植物對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育及生理代謝調(diào)控的一種重要方式。MYB轉(zhuǎn)錄因子是最大的植物轉(zhuǎn)錄因子家族成員之一，參與了細(xì)胞分化、細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)，激素和環(huán)境因子應(yīng)答，并對(duì)植物次生代謝以及葉片等器官形態(tài)建成具有重要的調(diào)節(jié)作用。最近的研究表明，MYB類轉(zhuǎn)錄因子參與了植物木質(zhì)素合成過(guò)程的調(diào)控，對(duì)植物木質(zhì)素含量以及結(jié)構(gòu)都起到了重要作用。本文對(duì)MYB類轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能進(jìn)行了綜述，并重點(diǎn)介紹了MYB轉(zhuǎn)錄因子在植物木質(zhì)素合成中的調(diào)控作用，以期為MYB轉(zhuǎn)錄因子的研究和利用提供參考。

木質(zhì)素是一種酚類多聚體，是維管植物細(xì)胞壁的重要組成成分，具有機(jī)械支持、水分運(yùn)輸和抵抗病菌侵襲等重要生物學(xué)功能。然而，木質(zhì)素的存在又是影響植物加工利用的主要限制因子。因此，通過(guò)基因工程等技術(shù)適當(dāng)?shù)亟档湍举|(zhì)素含量或改變木質(zhì)素的組成成分，將有利于更好地利用資源植物。傳統(tǒng)的基因工程方法主要通過(guò)調(diào)節(jié)代謝途徑中的關(guān)鍵酶或限速酶來(lái)控制相關(guān)性狀，但是鑒定限速步驟不是一件容易的事情，而且代謝途徑中終產(chǎn)物的積累或減少也往往不是由單個(gè)酶或一兩個(gè)酶的活性決定的。因此，可以將目光轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面來(lái)改變代謝通路流量，而不是通路中的基因本身。

轉(zhuǎn)錄因子也稱反式作用因子，是指能夠與基因啟動(dòng)子區(qū)域中順式作用元件發(fā)生特異性相互作用的DNA結(jié)合蛋白，通過(guò)它們之間以及與其他相關(guān)蛋白之間的相互作用激活或抑制某些基因的轉(zhuǎn)錄[1]。轉(zhuǎn)錄因子通常由幾個(gè)獨(dú)立的功能域組成，包括DNA結(jié)合功能域、轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)(激活或抑制)、信號(hào)分子結(jié)合域和核定位信號(hào)區(qū)等。根據(jù)DNA結(jié)合功能域的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)錄因子可以分為bHLH(堿性螺旋－環(huán)－螺旋)蛋白、bZIP(堿性亮氨酸拉鏈)蛋白、Homeodomain 蛋白、MADS-box 蛋白、Zinc-finger(鋅指蛋白)、MYB蛋白、Ap2/EREBP蛋白、HSF蛋白、HMG蛋白和AT hook蛋白等多個(gè)不同家族[2]。這些轉(zhuǎn)錄因子對(duì)植物發(fā)育、代謝和進(jìn)化都具有重要作用。

1 MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)與功能

1.1 MYB轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu) MYB類轉(zhuǎn)錄因子以其結(jié)構(gòu)上都有一段保守的DNA結(jié)合區(qū)—MYB結(jié)構(gòu)域而得名。以c-MYB 因子為代表，該類轉(zhuǎn)錄因子由3個(gè)保守的功能域組成(圖1)：一個(gè)DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DNA binding domain,DBD)、一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域(transactivation domain, TAD)以及一個(gè)不完全界定的負(fù)調(diào)節(jié)區(qū)(negative regulatory domain, NRD)(Frampton, 2004)。DBD最為保守，一般包含1～3個(gè)不完全重復(fù)序列(R)，每個(gè)重復(fù)片段R由51～52個(gè)保守的氨基酸殘基和間隔序列組成，每隔約18個(gè)氨基酸規(guī)則間隔1個(gè)色氨酸殘基。這些氨基酸殘基使Myb結(jié)構(gòu)域折疊成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋(Helix-Turn-Helix，HTH)結(jié)構(gòu)(圖2)[3]。色氨酸起著疏水核心的作用，對(duì)維持HTH的構(gòu)型有著特別重要的意義。有時(shí)色氨酸殘基會(huì)被芳香族氨基酸或疏水氨基酸所取代，尤其是R3結(jié)構(gòu)域的第一個(gè)色氨酸常被亮氨酸、異亮氨酸或苯丙氨酸所取代[4]。重復(fù)片段R的個(gè)數(shù)，可以把Myb類轉(zhuǎn)錄因子分為單一Myb結(jié)構(gòu)域蛋白(R1/R2)，2R蛋白(R2R3)和3R蛋白(R1R2R3)。Ogata等[5]認(rèn)為，R2和R3是Myb因子識(shí)別DNA序列所必需的，其中的R3亞基上的C端的螺旋能與順式作用元件中的核心序列特異結(jié)合。

圖1 c-Myb和AMV v-Myb功能域結(jié)構(gòu)示意圖[3]

圖2 c-MYB 蛋白的R1、R2和R3亞基[3]

1.2 MYB轉(zhuǎn)錄因子的生物學(xué)功能 自Paz-Ares等[6]從單子葉植物玉米中克隆出與色素合成相關(guān)的ZmMYBC1基因以來(lái)，大量Myb類基因從各種植物中得以分離鑒定。其中在擬南芥中已發(fā)現(xiàn)超過(guò)198個(gè)Myb家族基因[7]，玉米有超過(guò)80個(gè)Myb 轉(zhuǎn)錄因子[8]。功能研究表明，Myb參與了植物次生代謝，激素和環(huán)境因子應(yīng)答，并對(duì)細(xì)胞分化、細(xì)胞周期以及葉片等器官形態(tài)建成具有重要的調(diào)節(jié)作用。Legay等[9]發(fā)現(xiàn)，EgMYB1轉(zhuǎn)錄因子特異結(jié)合木質(zhì)素合成過(guò)程中兩個(gè)重要基因EgCCR和EgCAD2的啟動(dòng)子區(qū)，從而控制木質(zhì)素的合成。擬南芥中的AtMYB2基因是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)受ABA誘導(dǎo)的R2R3Myb基因[10]，AtMYB2蛋白與bHLH類蛋白R(shí)dBP1相互作用，共同協(xié)同調(diào)節(jié)Rd22基因的表達(dá)。擬南芥超表達(dá)CpMYB10基因能增加對(duì)干旱和鹽脅迫的抗性[11]。

2 木質(zhì)素的合成途徑

2.1 木質(zhì)素單體種類及結(jié)構(gòu) 木質(zhì)素由木質(zhì)素單體(Monolignol)聚合而成(圖3)，包括愈創(chuàng)木基木質(zhì)素(G)、紫丁香基木質(zhì)素(S)和對(duì)-羥基苯基木質(zhì)素(H)。主要單體有二種：香豆醇(Coumaryl alcohol) ，松柏醇(Coniferyl alcohol)和芥子醇(Sinapyl alcohol)(Rubin，2008)。

圖3 木質(zhì)素單體類型 [12]

2.2 木質(zhì)素單體生物合成途徑 目前，廣泛認(rèn)同木質(zhì)素生物合成途徑大致分3個(gè)步驟(圖4)：首先是莽草酸途徑，即植物光合作用后的同化產(chǎn)物到芳香氨基苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等的合成過(guò)程；其次是苯丙酮酸途徑，即從苯丙氨酸到羥基肉桂酸及其輔酶A酯類；最后是木質(zhì)素合成的特異途徑，即羥基肉桂酰輔酶A酯類到合成木質(zhì)素單體及其聚合物的過(guò)程[13]。木質(zhì)素的生物合成過(guò)程由苯丙氨酸起始，經(jīng)過(guò)一系列羥基化、甲基化、連接和還原反應(yīng)生成木質(zhì)素單體，單體進(jìn)一步氧化聚合生成相應(yīng)的木質(zhì)素。在植物體內(nèi)，這些木質(zhì)素通過(guò)多種鍵型連接在一起形成復(fù)雜的木質(zhì)素聚合體，執(zhí)行相應(yīng)的生物學(xué)功能[14]。目前，對(duì)木質(zhì)素的遺傳調(diào)控研究重點(diǎn)大多集中于苯丙烷途徑和木質(zhì)素合成特異途徑兩個(gè)階段。

圖4 木質(zhì)素單體合成代謝途徑[13]

3 MYB在木質(zhì)素合成調(diào)控中的作用

3.1 MYB轉(zhuǎn)錄激活子的作用 迄今為止，大部分與木質(zhì)素合成相關(guān)的轉(zhuǎn)錄激活子都來(lái)自于MYB轉(zhuǎn)錄因子家族。木質(zhì)素合成MYB轉(zhuǎn)錄激活子可分為2類，一類為非特異性轉(zhuǎn)錄激活子，另一類為特異性轉(zhuǎn)錄激活子。擬南芥的AtMYB46和AtMYB83為非特異性合成激活子，他們不僅可以調(diào)控木質(zhì)素的合成，還參與了整個(gè)次生細(xì)胞壁(包括纖維素和半纖維素)的合成[15-16]。松樹(shù)的PtMYB1、PtMYB4 和 PtMYB8，桉樹(shù)的EgMYB2以及楊樹(shù)的PtrMYB3和PtrMYB20都屬于MYB非特異性合成激活子。擬南芥的AtMYB85、AtMYB58和AtMYB63是最先被鑒定的木質(zhì)素合成特異性合成激活子[17]，此類激活子可以特異性地調(diào)控木質(zhì)素的合成(圖5)。Zhou[18]等研究表明，AtMYB58和AtMYB63過(guò)表達(dá)時(shí)，植物細(xì)胞壁的木質(zhì)素含量顯著增加，而其他細(xì)胞壁成分沒(méi)有變化。

圖5 次生細(xì)胞壁網(wǎng)絡(luò)調(diào)控模式圖[13]

3.2 MYB轉(zhuǎn)錄抑止子的作用 一些MYB轉(zhuǎn)錄因子被鑒定為轉(zhuǎn)錄抑止子。當(dāng)在煙草中過(guò)表達(dá)金魚草的AmMYB308和AmMYB330時(shí)，轉(zhuǎn)基因植株的木質(zhì)素含量降低，木質(zhì)素合成途徑中的4CL、C4H和CAD的表達(dá)量都顯著下調(diào)[19]。當(dāng)在擬南芥中過(guò)表達(dá)AtMYB4時(shí)，其轉(zhuǎn)化植株木質(zhì)素合成途徑中的4CL、C4H和CAD的表達(dá)量也都顯著下調(diào)。然而，AtMYB4在煙草中被過(guò)表達(dá)時(shí)，僅僅4CL和C4H在轉(zhuǎn)化植株中被抑止，可見(jiàn)MYB轉(zhuǎn)錄抑止子在不同植株中的調(diào)控機(jī)制是不一樣的[20]。當(dāng)然，不同的MYB轉(zhuǎn)錄抑止子在相同物種中的調(diào)控機(jī)制也是不一樣的。AtMYB4通過(guò)改變COMT酶，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)木質(zhì)素合成的調(diào)控[21]。

4 結(jié)語(yǔ)

木質(zhì)素是阻礙植物資源高效利用的主要影響因子，因此研究如何改良和調(diào)控植物木質(zhì)素的合成和表達(dá)具有重要意義。目前，木質(zhì)素生物合成途徑中相關(guān)酶基因基本上都被分離克隆，有的已經(jīng)通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)對(duì)其進(jìn)行表達(dá)調(diào)控，利用轉(zhuǎn)基因植株已分析其對(duì)木質(zhì)素含量、組成及主要結(jié)構(gòu)的影響，但是關(guān)于調(diào)控木質(zhì)素生物合成途徑中酶基因表達(dá)的基因知之甚少，而這些未知的基因可以為調(diào)節(jié)木質(zhì)素生物合成提供其它新的思路和方法。雖然MYB轉(zhuǎn)錄因子的功能和作用機(jī)理還未完全研究清楚，但是其與木質(zhì)素合成緊密相關(guān)，分離鑒定的直接控制木質(zhì)素合成的MYB轉(zhuǎn)錄因子，將為應(yīng)用生物技術(shù)手段解決相關(guān)育種問(wèn)題開(kāi)辟了嶄新的思路。

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2013–08–10）