曾慧玲, 蒲巧賢, 莫祖意, 范 凱, 林文雄, 李兆偉

(福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

鱗狀細(xì)胞啟動子結(jié)合蛋白樣(squamosa promoter-binding protein-like, SPL)是植物特有的轉(zhuǎn)錄因子，最早發(fā)現(xiàn)于金魚草花序中[1]，其氨基酸序列中存在鱗狀細(xì)胞啟動子結(jié)合蛋白(squamosa promoter-binding protein, SBP) 結(jié)構(gòu)域，能識別MADS-box的squamosa啟動子并與之結(jié)合[2]。目前，已陸續(xù)從擬南芥[3]、小麥[4]、大麥[5]、棉花[6]、柑橘[7]、毛竹[8]和草莓[9]等植物中發(fā)現(xiàn)SPL轉(zhuǎn)錄因子。Chen et al[10]研究發(fā)現(xiàn)，SPL轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)控植物腋芽分化、葉片發(fā)育、植株分蘗、花粉育性、開花期以及逆境響應(yīng)與激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等方面發(fā)揮著重要作用。Ma et al[11]研究表明，MdSPL13過表達(dá)增強了蘋果的抗鹽性；Li et al[12]認(rèn)為，TaSPL13和TaSPL15基因可能參與小麥的穗發(fā)育和種子發(fā)育。

水稻是基因組數(shù)據(jù)量最小的農(nóng)作物，與玉米、小麥、大麥等禾谷類作物存在廣泛的共線性，已成為禾谷類作物基因組與基因功能研究的重要模式植物[13]。因此，本文綜述了SPL轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點及其對水稻生長發(fā)育與逆境響應(yīng)過程中的分子生態(tài)作用機制，以期為水稻品種培育提供參考。

1 SPL轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)特點

轉(zhuǎn)錄因子又稱反式作用元件，是真核生物中的一類DNA結(jié)合蛋白，可與靶基因啟動子區(qū)域的順式作用元件專一性結(jié)合，激活或抑制靶基因表達(dá)[14]。SPL轉(zhuǎn)錄因子序列中含有SBP結(jié)構(gòu)域，約由76個氨基酸殘基構(gòu)成，負(fù)責(zé)識別并結(jié)合靶基因的squamosa啟動子序列，調(diào)控下游靶基因表達(dá)。SBP結(jié)構(gòu)域包含重復(fù)序列區(qū)域[14]、鋅指結(jié)構(gòu)域[15]和核定位信號序列(nuclear localization signal, NLS)[16]。重復(fù)序列區(qū)域可與靶基因的GTAC核心序列結(jié)合[14]；鋅指結(jié)構(gòu)域包含8個半胱氨酸或組氨酸，分別由4個氨基酸殘基結(jié)合1個鋅離子，其中C端組分為Cys-Cys-His-Cys，N端組分為Cys-Cys-Cys-His或Cys-Cys-Cys-Cys[17]，由鋅離子維持構(gòu)象的穩(wěn)定性，為SBP結(jié)構(gòu)域提供結(jié)合能力[15]。

不同物種的SPL轉(zhuǎn)錄因子家族成員數(shù)目存在差異，如擬南芥[18]、寡甘菊[19]、柑橘[7]和草莓[9]分別有17、14、15和14個SPL轉(zhuǎn)錄因子成員。Cai et al[6]通過全基因組關(guān)聯(lián)分析，在樹棉、雷蒙德氏棉、海島棉、陸地棉等4種棉屬植物中共鑒定到177個SPL轉(zhuǎn)錄因子。此外，蘋果[20]、毛竹[8]、小麥[4]、大麥[5]、人參[21]及矮牽牛[22]中也相繼發(fā)現(xiàn)SPL轉(zhuǎn)錄因子。Xie et al[17]在水稻中發(fā)現(xiàn)19個OsSPL轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控基因分別位于10條染色體上，其在序列結(jié)構(gòu)和長度上存在較大差異，但最終編碼的氨基酸序列都含有典型的SBP結(jié)構(gòu)域。

2 水稻SPL轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)調(diào)控

水稻中有11個OsSPL轉(zhuǎn)錄因子的基因編碼區(qū)具有與非編碼單鏈RNA(OsmicroRNA)片段互補的序列，含OsmiRNA識別位點[17]。OsSPL基因轉(zhuǎn)錄形成的mRNA能夠被OsmiRNA識別、剪切并降解，進(jìn)而抑制OsSPL的翻譯表達(dá)，調(diào)控植物的生長發(fā)育[23-24]。OsSPL3轉(zhuǎn)錄因子基因編碼區(qū)的5′端含OsmiR156識別位點，Shao et al[25]將OsSPL3基因的OsmiR156識別序列進(jìn)行點突變后，解除了OsmiR156對OsSPL3轉(zhuǎn)錄mRNA片段的互補識別，從而提高OsSPL3的表達(dá)產(chǎn)物。OsSPL14轉(zhuǎn)錄的mRNA也會被OsmiR156定向切割降解，進(jìn)而影響其翻譯過程[26]。Yan et al[27]研究發(fā)現(xiàn)，miR529a序列與OsmiR156有極高的相似性，miR529a通過調(diào)控OsSPL2、OsSPL7、OsSPL14、OsSPL16、OsSPL17以及OsSPL18等6個靶基因的表達(dá)豐度，進(jìn)而調(diào)節(jié)稻穗結(jié)構(gòu)和粒形。

3 SPL轉(zhuǎn)錄因子在水稻中的生物學(xué)功能

3.1 調(diào)節(jié)根系發(fā)育

根系是固定植株的重要器官，也是植物吸收土壤水分與養(yǎng)分的主要組織，對植株地上部生長與組織建成起決定性作用。SPL10轉(zhuǎn)錄因子可與AGL79(agamous-likeMADSboxprotein79)基因啟動子結(jié)合，調(diào)節(jié)AGL79基因表達(dá)，從而影響擬南芥?zhèn)雀l(fā)育[28]。OsSPL3轉(zhuǎn)錄因子影響水稻根系的生長發(fā)育，Shao et al[25]調(diào)查冠根缺失突變體表型發(fā)現(xiàn)，OsSPL3基因的OsmiR156識別位點序列突變后無法抑制OsSPL3的翻譯，轉(zhuǎn)錄因子OsSPL3正調(diào)控下游靶基因OsMADS50的表達(dá)，調(diào)節(jié)生長素轉(zhuǎn)運和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，影響冠根細(xì)胞的正常分化與分裂增殖，抑制冠根發(fā)育。

3.2 影響株型結(jié)構(gòu)

合理的株型結(jié)構(gòu)是水稻獲取高產(chǎn)的重要保障。OsSPL在調(diào)控水稻植株分蘗、穗分枝、株高等農(nóng)藝性狀中發(fā)揮重要作用[27]，是調(diào)控水稻株型結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[29-31]。

3.2.1 分蘗 Luo et al[29]研究OsmiR156切割位點突變的OsSPL14基因功能發(fā)現(xiàn)，突變植株葉原基形成的間隔期延長，分蘗數(shù)減少，使得孕穗開花期提前。水稻營養(yǎng)生長階段，OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)節(jié)葉原基分化，影響分蘗發(fā)生；而生殖生長階段，通過提高OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平，可促進(jìn)稻穗一次枝梗伸長[30]。OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子序列點突變后解除了OsmiR156對其mRNA的剪切調(diào)控，稻株無效分蘗數(shù)減少，從而改善水稻株型結(jié)構(gòu)，增強抗倒伏能力，顯著提高單株籽粒[31]。

3.2.2 株高 Dai et al[32]研究發(fā)現(xiàn)，OsSPL7轉(zhuǎn)錄因子通過miR156f-OsSPL7-OsGH3.8分子通路調(diào)控株高而影響水稻株型結(jié)構(gòu)。OsSPL7轉(zhuǎn)錄因子是miR156f的作用靶標(biāo)，能上調(diào)OsGH3.8啟動子表達(dá)，調(diào)控IAA水平，從而增加稻株分蘗，并降低株高。OsSPL7受OsmiR535調(diào)控，抑制下游穗部相關(guān)基因OsPIN1B、OsDEP1、OsLOG和OsSLR1的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)水稻株高、穗結(jié)構(gòu)和粒形[33]。此外，OsSPL16轉(zhuǎn)錄因子編碼序列錯義突變也會影響植株的株高、花序以及小穗等正常發(fā)育[34]。

3.2.3 葉片 葉原基形成的間隔期是指從莖尖葉原基形成到下一個葉原基形成的間隔時期，反映葉原基分化或葉片形成速率[35]。水稻葉片的生長發(fā)育與葉原基的分化有關(guān)，增強OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)有利于延長水稻葉原基形成的間隔期，減緩葉片形成速率，從而減少葉片數(shù)量[36]。Lee et al[37]研究報道，OsSPL8轉(zhuǎn)錄因子在水稻葉片的葉舌、葉耳以及葉鞘基部區(qū)域表達(dá)水平較高，而OsSPL8轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)缺失會引起葉耳與葉舌異常發(fā)育，導(dǎo)致葉片畸形。過表達(dá)OsSPL14基因會導(dǎo)致水稻旗葉的葉長縮短、葉寬變窄、葉片增厚，且葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量升高，植株的生育期縮短。Xie et al[38]研究發(fā)現(xiàn)，OsmiR156依據(jù)葉齡調(diào)控OsSPL基因表達(dá)，OsmiR156的靶基因OsSPL3、OsSPL12、OsSPL13、OsSPL14和OsSPL17在幼葉中的表達(dá)水平明顯高于老葉，表明隨著葉齡增長，OsmiR156對OsSPL轉(zhuǎn)錄因子的抑制作用增強，OsSPL基因的mRNA翻譯受阻，從而限制葉片組織的生長發(fā)育。

3.2.4 表皮毛 表皮毛是植株表皮組織的一種特化結(jié)構(gòu)，由表皮細(xì)胞分化發(fā)育而來，廣泛分布在葉片、莖稈、花萼等器官表面[39]。水稻表皮毛不僅可以緩解強光對表皮細(xì)胞的灼傷，還與葉片氣孔蒸騰作用、呼吸作用以及產(chǎn)量形成密切相關(guān)[40]。Lan et al[41]研究發(fā)現(xiàn)，OsSPL10轉(zhuǎn)錄因子可調(diào)控水稻表皮毛發(fā)育，敲除OsSPL10基因會導(dǎo)致葉片與穎片產(chǎn)生無表皮毛表型，而過表達(dá)OsSPL10基因的水稻葉片與穎片的表皮毛密度和毛狀體均顯著高于野生型。

3.3 調(diào)控產(chǎn)量性狀

3.3.1 開花期 孕穗與揚花是水稻從營養(yǎng)生長轉(zhuǎn)向生殖生長的重要階段，合理的開花期可提高水稻產(chǎn)量及品質(zhì)[42]。在水稻花器官發(fā)育過程中，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子與DNA特異性結(jié)合，調(diào)控相關(guān)靶基因表達(dá)，受上游MicroRNA調(diào)控，構(gòu)建系統(tǒng)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[43]。水稻的開花期受到OsSPL9-OsmiR528-OsRF12協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)表達(dá)調(diào)控，OsmiR528調(diào)控水稻開花代謝的轉(zhuǎn)錄水平受上游OsSPL9轉(zhuǎn)錄因子的正向表達(dá)調(diào)控，OsRF12轉(zhuǎn)錄因子受OsmiR528水平調(diào)控，通過抑制開花位點來延遲水稻開花[44]。

3.3.2 粒長與粒寬 粒形結(jié)構(gòu)(包括粒長、粒寬和粒厚)是稻米的重要產(chǎn)量性狀之一，主要由水稻自身的遺傳因素決定[45]，也受生殖生長階段的環(huán)境影響[46]。亞洲栽培稻主要分為秈稻和粳稻2個亞種[47]，二者的粒形存在較大差異，粳稻籽粒短而圓，秈稻則長而細(xì)[48-49]。在稻米籽粒形成過程中，α微管蛋白編碼基因OsSRS5(smallandroundseed5)通過調(diào)控稻殼細(xì)胞的伸長而縮短稻米的籽粒長度，而OsSPL13轉(zhuǎn)錄因子負(fù)調(diào)控OsSRS5的表達(dá)水平，因此增強OsSPL13轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平能引起籽粒細(xì)胞的縱向分裂擴張，從而增加稻米粒長[50]。

Pan et al[51]發(fā)現(xiàn)，OsSPL16、 gs5和 gif1通過調(diào)控osmk3來影響小穗殼細(xì)胞增殖，進(jìn)而控制水稻籽粒大小。OsSPL16轉(zhuǎn)錄因子與稻米的粒形結(jié)構(gòu)相關(guān)，通過調(diào)控細(xì)胞分裂增殖來增加稻米的粒寬，并通過抑制細(xì)胞的伸長阻止稻米縱向延長，最終導(dǎo)致稻米變短、變粗[52]。在稻米籽粒形成過程中，OsGW7(grainwidth7)基因促進(jìn)細(xì)胞的縱向分裂，從而促使稻米變得細(xì)長，而OsSPL16轉(zhuǎn)錄因子抑制OsGW7基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，進(jìn)而負(fù)向調(diào)控稻米的粒寬[53]。OsSPL12轉(zhuǎn)錄因子對秈稻粒寬起抑制作用，可直接結(jié)合OsGW5基因啟動子，抑制OsGW5基因的表達(dá)，從而抑制稻米粒寬[54-55]。OsmiR156可以切割OsSPL4轉(zhuǎn)錄的mRNA，而OsmiR156-OsSPL4模塊也可以調(diào)節(jié)水稻的粒徑[56]。

3.3.3 穗粒數(shù)及粒重 Wang et al[57]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子OsSPL14與OsSPL17對稻穗分枝與復(fù)總狀圓錐花序的形成具有調(diào)節(jié)作用，可促進(jìn)穗分枝向小穗分生組織轉(zhuǎn)化。OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子在花序苞片和花序外層組織中呈較高表達(dá)，尤其在幼穗發(fā)育初期，雄蕊原基、內(nèi)稃、外稃以及退化穎片等組織中均有OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)[58]。OsSPL14轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控幼穗分化發(fā)育過程受氮水平影響，適當(dāng)補施氮肥可增加分化小穗數(shù)量，防止小穗退化早衰，提高產(chǎn)量[59]。OsSPL4轉(zhuǎn)錄因子對水稻穗分枝也有顯著影響[60]，還可促進(jìn)細(xì)胞分裂，調(diào)節(jié)小穗的發(fā)育，從而增加穗粒數(shù)，提高產(chǎn)量[56]。Wang et al[61]研究表明，OsSPL6缺陷型植株的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器IRE1被過度激活，導(dǎo)致水稻的穗分化細(xì)胞死亡。OsSPL9通過激活水稻末端花同源基因RCN1在幼穗中的表達(dá)，調(diào)節(jié)穗部分枝和每穗粒數(shù)[62]。Yuan et al[63]發(fā)現(xiàn)，OsSPL18轉(zhuǎn)錄因子通過影響細(xì)胞橫向增殖來調(diào)控小穗殼發(fā)育。OsmiR156干擾OsSPL18基因的表達(dá)翻譯，從而調(diào)節(jié)下游的OsDEP1基因表達(dá)，影響稻穗的著粒密度與穗粒發(fā)育，從而調(diào)節(jié)水稻的穗粒數(shù)和粒重[64]。

3.4 OsSPL轉(zhuǎn)錄因子參與水稻逆境脅迫響應(yīng)

SPL轉(zhuǎn)錄因子與植物的抗逆脅迫有關(guān)。miR156/SPL模塊通過上調(diào)蘋果樹的MdWRKY100轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)而調(diào)控其耐鹽性[11]。OsSPL轉(zhuǎn)錄因子在水稻響應(yīng)逆境脅迫過程中發(fā)揮特定生物功能[65]。Lan et al[41]研究發(fā)現(xiàn)，OsSPL10轉(zhuǎn)錄因子負(fù)調(diào)節(jié)水稻耐鹽性，OsSPL10基因突變水稻表現(xiàn)出較高的耐鹽性，其在鹽脅迫下的存活率遠(yuǎn)高于野生型和OsSPL10基因過表達(dá)植株。低溫脅迫下，OsmiR156通過靶向剪切使OsSPL3基因表達(dá)降低，OsSPL3轉(zhuǎn)錄因子正調(diào)節(jié)OsWRKY71的表達(dá)，致使OsWRKY71轉(zhuǎn)錄因子豐度降低，激活了相關(guān)應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)，對低溫脅迫做出應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而提高水稻的抗低溫能力[66]。OsSPL9轉(zhuǎn)錄因子能夠調(diào)控水稻幼苗和成熟籽粒中的微量銅穩(wěn)態(tài)[67]，還可正向調(diào)控OsmiR528的轉(zhuǎn)錄，降低水稻的抗病毒防御能力[68]。OsmiR535作用于OsSPL4的mRNA，以抑制水稻對稻瘟病菌的免疫，過表達(dá)OsSPL4的轉(zhuǎn)基因水稻品系抗稻瘟病能力增強[69]。

4 研究展望

水稻作物在我國糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中占有舉足輕重的地位，優(yōu)良農(nóng)藝性狀基因資源發(fā)掘與功能解析對水稻分子改良與選育具有重要意義[70]。在分蘗期，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控水稻根系和葉片的分化發(fā)育以及分蘗芽的發(fā)生，有助于組織器官的形態(tài)建成和株型構(gòu)造；在孕穗期及揚花期，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子通過促進(jìn)花器官的分化調(diào)控水稻的開花期，并參與穗分化階段的枝梗產(chǎn)生與延伸、籽粒的著粒分布等產(chǎn)量性狀構(gòu)建，從而影響稻穗的穗粒數(shù)；在灌漿期，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子通過調(diào)控稻殼細(xì)胞的縱向與橫向分裂影響稻米的粒形，從而提高產(chǎn)量和品質(zhì)性狀。此外，OsSPL轉(zhuǎn)錄因子還在水稻抗逆境脅迫、病毒防御等響應(yīng)代謝中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

綜上所述，水稻SPL轉(zhuǎn)錄因子對水稻根系發(fā)育、腋芽形成、花器官分化等組織器官構(gòu)建，以及生育期調(diào)整、產(chǎn)量性狀調(diào)控、逆境脅迫響應(yīng)等方面起重要的生理調(diào)控作用。當(dāng)前對OsSPL轉(zhuǎn)錄因子分子作用機理的深入解析與生物學(xué)功能的充分了解，為水稻理想株型選育、生育期調(diào)控、稻米產(chǎn)量和抗逆境能力改良等方面提供了較好的分子遺傳改良理論支持，對今后利用分子生物學(xué)技術(shù)整合水稻優(yōu)良農(nóng)藝性狀的分子設(shè)計育種以及加速人工馴化等均具有廣闊的指導(dǎo)前景。