WRKY研究进展

植物WRKY转录因子研究进展摘要：WRKY转录因子起源很早，因其N-端含有高度保守的WRKYGQK序列而得名。目前在拟南芥中已经发现74个WRKY成员，在水稻中发现了109个WRKY成员[1,2]。WRKY转录因子通过结合靶基因启动子区域W盒(C/T)TGAC(T/C)[3-6]核苷酸序列而调控相应基因表达[6-8]。WRKY转录因子参与了植物损伤、衰老[6,9,10]、生长发育及代谢、植物防御等多种植物进程[1,11]，并且还响应各种非生物胁迫，如高盐、热、干旱和冷等[12-17]。1.WRKY转录因子起源和结构特点：最早被鉴定的植物WRKY基因是甘薯（Impoeabatatas）SPF1（SPF1:SWEETPOTATOFACTOR1）基因，其基因产物特异地与甘薯Sporamin基因和β-淀粉酶基因启动子区域的SP8序列识别，从而参与并调控植物糖信号途径的建立[18]。高等植物典型的转录因子一般由4个功能区域组成，即，DNA结合域、核定位信号和寡聚化位点。在WRKY转录因子中，最主要的结构特点是各成员的DNA结合域中都至少含有一个WRKY结构域。WRKY结构域是一段大约由60个氨基酸残基所组成的多肽序列，其中WRKYGQK为所有成员中高度保守的7个氨基酸残基。除上述比较保守的区域外，WRKY成员中其余氨基酸组成的同源性并不高。此外，WRKY转录因子的DNA结合域中一般还含有一个锌指结构[19]。根据转录因子所含有的WRKY结构域的个数和锌指结构的特征，一般将WRKY转录因子分为3大类[7]：第I组WRKY转录因子含有2个WRKY结构域，且锌指结构的氨基酸组成类型为C2H2型，如AtWRKY2,AtWRKY34,AtWRKY58，该类WRKY转录因子的DNA结合功能主要由C-末端的WRKY结构域介导；第II组和第III组通常只含有一个WRKY结构域。第II组成员的锌指结构也是C2H2型，并且第II组WRKY结构域序列与第I组WRKY转录因子C-末端WRKY结构域序列相似性比较高，这说明I组WRKY转录因子C-末端WRKY结构域与其他类型中只含1个WRKY结构域的功能相同，即与靶DNA相互结合。第III组成员锌指结构与其他两组不同，结构模式为C2-HC型。此外，第II组成员又可根据主要的氨基酸序列组成分为IIa，IIb，IIc，IId和IIe[38]。尽管WRKY结构域中存在高度保守的WRKYGQK序列，但在水稻WRKY成员中，存在着19个变异的WRKY结构域，其中WRKYGEK和WRKYGKK是两个普通的变异体，另外几个是WRICGQK、WRMCGQK、WKKYGQK、WKRYGQK、WSKYEQK和WRKYSEK，它们在水稻中均各只含有1个[20]，这可能是水稻中WRKY转录因子的原始共同祖先在长期进化过程中产生变异的结果。另外，在拟南芥WRKY转录因子的结构域中也发现了相同的变异与进化现象。转录因子通过与基因启动子区域特定的核苷酸序列专一性结合来调节基因的转录WRKY转录因子的专一识别序列是(C/T)TGAC(T/C)片段，即W-盒[7]。其中TGAC为W-盒的核心序列。W-盒在受病原菌诱导或与植物防卫反应相关基因、发育代谢基因和WRKY基因本身的启动子区域中出现频率较高[21]，并且，有功能的W-盒常成簇存在于启动子序列中，协同发挥作用[22]，说明WRKY蛋白通过与此类W-盒的结合参与防卫反应、发育及代谢等信号。WRKY转录因子在转录水平上对靶基因进行调控，WRKY蛋白大部分定位与细胞核，对一些WRKY蛋白氨基酸序列分析发现，在WRKY结构域以外存在细胞核定位信号区（NLS），这意味着WRKY蛋白在胞质中合成后，通过跨膜运输进入细胞核发挥作用。体外瞬间实验也证明了一些存在NLS的WRKY蛋白定位于细胞核[23]。但并非预测的NLS一定是有功能的，AtWRKY6有3个预测的NLS，一个单位点和两个双位点，但缺失、点突变和功能性获得实验表明，这3个NLS都不参与核定位[24]。WRKY转录因子家族在转录调控中扮演者转录激活子或者抑制子的角色，也可以在某一些生理过程是激活子，在另外的生理过程中又作为抑制子发挥作用[25]。2.WRKY转录因子的调控功能目前研究表明，WRKY在植物体内并非组成型表达，而是受各种环境因子（如病原体、信号分子水杨酸及其功能类似物、干旱、低温、创伤、机械胁迫等各种非生物胁迫和生物胁迫）的诱导表达，并且其表达具有组织特异性。Dong等研究了72个AtWRKY基因在拟南芥防御应答反应中的表达动态，结果表明Pseudomonassyringe侵染或SA处理拟南芥时有49个AtWRKY的表达水平发生明显变化[5]。因此，WRKY转录因子可能参与植物体内各种重要的生理生化活动。2.1参与植物的损伤与衰老反应大量研究表明，损伤信号最初刺激蛋白激酶的磷酸化，然后促进茉莉酸的合成，进而提高蛋白酶抑制剂的合成，最后使损伤得以修复。在这一过程中，WRKY转录因子可能起着重要的调节作用。比如，烟草WRKY3和WRKY6能够响应昆虫取食造成的伤害。WRKY3的转录本在损伤反应中增加，当幼虫在取食中口腔分泌物中的不饱和脂肪酸——氨基酸结合物进入伤口后，WRKY6得以诱导表达；WRKY6的激发需要WRKY3；WRKY3和WRKY6分别沉默或同时沉默，植株更易受到草食动物的侵害[26]。衰老是植物生长发育过程中的自然现象。植物衰老过程中，一些WRKY基因的表达明显上调。生长6周的拟南芥衰老相关基因AtWRKY53在第6片叶中开始表达，SAGl2则在第12片中表达明显，叶绿素的下降则发生在第8片叶上；到8周龄，所有叶片AtWRKY53的表达水平急剧下降，表明植物对整个植株和单一叶片不同发育阶段的感受存在不同的机制[27]。拟南芥中受衰老诱导表达的WRKY成员还有AtWRKY2、3、4、6、7、11[7,24]，其中AtWRKY6与衰老诱导的受体样激酶(SIRK)基因启动子的W盒序列发生特异结合，只在衰老叶片中表达，表达模式与SAGl2和SAGl3十分相似，说明这一成员与哀老的关系更为密切[24]。2.2参与植物生长发育代谢过程拟南芥中转录因子WRKY2介导了依赖于ABA的种子萌发以及萌发后发育的阻滞过程[28]。拟南芥AtWRKY10（MINISEED3）在花粉、球形胚以及发育中的胚乳中有表达，而缺失AtWRKY10之后的纯和体产生小的种子[35]。在种子萌发过程中，AtWRKY27是GA信号途径中的负调控因子[36]。此外，AtWRKY2是ABA诱导的种子萌发阻滞和萌发后生长过程中负反馈路径调节因子[37]。WRKY6参与了调控营养缺乏反应。AtWRKY6能够结合PHO1的启动子的W-盒从而抑制PHO1的表达，磷饥饿能够解除AtWRKY6对PHO1的抑制作用[29]。此外AtWRKY75也是响应磷胁迫的重要的转录因子，与WRKY6共同发挥作用[30]。2.3参与植物防御过程一些防御相关的基因，如PR、NPRl基因。启动子区域都包含W-盒元件[31,32]。直接将拟南芥基因启动子中的W-盒超表达，就可以导致抗病基因介导的抗病反应基础防卫反应、激发子反应和系统获得性抗性中相关基因表达上调[33]。WRKY转录因子还可自我调控。拟南芥AtWRKYl8和AtWRKY70能够组成性地增强病程相关基因的表达，并且增强对细菌病原菌的抗性。拟南芥AtWRKY3和AtWRKY4在坏死营养型病原体(necrotrophicpathogens)抗性中发挥着积极的作用，而WRKY4在活体营养病原体(biotrophicpathogens)抗性中起负调控作用[34]，表明WRKY转录因子在植物防卫反应中，除了可以正调控抗病相关基因的表达，还可作为负调控因子参与病程相关基因的表达。此外，拟南芥AtWRKY23在线虫类传染病入侵植株时表达量在瞬间升高来增强防御能力[39]。2.4WRKY转录因子在非生物胁迫中发挥重要作用在150mMNaCl处理条件下，生物芯片和qRT-PCR结果表明，2h后拟南芥根部AtWRKY17、AtWRKY25和AtWRKY33转录物升高了至少14倍[14]。在不同分析条件下，wrky25突变体对胁迫的敏感度与野生型相似，wrky33和wrky33wrky25的双突变体中，对NaCl的敏感度有轻微的提高。说明，与其他转录因子之间功能冗余。然而，超表达AtWRKY25或者AtWRKY33都能显著提高拟南芥对盐胁迫的耐受程度[15]。在热胁迫条件下，拟南芥WRKY25的超表达突变体耐热性比野生型高，而AtWRKY25缺失后，植株比野生型耐热性降低。在突变体中，受热诱导的基因，热激蛋白Hsp101，热激转录因子HsfB2a，以及ATX1表达量明显降低。而在AtWRKY25超表达株系中，HsfA2,HsfB1,HsfB2a,和Hsp101的表达量轻微上调。说明AtWRKY25是通过调节与抗热胁迫相关的基因调控拟南芥耐热性[16]。水稻OsWRKY80是响应干旱和Fe过量的转录因子。干旱处理12h和24h后，水稻的叶中OsWRKY80的表达显著增加。Fe过量处理后OsWRKY80在水稻叶片、茎和根部明显上调[17]。3.结论和展望WRKY转录因子作为重要的一个超级转录因子家族参与应答环境信号刺激，如高盐、干旱、高温、低温等非生物胁迫，也参与植物的生长发育代谢途径，在植物抗病和损伤等方面也发挥着重要的调节作用。目前，对WRKY转录因子所介导的植物应答反应过程、逆境胁迫下的反应调控机制等仍然不清晰，随着分子生物学的发展和进步，WRKY转录因子参与的植物应答反应过程的机理将逐渐被阐明。参考文献：[1]EulgemT,SomssichIE(2007)NetworksofWRKYtranscriptionfactorsindefensesignaling.CurrOpinPlantBiol10:366–371[2]RossCA,LiuY,ShenQJ(2007)TheWRKYgenefamilyinrice(Oryzasativa).JIntegrPlantBiol49:827–842[3]WillmottRL,RushtonPJ,HooleyR,LazarusCM(1998)DNase1footprintssuggesttheinvolvementofatleastthreetypesoftranscriptionfactorsintheregulationofalpha-Amy2/Abygibberellin.PlantMolBiol38(5):817-825[4]YuD,ChenC,ChenZ(2001):EvidenceforanimportantroleofWRKYDNAbindingproteinsintheregulationofNPR1geneexpression.PlantCell13(7):1527-1540[5]DongJ,ChenC,ChenZ(2003):ExpressionprofilesoftheArabidopsisWRKYgenesuperfamilyduringplantdefenseresponse.PlantMolBiol51:21-37[6]MiaoY,LaunT,ZimmermannP,ZentgrafU(2004):TargetsoftheWRKY53transcriptionfactoranditsroleduringleafsenescenceinArabidopsis.PlantMolBiol55(6):853-867[7]EulgemT,RushtonPJ,RobatzekS,SomssichIE(2000)TheWRKYsuperfamilyofplanttranscriptionfactors.TrendsPlantSci5:199–206[8]CiolkowskiI,WankeD,BirkenbihlRP,SomssichIE(2008)StudiesonDNA-bindin