張 磊

(東北林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

SPL(SQUAMOSA promoter-binding protein-like)是一類植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，存在于所有綠色植物中，包括單細(xì)胞綠藻、苔蘚、裸子植物和被子植物。SPL蛋白均具有含76個氨基酸的高度保守區(qū)段，以此結(jié)構(gòu)同下游靶基因啟動子區(qū)域結(jié)合，調(diào)控靶基因的表達(dá)，被命名為SBP結(jié)構(gòu)域。SBP結(jié)構(gòu)域包含一個鋅指結(jié)構(gòu)和一個核定位信號，參與轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)入細(xì)胞核，并與含有GTAC的核心基序及其兩側(cè)DNA區(qū)域特異性結(jié)合。同時大部分SPL具有miR156/157的結(jié)合位點，在轉(zhuǎn)錄后水平受到miR156/157的調(diào)控。

SPL轉(zhuǎn)錄因子首先是Huijser等從金魚草(Antirrhinum majus)中克隆得到的，當(dāng)時發(fā)現(xiàn)了2個密切相關(guān)的AmSBP1和AmSBP2基因，二者可與花分生組織特征基因SQUAMOSA(SQUA)的啟動子結(jié)合，被命名為Squamosa啟動子結(jié)合蛋白(Squamosa promoter Binding Protein，SBP)。之后，先后在擬南芥和苔蘚中進(jìn)行了SBP轉(zhuǎn)錄因子家族的cDNA克隆，發(fā)現(xiàn)在這2個植物中有多個SBP轉(zhuǎn)錄因子基因拷貝。隨著研究深入，已在多種植物中鑒定到SPL轉(zhuǎn)錄因子，如在樹棉(Gossypium arboreum)、雷蒙德式棉(G.raimondii)、海島棉(G.barbadense)和陸地棉(G.hirsutum)分別鑒定到29、30、59和59個SPL家族成員；人參(Panax ginseng C.A.Meyer)中有106個PgSPLs；胡楊(Populus euphratica Oliv.)中則有33個PeuSPLs。研究表明，SPL在植物發(fā)育中具有多樣性的功能，如參與植物發(fā)育階段轉(zhuǎn)變、花和果實發(fā)育、孢子發(fā)生、赤霉素信號傳遞、植株形態(tài)建成以及對銅和真菌毒素的反應(yīng)等多種生物學(xué)過程。

1 SPL轉(zhuǎn)錄因子在植物發(fā)育中的功能

1.1 參與花發(fā)育調(diào)控

miR156-SPL模式參與調(diào)控植物開花時間最早是由DetlefWeigel等發(fā)現(xiàn)的。目前的研究中發(fā)現(xiàn)，miR156與SPL在調(diào)控開花時間中起著相反的作用，不論在長日照還是短日照條件下，miR156的過表達(dá)都會引起開花時間的延遲，而SPL則促進(jìn)植物開花；分析擬南芥SPL基因家族，SPL3、SPL4和 SPL5最有可能在開花時間和時相轉(zhuǎn)變中發(fā)揮作用；SPL3、SPL9的高表達(dá)會促進(jìn)開花，而通過過表達(dá)miR156降低SPL的活性則會延遲開花的起始[1]；At SPL10過表達(dá)會提前開花，而SPL10及2個同源基因SPL2、SPL11的三突變體的開花時間要明顯晚于野生型，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),SPL10與下游基因MED25存在調(diào)控關(guān)系共同作用于下游開花相關(guān)基因FUL和LFY[2]；柳枝稷(Panicum virgatum L.)中SPL7和SPL8通過直接上調(diào)SEPALLATA3(SEP3)和MADS32調(diào)節(jié)開花時間，過表達(dá)SPL7和SPL8能夠使開花提前，而抑制表達(dá)則會延遲開花甚至不開花[3]；SPL13可以通過靶向調(diào)控MYB112在紫花苜蓿的生殖發(fā)育中起作用，沉默SPL13的表達(dá)導(dǎo)致開花延遲；另外光敏色素A信號FAR-RED ELONGATED HYPOCOTYL3(FHY3)和 FAR-RED IMPAIRED RESPONSE1(FAR1)通過整合環(huán)境光信號和miR156-SPL模式介導(dǎo)的年齡途徑調(diào)控開花，F(xiàn)HY3和FAR1直接與SPL3、SPL4和SPL5相互作用抑制其與開花關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因的結(jié)合，延遲開花。

1.2 參與脅迫應(yīng)答

1.2.1 非生物脅迫

植物生長在復(fù)雜多變的環(huán)境中，這些環(huán)境時常會限制或不利于植物的生長及發(fā)育。這些不利的環(huán)境條件包括生物脅迫，如病原侵害和食草動物的取食；非生物脅迫，如干旱、高溫、寒冷、養(yǎng)分的缺乏、高鹽及有毒金屬的侵害。其中,干旱、鹽脅迫、溫度脅迫是影響自然界植物分布、限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量、威脅糧食安全的主要因素。

越來越多的證據(jù)表明，SPLs是植物非生物脅迫耐受性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，高度保守的miR156/SPL模式似乎平衡了植物的生長發(fā)育和脅迫應(yīng)答。SPL家族的全基因組圖譜研究表明，在植物中，SPLs對鹽、干旱、冷熱脅迫有許多響應(yīng)ADDIN。在鹽/干旱脅迫反應(yīng)中，其中一些SPLs通過調(diào)節(jié)參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因的豐度、活性氧清除、POD/SOD富集、脯氨酸合成、花青素代謝而參與了鹽/干旱脅迫響應(yīng)。

已有研究表明，miR156通過調(diào)控下游靶基因SPLs，影響次生代謝產(chǎn)物的累積，進(jìn)而提高擬南芥(Arabidopsis thaliana)對脅迫的耐受能力；共表達(dá)分析顯示，擬南芥AtSPL基因的表達(dá)與防御應(yīng)答通路中應(yīng)對各種生物和非生物脅迫的相關(guān)基因表達(dá)顯著相關(guān)；對其進(jìn)行更深入的研究發(fā)現(xiàn)，miR156、SPL9及DFR的合作機(jī)制，協(xié)調(diào)植物發(fā)育和脅迫耐受過程；在擬南芥中，沉默miR156靶向的SPL2、SPL9、SPL11基因，改善了對熱、鹽、干旱脅迫的恢復(fù)能力；類似的結(jié)果在miR156/SPL3擬南芥開花時間和熱應(yīng)激記憶的研究中也有發(fā)現(xiàn)。在紫花苜宿(Medicago sativa.)中也發(fā)現(xiàn)了與擬南芥類似的合作機(jī)制，即miR156/SPL模式與WD40-1/DFR相互作用，協(xié)調(diào)與次生代謝相關(guān)基因表達(dá)，增加對干旱的耐受能力；也有研究發(fā)現(xiàn)其通過沉默SPL13的表達(dá)水平增強(qiáng)耐旱能力[4]；對玉米(Zea mays)的31個ZmSPLs基因的初步表達(dá)分析顯示，其表達(dá)可能受到多種環(huán)境刺激的影響，包括干旱、寒冷、鹽以及脫落酸等；水稻(Oryza sativa)中miR156靶向調(diào)節(jié)SPLs，增強(qiáng)對鹽、干旱脅迫等的恢復(fù)能力，通過調(diào)節(jié)花青素代謝，敲除miR156和過表達(dá)SPL9的轉(zhuǎn)基因株系表現(xiàn)出相反的表型；越來越多的證據(jù)表明，miR156/SPL模式在陸地植物中高度保守，似乎是植物生長(生物量/產(chǎn)量/開花時間)和改善抗逆性的有效分子工具。一個典型的例子，SPL8的表達(dá)下調(diào)提高了轉(zhuǎn)基因苜蓿的生物量、產(chǎn)量和耐鹽性，表明miR156靶向的SPL8在豆科植物育種中具有很大的潛力。華東葡萄(Vitis pseudoreticulata)的VpSBP16基因在擬南芥中過表達(dá)，通過調(diào)節(jié)對鹽敏感的SOS和ROS信號提高其在種子萌發(fā)、幼苗和成熟植株中對干旱和鹽脅迫的耐受能力[5]；在溫度脅迫下對茶樹(Camellia sinensis)CsSBPs表達(dá)模式進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，CsSBPs參與溫度脅迫對抗過程，其中CsSBP8對高溫脅迫下花青素的累計具有積極作用[6]。在高大喬木白樺中，BpSPL9基因通過促進(jìn)ROS的清除提高對干旱和鹽脅迫的耐受能力[7]；蘋果(Malus domestica)中miR156a過表達(dá)會降低對鹽的抗性，而過表達(dá)MdSPL13則會表現(xiàn)出相反的作用[8]。

1.2.2 生物脅迫

病蟲害是威脅植物生長發(fā)育的又一重要因素，已有報道稱SPL轉(zhuǎn)錄因子可以參與響應(yīng)生物脅迫。NtabSPL6-2基因在抵御病原菌中起作用，接種丁香假單胞桿菌后NtabSPL6-2轉(zhuǎn)基因擬南芥感病癥狀更輕，存在一定的抗性反應(yīng)，同樣的情況在接種灰霉菌后也被觀察到[9]；茉莉酸甲基轉(zhuǎn)移酶(jasmonic acid carboxylmethyltransferase，JMT)是茉莉酸甲酯(methyl Jasmonate，MeJA)合成過程中的關(guān)鍵酶，而MeJA在植物抗病中有重要作用；AtJMT的表達(dá)量上調(diào)會抑制AtSPL2的表達(dá)，由此推測AtSPL2可能通過茉莉酸途徑參與調(diào)控植物抗病[10]。

1.3 參與根發(fā)育

根是維持植物固著生長，吸收水、汲取營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，一般包括由胚根延伸形成的主根(Primary Root，PR)，起始于已有根的中柱鞘細(xì)胞的側(cè)根(Lateral Root，LR)，受洪水、晝夜轉(zhuǎn)換、機(jī)械損傷、施加激素等誘導(dǎo)形成的不定根(Adventitious Root，AR)。研究發(fā)現(xiàn)，SPLs基因家族在不同植物中對根的發(fā)育表現(xiàn)出多樣性的影響。在擬南芥中，過表達(dá)SPL3、SPL9和SPL10對側(cè)根的生長起到了抑制作用，其中SPL10發(fā)揮主導(dǎo)作用，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，miR156/SPL模式只影響根原基萌發(fā)的速率而不影響根原基的起始過程；隨后對AtSPL10的下游靶基因進(jìn)行驗證，AtSPL10與AtAGL79的啟動子直接結(jié)合，共同調(diào)節(jié)擬南芥的根發(fā)育[11]；Barrera-Rojas等則發(fā)現(xiàn)，高表達(dá)水平的miR156會使得擬南芥根分生組織變小，主根長度變短，SPL10突變體的分生組織活性降低[12]；同樣作為模式植物，水稻中的OsSPL3基因突變體lcrn1表現(xiàn)為冠根數(shù)量減少[13]；過表達(dá)丹參(Salvia miltiorrhiza)SmSPL6基因能抑制側(cè)根的形成，促進(jìn)主根的伸長；核桃(Juglans regia L.)的JrSPL7.2表現(xiàn)出同樣的功能，異源轉(zhuǎn)化煙草顯著抑制不定根和側(cè)根的形成，促進(jìn)主根的生長；小金海棠(Malus xiaojinensis)中，MdSPL26與受外源激素IBA誘導(dǎo)的MxTIFY9相互作用，共同抑制MxHB13的表達(dá)，MxHB13則與MxABCB19-2的啟動子結(jié)合構(gòu)成調(diào)控通路調(diào)節(jié)插穗生根[14]；番薯(Ipomoea batatas)的IbSPL17和IbSPL28在根發(fā)育過程中高表達(dá)，聚類分析顯示4個IbSPLs基因，IbSPL16、IbSPL17、IbSPL21和IbSPL28都參與到了調(diào)節(jié)根的形態(tài)發(fā)生過程中[15]。

2 展望

SPL轉(zhuǎn)錄因子在植物花發(fā)育、應(yīng)答脅迫等過程中發(fā)揮重要作用。目前，對SPL家族的研究多集中在模式植物中，大部分物種的SPL基因家族鑒定工作仍未完成，所以SPL在植物中的數(shù)量及結(jié)構(gòu)等進(jìn)化機(jī)制尚不清晰。研究顯示，SPL能夠參與脅迫應(yīng)答，隨著測序和實驗技術(shù)不斷進(jìn)步，SPL在脅迫中的潛在作用機(jī)制有待挖掘，這對利用分子技術(shù)手段培育具有耐旱、耐鹽、抗病等生長優(yōu)勢的新品種意義重大；根系是植物吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，限制林木扦插繁殖的一個重要因素是生根難，甚至不生根。SPL可以調(diào)控植物根的形成，這為研究難生根林木的根形成的分子機(jī)制提供了思路和基因資源，對促進(jìn)林木優(yōu)良品種推廣及大面積種植具有重要意義和價值。