鹿宏麗付嘉智武鵬雨龍國輝張銳

(1.新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300；3.南疆特色果樹高效優(yōu)質栽培與深加工技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，新疆 阿拉爾 843300)

前言

植物的生長離不開轉錄因子對基因的調控，WRKY轉錄因子存在于高等植物各個生長發(fā)育過程中，因整個WRKY基因家族都具有保守的由WRKYGQK氨基酸殘基形成的序列而得名。WRKY基因對植物生長發(fā)育、休眠、調控木質素生物合成以及抗逆等過程起到重要調控作用[1]。

隨著分子技術水平的不斷提升，越來越多該基因家族成員被鑒定并進行了克隆和表達。第1個被克隆的WRKY家族的成員是甘薯中的SPF1[2]。多數植物鑒定得到的WRKY基因家族成員的數量一般在50～90左右，但如蘋果、楊樹WRKY基因家族成員相對較多，超過100個[3-12]。WRKY轉錄因子具有特殊的DNA結合域，含有1個或2個由60個氨基酸組成的WRKY保守序列，該序列N端含有由色氨酸、精氨酸等7個氨基酸殘基組成的WRKY七肽，C端是具有C2H2型或C2HC型鋅指結構[13]。雖然絕大多數植物中WRKY基因家族成員該序列是絕對保守的，但近年來發(fā)現有些植物WRKY基因家族部分成員的WRKY保守序列中出現了N端保守序列氨基酸殘基的缺失、替換或C端鋅質結構的缺失[4]。除此之外，WRKY轉錄因子作為轉錄因子還含有核信號定位區(qū)(NLS)、轉錄調控區(qū)、亮氨酸拉鏈以及各種氨基酸富集區(qū)等結構域[14]。以WRKY保守序列作為依據，可將植物WRKY基因家族分為3種類型。N端有2個WRKY七肽保守序列和C端為C2H2型的鋅質結構的為第1類；N端只有1個WRKY七肽保守序列，同樣C端為C2H2型的鋅質結構的為第2類，其中根據氨基酸數量的差異又細分為a、b、c、d、e 5個亞類；第3類N端含有1個WRKY七肽保守序列，而C端鋅質結構為C2HC型。植物WRKY基因家族成員相對來說第2類居多，而Ⅱ-c的成員數明顯多于其它亞組，合理的分組歸類也有利于分析植物WRKY轉錄因子的調控功能[7,8,15]。本文綜述了WRKY基因家族的結構和分類，分析了該基因家族成員在各類植物中所起到的調控作用。為日后明晰WRKY基因家族功能提供借鑒。

1 對植物生長發(fā)育的調控

WRKY轉錄因子結構的多樣性為調控植物生長發(fā)育以及抗逆響應提供了基礎[14]，WRKY轉錄因子通過其保守結構域與靶基因啟動子上的W-box特異性結合，來實現基因對植物生長發(fā)育和抗逆的調控功能[16]。

WRKY轉錄因子存在于植物生長發(fā)育的各個過程，細胞器構成、矮化、開花、結果、休眠、衰老。

1.1 對細胞器構成的影響

WRKY基因家族成員參與調控植物的細胞器構成。張高原等人對甜瓜進行基因本體分析發(fā)現，甜瓜中所含的59個WRKY基因中，就有58個該基因家族成員參與甜瓜細胞及細胞器構成，其中有3個參與細胞膜構成[11]。木質素是構成核果類內果皮、植物果肉和石細胞等的重要組成成分[17]，能夠增強細胞壁的機械強度，對果肉形成物理屏障，避免果肉磕碰，隔絕病菌入侵，同時參與植物的生長發(fā)育，促進植物的分生、光合以及根系發(fā)育，提高果實品質和產量[18]。植物生長發(fā)育過程中的細胞壁、毛狀根、核果類內果皮以及梨石細胞的生成都與木質素積累密切相關。有實驗證明，WRKY基因家族成員在木質素合成中起調控作用。Wang等人以分離莖組織生物量密度增加的紫花苜蓿和擬南芥為材料，研究WRKY基因調控木質素合成的機理。分析發(fā)現，其突變是由莖表達的WRKY轉錄因子(TF)基因斷裂引起的，上調了編碼NAM、ATAF1/2、CUC2(NAC)和CCCH型鋅指TFs的下游基因，從而激活了次生壁合成[19]。通過在擬南芥、楊樹等植物中對WRKY轉錄因子的功能研究，發(fā)現當對WRKY基因進行過表達時，會造成木質素合成途徑中的關鍵酶CAD、F5H4表達上調；PAL、4CL、C3H、HCT表達下調。同樣，通過對克隆獲得的楊樹PtrWRKY36、PtrWRKY25進行轉基因，所獲得的過表達植株出現生根緩慢、葉片狹小等現象，證明了WRKY基因負向調控木質素的生物合成[20,21]。但在菘藍IiWRKY34和葡萄VqWRKY52通過實驗分析發(fā)現，過表達株系中木質素合成途徑相關基因加強了，這2個基因的表達與木質化程度呈正相關[22,23]。

1.2 對植株生長的影響

植株矮化對于果樹是一種優(yōu)勢性狀，既能減少不必要的養(yǎng)分消耗也更方便采收。在對擬南芥、水稻進行研究時，認為矮化是因赤霉素、細胞分裂素等生長素運輸受阻引起的，在蘋果中發(fā)現MdWRKY9基因通過抑制油菜素甾體(BR)限速合成酶的轉錄和減少BR的產生調控植株矮化。同時將克隆得到的水稻OsWRKY11和蘋果MdWRKY9，進行超表達后，發(fā)現所獲得的轉基因植株高度明顯降低[24-26]。

1.3 對植物開花結實的影響

WRKY轉錄因子可與相關蛋白家族如擬南芥DELLA蛋白家族互作，或直接與開花基因啟動子W-box結合，誘導開花基因表達。從而上調FT、SOC1、CO、API、LFY、FUL等開花基因促進開花。擬南芥WRKY家族中WRKY12、WRKY13、WRKY25、WRKY71、WRKY75，茉莉基因家族成員WRKY25和WRKY20等WRKY基因家族成員均參與開花調控。有研究表明，WRKY主要存在于開花植物中[16,27]。在果實發(fā)育過程中WRKY基因隨著果實的成熟表達量顯著升高。西瓜WRKY基因家族中超過56個成員在果實中均有表達，而通過對克隆獲得的草莓FvWRKY71不同發(fā)育階段表達模式的檢測發(fā)現，該基因主要在果實中表達[28,29]。

1.4 對植物休眠衰老的影響

通過對桃PpWRKY11以及荔枝LcWRKYs進行克隆分析，發(fā)現在休眠時期均表現為高表達量，而一旦解除休眠表達量迅速降低。表明WRKY轉錄因子與植物休眠相關[30,31]。WRKY基因家族成員能夠激活成熟衰老相關基因SAG1的啟動子活性，來參與果實成熟衰老過程。在香蕉、番茄的成熟果實中，WRKY基因的表達量明顯上調，表明這些轉錄因子正調控果實的衰老進程[23,24]。而在擬南芥中AtWRKY45能和DELLA蛋白RGL1互作，正向調控葉片衰老[32-34]。

2 對逆境脅迫的調控

當前研究表明，大部分WRKY轉錄因子在逆境脅迫中發(fā)揮重要作用。當植物面對干旱、低溫、冷害、鹽害和外源激素以及病蟲害威脅時，WRKY轉錄因子在植物應激過程中具有一定的調控功能[13]。

2.1 應對非生物脅迫的作用

在對蘋果、葡萄等植物WRKY基因家族成員進行研究時發(fā)現，這些基因同時對多種逆境進行調控。通過對WRKY轉錄因子在植物遭遇脅迫時的表達量的變換，可以驗證WRKY基因在植物逆境中的調控能力。通過脫落酸、水楊酸等激素溶液、NaCl溶液以及低溫對基因進行處理來觀察蘋果MaWRKY26和葡萄VaWRKY1基因的表達量，同時能夠對這些處理產生不同程度的響應。隨著生物技術的不斷更新，現在可以通過分子手段對基因進行鑒定，從而預測基因功能。WRKY基因組啟動子中存在多種順式作用元件，如蘋果MdWRKY53基因啟動子上存在ABA、低溫、干旱等脅迫的順式作用元件，因此認為該基因能夠對ABA、低溫和干旱進行響應[35]。

2.2 應對生物脅迫的作用

WRKY轉錄因子處于植物病原菌互作通路下游的重要位置，通過調控某些抗性基因的表達，來參與植物的抗病反應。可通過參與激素信號通路，植物生長調節(jié)物質JA、SA等，對植物抗病具有一定的調控作用。在受到病原菌侵染后，對葡萄VvWRKY1、芍藥PlWRKY13和PlWRKY65進行過表達或沉默處理，發(fā)現WRKY基因能夠激活JA、SA與ABA途徑相關基因啟動子，且參與了這3種激素介導的抗病信號途徑，進而增強植株抗性[36,37]。昆蟲取食或病原菌侵染后，植物細胞內的黃酮、萜類等次生代謝產物被誘導大量合成。在研究桃樹PpWRKY基因時發(fā)現，WRKY轉錄因子正向調控萜類和黃酮類物質的合成，參與植物抗蟲網絡。同時在對草莓、蘋果的研究中發(fā)現，在感染病菌后草莓FAWRKY1和蘋果MdWRKY40基因均出現表達上調[38]。WRKY基因也通過與其它轉錄因子相互作用抑制病菌感染。研究證明，紅皮梨果實通過PyWRKY26和PybHLH3的相互作用共同靶向激活PyMYB114啟動子，從而導致花青素在紅皮梨中積累，進而抑制黑曲霉侵染[39]。

3 總結與展望

WRKY基因家族廣泛存在于植物整個生長發(fā)育過程，對木質素合成調控以及抗逆過程起到至關重要的作用。隨著生物技術的不斷發(fā)展，通過對各類植物的WRKY基因家族成員的功能驗證，WRKY轉錄因子在植物中的研究取得了一定進展，為探索WRKY調控機制奠定了基礎。但由于WRKY轉錄因子參與的網絡調控途徑十分復雜，且WRKY基因種類繁多,廣泛存在于各類植物之中，在調節(jié)重要的生物學功能的分子機制和功能方面還需進一步研究。未來，將會有更多的WRKY基因家族成員功能被發(fā)掘，同時實現WRKY基因家族在各個植物生理過程的調控網絡以及功能特性的驗證。