王艷敏等

摘要bHLH（basic helixloophelix）轉(zhuǎn)錄因子是一類重要的轉(zhuǎn)錄因子，bHLH轉(zhuǎn)錄因子在真核生物的生長發(fā)育、調(diào)控及應對逆境脅迫中起到了重要作用。綜述了bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族在植物抗逆反應中功能研究的最新進展，為進一步研究bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族基因在植物逆境脅迫應答中的作用提供理論參考。

關(guān)鍵詞bHLH轉(zhuǎn)錄因子；抗逆；應用

中圖分類號S188文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）21-034-02

基金項目黑龍江省屬科研院所基本科研業(yè)務費專項。

作者簡介王艷敏（1981- ），女，吉林鎮(zhèn)賚人，助理研究員，博士，從事林木遺傳育種工作。*通訊作者，白卉，副研究員，從事林木遺傳育種工作；*通訊作者，曹焱，助理研究員，從事森林培育工作。

收稿日期20150602

bHLH（basic helixloophelix）轉(zhuǎn)錄因子是廣泛存在于真核生物中一類重要的轉(zhuǎn)錄因子[1]。bHLH蛋白最早是在小鼠的肌肉中被發(fā)現(xiàn)，之后被發(fā)現(xiàn)存在于酵母、動物、植物等所有主要的真核生物中。由于這類蛋白共同含有保守性很高的 bHLH 區(qū)域，所以命名為bHLH 蛋白[2]。筆者綜述了bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族在植物抗逆反應中功能研究的最新進展，為進一步研究bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族基因在植物逆境脅迫應答中的作用提供理論參考。

1bHLH轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點

bHLH家族轉(zhuǎn)錄因子都含有一個高度保守的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，由約60個氨基酸構(gòu)成，這個高度保守的結(jié)構(gòu)域分為2個功能不同的區(qū)域：在N端的區(qū)域含有13～17 個氨基酸，能夠識別Ebox元件（5′CANNTG3′）。bHLH結(jié)構(gòu)域至少含有5個基本的氨基酸區(qū)域和一個保守的HER元件（His5–Glu9–Arg13），這些區(qū)域在50%的植物bHLH中被發(fā)現(xiàn)，它能夠與DNA相結(jié)合[3-5] 。近期研究發(fā)現(xiàn)一些新桿狀線蟲（Caenorhabditis elegans）的bHLH轉(zhuǎn)錄因子能夠與非標準的Ebox元件（CACGCG 和 CATGCG）相結(jié)合。HLH區(qū)域主要由2個含有疏水性氨基酸的偶極性α螺旋組成，第一個α 螺旋也稱識別螺旋，與識別蛋白結(jié)合特異的 DNA 序列有關(guān)；第二個α 螺旋位于第一個α螺旋之上，基本上平行于雙螺旋鏈，這種結(jié)構(gòu)有利于氫鍵形成和范德華力作用[6]。這2個α螺旋之間被一個相對狹小的折疊所間隔，稱為螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（HTH）結(jié)構(gòu)。

2bHLH轉(zhuǎn)錄因子與植物的抗逆性

研究顯示，bHLHs能夠參與多種生物進程，包括不對稱的細胞分化、氣孔分化、結(jié)節(jié)血管模式、花器官發(fā)生、腋分生組織的形成，近年來研究顯示，bHLHs能夠調(diào)節(jié)植物響應非生物脅迫[7]。目前為止，bHLH是植物內(nèi)發(fā)現(xiàn)的第二大轉(zhuǎn)錄因子家族，擬南芥中有167個編碼bHLHs蛋白的基因被報道，在水稻中則有162個bHLH基因被發(fā)現(xiàn)。bHLH 轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆方面的作用非常顯著，但相對于其他植物逆境抗性相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子家族而言，bHLH 轉(zhuǎn)錄因子家族在植物抗逆中的研究則相對滯后[8-9]。

2.1bHLH參與植物適應缺鐵脅迫反應

鐵離子是植物生長發(fā)育中不可缺少的微量元素之一，植物中調(diào)節(jié)鐵離子平衡機制復雜，涉及到一系列的轉(zhuǎn)錄因子[10]。在擬南芥中，2個調(diào)控網(wǎng)絡(luò)FIT（FERLIKE IRON DEFICIENCY INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR）和PYE（POPEYE），被明確用以調(diào)節(jié)缺鐵脅迫反應[11]。FIT和PYE是bHLH家族成員，bHLH蛋白在維持鐵離子平衡中具有重要作用。第一個克隆得到的番茄FER基因?qū)儆赽HLH 家族，是FIT的同源基因，能夠調(diào)控植物適應缺鐵脅迫[12]。FIT突變體fit1在苗期，不施加外源鐵離子時是致死狀態(tài)，在fit1突變體的根部幾乎50%的鐵缺失誘導基因解除控制[13]。擬南芥中的FIT1基因與AtbHLH38和AtbHLH39互作以調(diào)節(jié)鐵吸收基因的表達，維持鐵離子平衡。與野生型植株相比，F(xiàn)IT/bHLH38和FIT/bHLH39的過表達植株能夠積累更多的鐵離子[14]；第二個缺鐵脅迫調(diào)節(jié)系統(tǒng)由PYE類bHLH蛋白介導調(diào)節(jié)pye1突變體對鐵缺失敏感，3個與鐵離子轉(zhuǎn)運基因NAS4（NASYNTHASE4）、FRO3和ZIF1 （ZINCINDUCED FACILITATOR1）在pye1突變體缺鐵條件下上調(diào)表達，這3個基因為PYE的目標基因[15]。

在水稻中，一系列bHLH轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)節(jié)鐵離子平衡，與擬南芥bHLH38 和bHLH39同源基因IRO2（IRONRELATED TRANSCRIPTION FACTOR2）在缺鐵條件下，能夠正向調(diào)節(jié)麥根酸生物合成，IRO2過表達能夠提高鐵離子吸收和轉(zhuǎn)運[16]。近期研究表明，水稻bHLH133在從根到嫩葉的鐵離子轉(zhuǎn)運過程中具有重要的調(diào)節(jié)作用，進一步闡明了bHLH蛋白在鐵離子平衡中的重要作用[17]。bHLH104屬于bHLH 家族中的IVc亞家族，在缺鐵脅迫下具有正向調(diào)節(jié)作用，擬南芥中的bhlh104缺失降低了鐵缺失的抗性，而bHLH104過表達植株在土壤生長條件下積累了過量的鐵離子[10]。

2.2bHLH參與植物耐低溫脅迫反應

近期研究顯示，一些植物中的bHLH轉(zhuǎn)錄因子能夠響應非生物脅迫。ICE1（inducer of CBF expression1）也被稱為誘導CBF表達基因，它編碼一個類似轉(zhuǎn)錄激活基因（MYC）的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，在常溫下鈍化，在低溫情況下能夠特異地結(jié)合CBF3啟動子中的MYC作用元件，誘導CBF3的表達，CBF3進一步結(jié)合到其下游目的基因啟動子的DRE序列，誘導下游一系列冷誘導基因以及其他在植物寒冷適應中起作用的基因的表達，繼而提高轉(zhuǎn)基因植株的抗寒性。Chinnusamy 等[18]首次采用化學誘導基因突變的方法分離出低溫誘導的組成型突變體ice1，發(fā)現(xiàn)突變體ice1 極大地抑制了CBF3的表達以及降低了一些受CBFs 調(diào)控的下游基因的表達，而且突變體的耐寒力明顯下降。進一步采用圖位克隆法分離了ICE1 基因，它編碼類似MYC 的bHLH 轉(zhuǎn)錄因子，可特異地結(jié)合到CBF3啟動子的MYC 作用元件，并誘導CBF3 調(diào)控的下游基因的表達。另外，ICE1 基因是組成型表達，但其超表達可在低溫下增強CBF3 的轉(zhuǎn)錄表達并提高轉(zhuǎn)基因植株的耐寒能力。因此，ICE1 基因在擬南芥的抗寒中起著關(guān)鍵性的調(diào)控作用。Lee等[19]采用基因芯片的方法從整個轉(zhuǎn)錄組水平上研究了ICE1 在擬南芥耐寒及其在基因表達調(diào)控中的作用，ice1 突變體影響了一些低溫脅迫早期應答基因以及受ABA 或生長素調(diào)控基因的表達，進一步驗證了ICE1 在植物低溫脅迫應答中起著關(guān)鍵性的核心作用。Wang 等[17]采用Race 法從芥菜（Capsella bursapastoris） 中分離到一個新的ICE1基因Cbice53，與擬南芥ICE1 基因高度同源，低溫和鹽脅迫處理可提高Cbice53 的表達。Huang等[20]首次將擬南芥ICE1 通過農(nóng)桿菌介導法成功轉(zhuǎn)入檸檬（Citrus limon）。 Huang等[21-22]從枸橘中克隆得到PtrICE1基因，PtrICE1受低溫誘導表達，在受到低溫馴化或低溫脅迫時，轉(zhuǎn)PtrICE1基因煙草和檸檬抗寒性提高。林元震等[23]從赤桉克隆到桉樹的第一個ICE1基因。EcaICE1基因表達分析結(jié)果顯示，EcaICE1在赤桉根、莖、葉中均表達，且表達水平不受低溫脅迫處理時間的影響，表明EcaICE1是組成型表達。此外，EcaICE1的超表達可以提高轉(zhuǎn)基因煙草的耐低溫能力。蘋果中的MdClbHLH與低溫脅迫相關(guān)，在35S：：ICE1（a MYClike bHLH transcriptional activator）轉(zhuǎn)基因植株中，在低溫脅迫下增強CBF調(diào)節(jié)子的表達，因此提高了擬南芥的抗凍性[24]。

2.3bHLH參與其他非生物脅迫反應

在干旱脅迫中，水稻OsbHLH148能夠與OsJAZ蛋白互作通過調(diào)節(jié)茉莉酮酸酯信號轉(zhuǎn)導途徑提高抗旱性。擬南芥中的bHLH122在干旱脅迫、NaCl脅迫和滲透脅迫中都起到正向調(diào)節(jié)作用，GUS分析顯示，bHLH122在維管組織和保衛(wèi)細胞。與野生型植株相比，bHLH122過表達植株顯示更強的抗干旱、抗鹽和抗?jié)B透能力。相比之下，bhlh122突變體與對照植株相比，對鹽及滲透脅迫更加敏感[7，23]。在胡楊中克隆得到PebHLH35基因，表達分析顯示，PebHLH35受干旱和ABA誘導，亞細胞定位研究表明PebHLH35GFP定位在細胞核中，在擬南芥中的異源表達顯示，在正常生長條件下與野生型相比，過表達植株主根較長，葉面積較大。在缺水條件下，PebHLH35過表達植株抗性提高，PebHLH35在干旱脅迫下起到正調(diào)控作用[25]。西紅柿中SlICE1受低溫、鹽脅迫、滲透脅迫誘導表達，SlICE1的過表達煙草植株中脯氨酸、可溶性糖、LEA蛋白含量增加，從而提高抗寒性、抗?jié)B透性、抗鹽脅迫能力[26]。擬南芥AtbHLH112是一個核蛋白，它受鹽、干旱和ABA誘導表達，擬南芥AtbHLH112通過調(diào)節(jié)P5CS基因的表達、降低P5CDH和ProDH基因的表達來提高脯氨酸含量。AtbHLH112通過提高POD和SOD基因的表達來提高活性氧清除能力[27]。JAM1（ABAinducible bHLHtranscription factor/jasmonic acid （JA）associated MYC2like1）作為一個抑制劑，能夠負向調(diào)節(jié)茉莉酮酸酯信號途徑，在茉莉酮酸酯介導的脅迫響應和植物生長中起到關(guān)鍵作用[28]。

3展望

近年來，對植物bHLH轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)、分類、起源、功能等方面研究都有了很大進展，但由于bHLH家族成員多，調(diào)控機制復雜，還需要對其進行更為系統(tǒng)的研究。目前隨著基因組測序技術(shù)及重測序技術(shù)的發(fā)展，為更深入分析植物轉(zhuǎn)錄因子在抗逆境反應中的作用機理提供了有利條件，進一步揭示bHLH轉(zhuǎn)錄因子功能及其調(diào)控表達網(wǎng)絡(luò)，仍是分子生物學的一個重要研究方向。

參考文獻

[1]

王勇江，陳克平，姚勤.bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族研究進展[J].遺傳，2008（7）：821-830.

[2] FELLER A，MACHEMER K，BRAUN E L，et al.Evolutionary and comparative analysis of MYB and bHLH plant transcription factors[J].The Plant Journal，2011，66（1）：94-116.

[3] ATCHLEY W R，F(xiàn)ITCH W M.A natural classification of the basic helixloophelix class of transcription factors[J].Proc Natl Acad Sci USA，1997，94（10）：5172-5176.

[4] MASSARI M E，MURRE C.Helixloophelix proteins：Regulators of transcription in eucaryotic organisms[J].Mol Cell Biol，2000，20（2）：429-440.

[5] TOLEDOORTIZ G，HUQ E，QUAIL P H.The Arabidopsis basic/helixloophelix transcription factor family[J].Plant Cell，2003，15（8）：1749-1770.

[6] AGGARWAL P，DAS GUPTA M，JOSEPH A P，et al.Identification of specific DNA binding residues in the TCP family of transcription factors in Arabidopsis[J].The Plant Cell，2010，22（4）：1174-1189.

[7] LIU W，TAI H，LI S，et al.bHLH122 is important for drought and osmotic stress resistance in Arabidopsis and in the repression of ABA catabolism[J].New Phytol，2014，201（4）：1192-1204.

[8] 羅賽男，楊國順，石雪暉，等.轉(zhuǎn)錄因子在植物抗逆性上的應用研究[J].湖南農(nóng)業(yè)大學學報：自然科學版，2005（2）：219-223.

[9] 劉曉月，王文生，傅彬英.植物bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族的功能研究進展[J].生物技術(shù)進展，2011（6）：391-397.

[10] ZHANG J，LIU B，LI M，et al.The bHLH transcription factor bHLH104 interacts with IAALEUCINE RESISTANT3 and modulates iron hHomeostasis in Arabidopsis[J].The Plant Cell，2015，27（3）：787-805.

[11] IVANOV R，BRUMBAROVA T，BAUER P.Fitting into the harsh reality：Regulation of irondeficiency responses in dicotyledonous plants [J].Scie Cas Cscd，2012，5（1）：27-42.

[12] LING H Q，BAUER P，BERECZKY Z，et al.The tomato fer gene encoding a bHLH protein controls ironuptake responses in roots[J].Proc Natl Acad Sci USA，2002，99（21）：13938-13943.

[13] COLANGELO E P，GUERINOT M L.The essential basic helixloophelix protein FIT1 is required for the iron deficiency response[J].Plant Cell，2004，16（12）：3400-3412.

[14] YUAN Y，WU H，WANG N，et al.FIT interacts with AtbHLH38 and AtbHLH39 in regulating iron uptake gene expression for iron homeostasis in Arabidopsis[J].Cell Res，2008，18（3）：385-397.

[15] LONG T A，TSUKAGOSHI H，BUSCH W，et al.The bHLH transcription factor POPEYE regulates response to iron deficiency in Arabidopsis roots[J].The Plant Cell Online，2010，22（7）：2219-2236.

[16] OGO Y，ITAI R N，KOBAYASHI T，et al.OsIRO2 is responsible for iron utilization in rice and improves growth and yield in calcareous soil[J].Plant Molecular Biology，2011，75（6）：593-605.

[17] WANG L U，YING Y，NARSAI R，et al.Identification of OsbHLH133 as a regulator of iron distribution between roots and shoots in Oryza sativa[J].Plant，Cell & Environment，2013，36（1）：224-236.

[18] CHINNUSAMY V，OHTA M，KANRAR S，et al.ICE1：A regulator of coldinduced transcriptome and freezing tolerance in Arabidopsis[J].Genes Dev，2003，17（8）：1043-1054.

[19] LEE B H.The Arabidopsis coldresponsive transcriptome and its regulation by ICE1[J].The Plant Cell Online，2005，17（11）：3155-3175.

[20] HUANG J Q，SUN Z H.Agrobacteriummediated transfer of Arabidopsis ICE1 gene into Lemon （Citrus limon L.） Burm.F.cv.Eureka）[J].Agricultural Sciences in China，2005，4（9）：714-720.

[21] HUANG X S，ZHANG Q，ZHU D，et al.ICE1 of Poncirus trifoliata functions in cold tolerance by modulating polyamine levels through interacting with arginine decarboxylase[J].Journal of Experimental Botany，2015，5：7981.

[22] HUANG X S，WANG W，ZHANG Q，et al.A basic helixloophelix transcription factor，PtrbHLH，of Poncirus trifoliata confers cold tolerance and modulates peroxidasemediated scavenging of hydrogen peroxide[J].Plant Physiol，2013，162（2）：1178-1194.

[23] 林元震，張志毅，劉純鑫，等.甜楊抗凍轉(zhuǎn)錄因子ICE1基因的in silico克隆及其分析[J].分子植物育種，2007（3）：424-430.

[24] 馮曉明.蘋果bHLH基因MdCIbHLH1克隆及功能分析[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2011.

[25] DONG Y，WANG C，HAN X，et al.A novel bHLH transcription factor PebHLH35 from Populus euphratica confers drought tolerance through regulating stomatal development，photosynthesis and growth in Arabidopsis[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2014，450（1）：453-458.

[26] FENG H，MA N，MENG X，et al.A novel tomato MYCtype ICE1like transcription factor，SlICE1a，confers cold，osmotic and salt tolerance in transgenic tobacco[J].Plant Physiology and Biochemistry，2013，73：309-320.

[27] LIU Y，JI X，NIE X，et al.Arabidopsis AtbHLH112 regulates the expression of genes involved in abiotic stress tolerance by binding to their Ebox and GCGbox motifs[J].New Phytol，2015，206：3.

[28] NAKATA M，OHMETAKAGI M.Two bHLHtype transcription factors，JAASSOCIATED MYC2LIKE2 and JAM3，are transcriptional repressors and affect male fertility[J].Plant Signaling & Behavior，2014，8（12）：26473.