王芳 孫立嬌 趙曉宇 王婕婉 宋興舜

（東北林業(yè)大學生命科學學院，哈爾濱 150040）

NAC名稱來自矮牽牛（Petunia hybrida）的NAM及擬南芥的ATAF1/2和CUC2的第一個字母，最初由Souer等［1］和Aida等［2］發(fā)現(xiàn)。NAC是植物中最大的轉錄因子家族之一，全基因組研究表明擬南芥（Arabidopsis thaliana）中有117個NAC基因，水稻（Oryza sativa）中有151個，大豆（Glycine max）和煙草（Nicotiana tabacum）中各有101和152個［3-6］。

越來越多的研究已經證實植物的生長發(fā)育過程及脅迫條件下的生存與NAC轉錄因子有關，NAC轉錄因子家族成員的功能研究受到了公眾的廣泛關注。筆者總結了近年來NAC轉錄因子在調控細胞增殖與壽命、代謝物合成、細胞程序化死亡、脅迫響應、信號傳導等方面的突破性進展（表1）?？梢?，近年來關于NAC轉錄因子家族成員的功能逐漸成為研究熱點。本文就植物NAC轉錄因子的最新研究進展展開綜述，并預測未來的研究方向。

1 NAC轉錄因子的結構特點及分類

NAC結構域最初的特征在于來自NAM、ATAF1/2和CUC2的共有序列。NAC蛋白含有結合DNA的NAC結構域，其大約150個氨基酸位于蛋白質的N末端，通常分為5個子域（A-E），ACD亞結構域高度保守，B和E亞結構域可變，參與NAC蛋白的許多獨特功能［7］。除了NAC結構域外，同一組中的大多數(shù)成員共享一個或多個基序。單子葉植物和雙子葉植物中，SNAC組在保守結構域外的區(qū)域內具有一段28個氨基酸高度保守的基序。C末端轉錄調節(jié)區(qū)（Transcription regulatory region，TRR）可以激活或抑制轉錄。Nuruzzaman等［8］研究表明TRR基序對于一個特定的NAC亞家族是保守的，但在不同的亞家族中存在差異。因此，該區(qū)域賦予NAC蛋白質的個體功能變異。一些NAC轉錄因子還在C-末端區(qū)域中含有負責錨定到質膜或內質網的跨膜（Transmembrane，TM）基序。當植物處于特定發(fā)育階段或者脅迫條件下，其被蛋白水解切割后移位至細胞核（圖1-A）［9］。但關于植物NAC蛋白三級結構的研究還很薄弱，目前，通過X光衍射僅獲得ANAC019和OsNAC1 2個NAC轉錄因子保守域的晶體結構［10-11］。ANAC019是第一個進行晶體結構解析的NAC蛋白，其N-末端保守域由3個α-螺旋和6個反向平行的β-折疊組成，其同源二聚體模型也同時被報道（圖1-B，1-C）［10］。其實許多NAC蛋白存在與之類似的二聚體結合位點，表明大多數(shù)NAC蛋白均以同源二聚體的形式發(fā)揮調控作用［12］。

表1 NAC轉錄因子的最新研究進展

Ooka等［13］首次對水稻（單子葉植物）和擬南芥（雙子葉植物）中的NAC家族基因進行了全面分析。通過序列相似性將已知的NAC家族蛋白分為兩大組和18個亞組。隨后，對NAC亞家族成員的研究均以Ooka的分類為依據進行展開。

圖1 NAC蛋白的結構示意圖［9-10］

2 NAC轉錄因子的功能

2.1 NAC轉錄因子在植物生長發(fā)育中的功能

NAC轉錄因子首先在正向遺傳篩選中被確定為發(fā)育過程的關鍵調節(jié)因子。NAC家族的基因已被證明可以調節(jié)廣泛的發(fā)育過程，包括纖維發(fā)育［14］、次生壁合成［15］、細胞擴增［16］、葉片衰老［17］及果實成熟［18］等。最新研究表明NAC轉錄因子可以通過參與多種激素代謝途徑調控植物生長發(fā)育。Huang等［14］確定了一個赤霉素（GA）信號級聯(lián)，調節(jié)水稻的次生壁纖維素合成。NAC29/31和MYB61是水稻中的纖維素合成酶基因（CESA）調節(jié)劑，NAC29/31直接調節(jié)MYB61，后者反過來激活CESA表達；SLENDER RICE1（SLR1）是GA信號傳導的關鍵阻遏物，與NAC直接相互作用，NAC-MYB-CESA信號被SLR1-NAC29/31所阻斷。GA信號通過減弱SLR1和NAC之間的相互作用來促進纖維素合成。NAC轉錄因子還可以通過可選擇的剪接實現(xiàn)對木材形成期間纖維細胞壁增厚等過程的調節(jié)。

毛果楊（Populus trichocarpa）的NAC轉錄因子PtrWND1B在次生木質部纖維細胞中發(fā)生可變剪接。兩種PtrWND1B亞型在調控楊樹纖維細胞分化期間細胞壁增厚中起拮抗作用。PtrWND1B-s過表達增強纖維細胞壁增厚，而PtrWND1B-l過表達抑制纖維細胞壁增厚［15］。NAC基因可以受乙烯調節(jié)參與細胞擴增。玫瑰（Rosa hybrida）中的RhNAC100轉錄物由乙烯通過miR164依賴的轉錄后調控進行調節(jié)，RhNAC100的過表達通過抑制花瓣細胞擴增顯著減少了花瓣大?。?6］。NAC家族的多個成員在擬南芥和其他植物物種中的葉子衰老調節(jié)中起作用。Ma等［17］發(fā)現(xiàn)番茄（Solanum lycopersicum）中ABA激活的NAC轉錄因子SlNAP2通過直接控制衰老相關基因SlSAG113和葉綠素降解相關基因SlSGR1和S1PAO的表達以及自我調節(jié)ABA含量，調控葉片衰老和果實產量。并且這種NAP調控機制在單子葉和雙子葉中是高度保守的。水稻NAC轉錄因子OsNAC2直接激活葉綠素降解基因（OsSGR和OsNYC3）導致葉綠素水平降低、直接上調ABA生物合成基因（OsNCED3和OsZEP1）以及下調ABA分解代謝基因（OsABA8ox1）的表達而導致ABA水平的增加，最終加速葉片衰老［19］。

NAC轉錄因子還參與果實成熟的各個方面，研究發(fā)現(xiàn)AaNAC2、AaNAC3和AaNAC4結合獼猴桃萜合成酶1（AaTPS1）啟動子，促使軟棗獼猴桃（Actinidia arguta）果實中積累較多的單萜揮發(fā)物［18］。擬南芥JUB1可以抑制細胞內H2O2水平，降低衰老相關基因的水平，強烈延長植物壽命［20］。擬南芥轉錄因子ANAC087和ANAC046在柱狀層和次生根中參與程序性細胞死亡的不同方面的調節(jié)［21］。

2.2 NAC轉錄因子在非生物脅迫中的功能

NAC轉錄因子是植物應激反應過程中復雜信號傳導的重要組成部分?？紤]到來自不同植物的相對大量的NAC轉錄因子及其在復雜環(huán)境刺激下的未知和多樣化作用，揭示其在非生物脅迫中的作用仍然是一個相當大的挑戰(zhàn)。最近的一些新證據證實了NAC轉錄因子在調控與植物非生物反應相關的轉錄重編程中發(fā)揮的積極作用。

2.2.1 NAC轉錄因子對干旱脅迫的響應 番茄JUNGBRUNNEN1（JUB1）直接結合SlDREB1、SlDREB2和SlDELLA的啟動子，增加了番茄的耐旱性。JUB1作為耐旱的轉錄調節(jié)因子，控制非生物脅迫相關基因的調控網絡在擬南芥和番茄中相當保守［22］。擬南芥ANAC096與bZIP型轉錄因子ABRE結合因子和ABRE結合蛋白（ABF/AREB）合作以激活ABA誘導基因幫助植物在脫水和滲透下存活［23］。Wu等［24］發(fā)現(xiàn)枸橘（Poncirus trifoliata）中PtrNAC72是腐胺生物合成的阻遏物，并且可能通過調節(jié)腐胺相關的活性氧穩(wěn)態(tài)而負面調節(jié)干旱脅迫響應。甘藍輪枝菌（Verticillium longisporum）侵染擬南芥誘導束鞘細胞轉分化成木質部，VND6和VND7在轉分化中發(fā)揮關鍵作用并伴隨植物耐旱性增加［25］。苜蓿（Medicago falcata）在干旱脅迫下，MfNACsa去棕櫚酰化移位至細胞核，結合MtGlyl啟動子，通過維持谷胱甘肽庫處于還原狀態(tài)而導致耐旱性［26］。

2.2.2 NAC轉錄因子對鹽脅迫的響應 Liu等［27］發(fā)現(xiàn)鹽芥中獲得的TsNAC1（擬南芥ANAC072的同系物）能夠靶向一種重要的質子轉運蛋白TsVP1，TsVP1利用來自PPi水解的能量與H+-ATPase合作將H+轉移到液泡或細胞外環(huán)境中來提高植物的耐鹽性，而擬南芥中AVP1對鹽脅迫無反應，并且不受ANAC072的正調控，TsNAC1和ANAC072之間的這些差異有助于解釋擬南芥和鹽芥之間耐鹽性的差異。Ana等［28］發(fā)現(xiàn)了一種新的“MdNAC047-MdERF3-乙烯-鹽耐受性”調節(jié)途徑，MdNAC047直接與MdERF3（乙烯反應因子）啟動子結合并激活其轉錄，促進乙烯的釋放并賦予植物耐鹽性，為乙烯和鹽脅迫之間的聯(lián)系提出了新見解。

2.2.3 NAC轉錄因子對溫度脅迫的響應 在單子葉植物和雙子葉植物中保守的C重復基序結合因子（CBF）在調節(jié)大量冷相關（COR）基因中起至關重要的作用，在冷信號網絡中充當中心樞紐［29］。一些研究表明，NAC轉錄因子參與了CBF-COR途徑。例如，GmNAC20通過直接結合DREB1A的啟動子并抑制DREB1C的表達來調節(jié)COR并介導應激耐受［30］；MaNAC1通過與MaCBF1相互作用參與冷應激［29］。這表明NAC-DREB/CBF-COR為重要的信號級聯(lián)，調節(jié)植物對低溫脅迫的反應。至今，熱應激反應研究有限，僅有為數(shù)不多的NAC基因被證實響應植物的高溫脅迫。例如，小麥（Triticum aestivum）TaNAC2L可通過調節(jié)應激反應基因的表達來改善耐熱性［31］。Fang等［32］報道了一種應激反應的 NAC基因SNAC3，其可以直接靶向ROS相關酶基因，通過調節(jié)ROS穩(wěn)態(tài)來賦予熱脅迫耐受性。

2.3 NAC轉錄因子對生物脅迫的響應

大多數(shù)報道表明NAC轉錄因子是植物免疫系統(tǒng)，基礎防御和系統(tǒng)獲得性抗性方面的核心組成部分，這是一個活躍的研究領域［33］。ATAF2由于抑制發(fā)病相關（PR）基因表達導致對尖孢鐮刀菌的易感性增加［34］。與ATAF2不同，ATAF1可通過假設的負調節(jié)因子間接調節(jié)PR基因的抑制作用，提高對強毒白粉菌的抗性和提高抗穿透性［35］，表明ATAF亞家族調節(jié)不同的病原體顯然具有保守但非冗余的功能。Huang等［33］發(fā)現(xiàn)番茄中6種NAC轉錄因子對番茄黃葉卷曲病毒感染有反應，這些轉錄因子還與其他蛋白質相互作用，包括蛋白磷酸酶和絲裂原活化蛋白激酶以及轉錄因子。NAC和其他轉錄因子之間存在的調節(jié)途徑可能是植物應對病原體感染的機制的重要組成部分。JA反應性SNAC因子可能在生物和非生物脅迫反應中起作用是合理的。番茄中兩種同源NAC轉錄因子JA2和JA2L通過不同的機制差異調節(jié)病原體誘導的氣孔關閉和重新開放［36］。

2.4 NAC轉錄因子的其他功能

除了在植物生長發(fā)育以及一些常見脅迫中發(fā)揮重要作用外，NAC轉錄因還具有諸多功能。ANAC78和ANAC53蛋白是蛋白酶體應激調節(jié)的中心調節(jié)劑，它通過提供足夠的26S蛋白酶體和其他蛋白質穩(wěn)態(tài)因子來減輕蛋白質毒性應激［37］。ANAC013通過與線粒體功能障礙基序順式調節(jié)元件的直接相互作用介導線粒體逆行信號并增加氧化應激耐受性［38］。ANAC017在線粒體功能障礙期間激活AOX1a的轉錄，介導H2O2誘導的轉錄本豐度的變化，從而整合順行和逆行調節(jié)途徑［39］。ZmNAC84被鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶磷酸化，激活下游基因參與ABA誘導的抗氧化防御［40］。Hofmann等［41］發(fā)現(xiàn)SHYG（ANAC047）在洪澇脅迫下激活下游靶標ACO5來促進乙烯生物合成，通過涉及乙烯的正反饋回路改變了葉柄的角度，保持葉子與空氣接觸，在洪澇響應中起作用。小麥TaNAC2-5A可直接結合編碼硝酸鹽轉運蛋白和谷氨酰胺合成酶的基因的啟動子區(qū)域，提高根系生長和硝酸鹽流入速率，從而提高了根系獲得氮的能力并具有較高的籽粒產量［42］。擬南芥NAC1轉錄因子基因特異性表達以響應葉片外植體中的傷口，并在根尖再生中發(fā)揮作用［43］。

3 結論與展望

為揭示NAC轉錄因子的作用而進行的科學研究已經證明，這類轉錄調節(jié)因子在植物生長發(fā)育、響應非生物脅迫和生物脅迫中都有明顯的參與，具有廣闊的應用前景?；蚬こ涛磥響撆ξ⒄{特定時間和空間模式中關鍵NAC轉錄因子的表達，以最大限度對植物生長和產量產生正面影響。

NAC轉錄因子的研究主要集中在擬南芥、番茄、水稻等模式植物，對非模式植物研究較少。而且大部分NAC轉錄因子尚處于基因克隆、鑒定和功能初步分析層面。除了挖掘出更多NAC功能基因外，未來的研究重點還應該放在確定NAC下游（如直接或間接調控的基因）或上游（如信號分子）的遺傳組分，這將有助于提供它們參與不同信號轉導通路更多的證據，全面認識其調控網絡。此外，為了使NAC蛋白質發(fā)揮其作用優(yōu)勢，研究蛋白質-蛋白質相互作用將為闡明植物在生長發(fā)育和逆境脅迫下的生理、生化過程的分子機制提供新的線索和切入點。