ERF转录因子在植物对生物和非生物胁迫反应中的作用

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1、ERF转录因子在植物对生物和非生物胁迫反响中的作用莫纪波, 李大勇, 张慧娟, 宋凤鸣*浙江大学生物技术研究所, 杭州310029摘要: ERF (ethylene responsive factor)转录因子是植物AP2/ERF转录因子超家族的一个亚家族, 其特征是蛋白序列中含有一个高度保守的58或59个氨基酸组成的ERF结构域, 广泛参与植物生长发育及各种逆境胁迫反响的调控。文章简要介绍ERF转录因子在植物抗生物和非生物胁迫反响中的作用及其可能机制, 并讨论了今后的研究重点。关键词: ERF转录因子; 抗病性; 抗逆性; 机制Roles of ERF Transcription Facto

2、rs in Biotic and Abiotic Stress Response in PlantsMO Ji-Bo, LI Da-Yong, ZHANG Hui-Juan, SONG Feng-Ming*Institute of Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310029, ChinaAbstract: The ethylene responsive factors (ERF) belong to a subfamily of the AP2/ERF superfamily in plants.The ERF family was

3、defined by the presence of a conserved ERF domain consisting of 58 or 59 amino acids and has been demonstrated to be widely involved in regulation of various aspects of plant growth and develop- ment as well as in responses to different abiotic and biotic stresses. In this minireview, we summarize t

4、he func- tions and mechanisms of the ERF transcription factors in regulation of responses to abiotic and biotic stresses and discuss the future directions of studies on the ERF transcription factors in plants.Key words: ERF transcription factor; disease resistance; abiotic stress tolerance; mechanis

5、m植物在生长发育过程中总是受到干旱、高盐、低温及病虫害等各种非生物和生物因子胁迫 的影响。为了生存, 植物进化形成一个复杂、有 效的信号转导网络, 以获知环境中的变化, 并通过 控制下游相关基因的表达来精确地调控应答反 应。各种逆境胁迫诱导的基因表达主要发生在转 录调控水平, 转录因子激活或抑制逆境胁迫相关 基因的表达是植物胁迫应答反响的重要过程, 不 同的转录因子可以调节植物不同环境条件下特定 的基因表达。在拟南芥基因组中, 有超过1 500个 基因编码转录因子, 这些转录因子一般属于不同 的转录因子家族, 其中有些转录因子家族是植物 所特有的(Riechman等2000)。近10年来的研究

6、显 示, AP2/ERF、bZIP、WRKY、MYB、NAC等转 录因子家族的成员参与植物逆境胁迫反响的调 控。本文重点介绍ERF转录因子在植物逆境胁迫 反响中的调控作用及其可能机制。ERF结构域的数目, Sakuma等将AP2/ERF转录因子分为5个亚组, 包括AP2 (APETALA 2)、RAV (re- lated to ABI3/VP1)、DREB (dehydration-responsive element binding protein)、ERF和其他(Sakuma等2002)。AP2家族含2个AP2/EREBP (ethylene-re- sponsive element b

7、inding protein)结构域, ERF和 DREB家族仅含1个AP2/EREBP结构域, 而RAV家 族除一个AP2/EREBP结构域外还含1个B3结构域 (Nakano等2006)。ERF家族是AP2/ERF转录因子 大家族的一个主要亚家族, 在调节植物生物和非 生物逆境反响中发挥重要作用(Gutterson和Reuber2004; Kizis等2001)。在拟南芥和水稻基因组中分 别含有122和139个ERF转录因子家族成员, 根据基 因序列系统树和蛋白保守结构域等特征, 拟南芥 和水稻ERF基因分别组成12和15个不同的组(Na- kano等2006)。大局部ERF基因属于转录激

8、活因子, 但有些ERF转录因子那么是转录抑制因子, 如在拟南ERF转录因子的特点AP2/ERF转录因子家族的主要特征是蛋白序 列中含有一个高度保守的58或59个氨基酸的ERF 结构域(Ohme-Takagi和Shinshi 1995)。根据含AP2/1收稿资助*2021-09-09修定2021-10-11转基因重大专项课题(2021ZX08001-017B)。通讯作者(E-mail: fmsongzju.edu )。芥中至少有14 个ERF 含有一个抑制因子结构域EAR (ERF-associated amphiphilic repression) (Na- kano等2006)。这些含EAR

9、结构域的ERF蛋白具有 转录抑制活性(McGrath等2005; Kazan 2006), 但是 去除EAR结构域的ERF转录因子那么表现出转录激 活活性, 如过量表达番茄去除EAR结构域的ERF3 后能激活PR (pathogenesis-related)基因表达, 同时 能提高青枯病抗性和抗盐性(Pan等2021)。此外, 在ERF的VI、VII和Ixb亚组中, 存在保守的磷酸化 位点(Nakano等2006), 而ERF的磷酸化修饰可能调 控其转录活性或蛋白稳定性。ERF转录因子的顺式作用元件包括两类: GCC 盒(保守序列为GCCGCC)和DRE/CRT (DRE: dehy- dra

10、tion-responsive element, CRT: C repeat; 保守序 列为CCGAC)。Ohme-Takagi等证明4个烟草ERF 蛋白(EREBP1、2、3和4)能与GCC盒结合(Ohme- Takagi和Shinshi 1995), 而在拟南芥中的研究说明 不管是转录激活因子还是转录抑制因子, ERF转录 因子都需要通过GCC盒来调控基因表达水平(Fu- jimoto等2000)。在AP2/ERF结构域中, 位于-折叠 上的第14位缬氨酸和19位谷氨酸是结合顺式元件 所必需的, 而侧翼序列会影响ERF蛋白与顺式作用 元件结合的效率(Canella等2021; Tourni

11、er等2003; Sakuma等2002)。同样地, GCC盒保守序列中第 三、四、六个碱基(C、G、C)是ERF蛋白结合所必 需的, 而其他的碱基那么可能决定了结合的特异性 (Wang等2021; Hao等1998)。DRE/CRT那么主要存在 于许多低温应答或干旱诱导的基因中(Liu等1998)。 但是, 研究说明ERF也能与一些非GCC盒的顺式元 件结合(Chakravarthy等2003), 如WARF (wound-re- sponsive AP2/ERF-like factor)特异性结合VWRE (wound-responsive cis-element) (Sasaki等200

12、7); Lee 等发现一些B-3亚组的ERF蛋白能结合CE1 (cou- pling element 1)元件(Lee等2021); ERN (ERF for re- quired nodulation)特异性结合NF盒, 并激活Mt ENOD11的表达(Andriankaja等2007)。因此, ERF 蛋白通过结合不同的顺式元件参与对不同基因的 表达调控, 从而在不同的生物学过程中起作用。抗性反响中起重要作用, 但研究说明ERF亚家组成员也在植物非生物逆境抗性中起作用(表1)。2.1 在低温胁迫抗性中的作用植物对非生物逆境胁迫反响的调控涉及到至 少两条不同的信号途径, 即脱落酸(absci

13、sic acid, ABA)介导的信号途径和不依赖于ABA的信号途 径, 但有时候这两条途径也存在交叉与互作(Zhu等2021)。在低温条件下, ERF转录因子的功能依赖 于多条不同的信号转导途径。烟草TERF2和番茄 LeERF2调控的低温胁迫反响与乙烯合成有关, 因 为过量表达TERF2的烟草和番茄植株增强对低温 胁迫的耐受能力, 而乙烯合成或其转导途径受抑 制和转反义TERF2的番茄植株那么降低对低温胁迫 的耐受能力; 同时, 外源喷洒乙烯合成前体1-氨基 环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid, ACC)后, 上述植株又恢复了对冷胁

14、迫的耐受 能力(Zhang和Huang 2021)。这些结果说明TERF2 通过乙烯信号途径来调控对低温胁迫的抗性反 应。JERF1 的作用与ABA 信号途径有关, 因为 JERF1通过与ABA合成基因NtSDR启动子中DRE 顺式元件结合, 激活ABA合成相关基因的表达, 引 起植株体内ABA含量上升, 从而增强对低温等逆 境胁迫的耐受能力(Wu等2007)。另外, TERF2和 JERF1在低温胁迫中的功能还涉及到活性氧(reac-tive oxygen species, ROS)的作用, 如过量表达 TERF2或JERF3的转基因植株中活性氧水平显著 下降, 从而增强对低温胁迫的耐受力(

15、Tian等2021; Wu等2021)。在盐害和干旱胁迫抗性中的作用大多数参与盐害和干旱胁迫反响的ERF基因都能在乙烯(ethylene, ET)、茉莉酸(jasmonic acid,JA)、ABA等抗逆信号分子以及高盐、干旱胁迫 处理后诱导表达, 如JERF1 (Zhang 等2004a) 、 TERF1 (Huang等2004); 有些还能受病菌处理后诱 导表达, 如GmERF3 (Zhang等2021a)、 (Zhu 等2021)。过量表达这些盐害或干旱胁迫相关ERF 基因的烟草、番茄、水稻植株能增强抗盐或抗旱 能力(Zhu等2021; Zhang等2021a; Gao等2021; Wu

16、 等2007), 如在水稻中过量表达TERF1、TSRF1、 JERF3后能增强转基因水稻对高盐或干旱的耐受 能力(Quan等2021; Zhang等2021; Gao等2021)。2ERF在非生物胁迫抗性中的作用近年来的研究发现, 大局部DREB亚家族成员在植物对低温、高盐、干旱胁迫等非生物逆境的表1 的在抗非生物和生物胁迫中起作用的ERF转录因子基因Table 1 ERF genes related to abiotic and biotic stressesERF基因方法转基因受体基因来源改变的性状参考文献非生物胁迫相关基因JERF1JERF3过量表达过量表达烟草烟草番茄番茄提高耐盐性和

17、抗低温能力提高对干旱、低温、高盐 和高渗透压的耐受能力 提高抗低温能力Wu等2007; Zhang等2004aWu等2021; Wang等2004TERF2/LeERF2过量表达番茄/烟草/水稻 烟草/水稻番茄Tian等2021; Zhang和Huang2021Gao等2021; Zhang等2005; Huang等2004Zhang等2021aTERF1过量表达番茄提高对干旱和高盐的耐受能力 提高对干旱和高盐的耐受 能力 增强对高渗透压和干旱的 耐受能力 发芽期对ABA、高盐和高 渗透胁迫更加敏感 增强水稻耐水淹能力 提高深水淹条件下的成活率 改变低氧条件下的存活率 增强对低氧胁迫的耐受能力

18、GmERF3过量表达烟草大豆TSRF1过量表达水稻番茄Quan等2021过量表达拟南芥拟南芥Zhu等2021Sub1A-1SNORKEL1,2HRE1过量表达过量表达 过量表达 过量表达/突 变/RNA沉默水稻水稻 拟南芥 拟南芥水稻水稻 拟南芥 拟南芥Xu等2006Hattori等2021Hinz等2021Yang等2021; Licausi等2021生物胁迫相关基因Tsi1CaERFLP1NtERF5ORA59AtERF2AtERF4过量表达过量表达 过量表达 过量表达 过量表达 过量表达/ 突变烟草烟草 烟草 拟南芥 拟南芥 拟南芥烟草辣椒 烟草 拟南芥 拟南芥 拟南芥提高细菌性斑点病的

19、抗性提高细菌性斑点病的抗性 提高烟草花叶病毒病的抗性 提高灰霉病的抗性 提高枯萎病的抗性 过量表达植株降低枯萎病 抗性, 丧失功能突变体那么提 高枯萎病抗性 增强灰霉病、枯萎病等病 害抗性 丧失功能突变体降低枯萎 病抗性 提高白粉病和细菌性斑点 病的抗性提高青枯病抗性 提高烟草疫病、水稻稻瘟 病和纹枯病的抗性 提高纹枯病的抗性 提高根腐病的抗性 提高青枯病的抗性 提高青枯病、早疫病和花 叶病毒病的抗性 提高立枯病的抗性 提高对赤星病的抗性 提高细菌性斑点病的抗性 提高野火病的抗性Park等2001Lee等2004Fischer和Droge-Laser 2004Pre等2021McGrath等2

20、005McGrath等2005ERF1过量表达拟南芥拟南芥Berrocal-Lobo和Molina2004; Berrocal-Lobo等2002Onate-Sanchez等2007AtERF14过量表达/突变 过量表达拟南芥拟南芥Pti4拟南芥番茄Chakravarthy等2003;Gu等2002Zhou等2021Chen和Guo 2021; Guo等2004Chen等2021Dong等2021Jung等2007Zhang等2021aTSRF1OPBP1过量表达过量表达番茄/烟草烟草/水稻番茄番茄TiERF1TaPIEP1HvRAF GmERF3过量表达过量表达 过量表达 过量表达小麦小麦

21、拟南芥 烟草中间偃麦草小麦 大麦 大豆MTERF1-1GbERF2GbERF OsBIERF3过量表达过量表达 过量表达 过量表达苜蓿烟草 烟草 烟草苜蓿棉花 棉花 水稻Anderson等2021Zuo等2007Qin等2006Cao等2006bTERF1和GmERF3能同时与GCC和DRE/CRT顺式元件结合, 因而这两个ERF通过与不同顺式元件结合来调控抗盐、抗旱反响(Zhang等2021a; Gao等2021)。同样, 活性氧在ERF调控抗盐、抗旱反响中起到重要作用, 如JERF3能结合氧化胁迫应答顺式元件as-1, 并调控氧化应激反响基因, 如超氧化 物歧化酶(superoxide d

22、ismutase, SOD)基因的表达, 降低植株内的活性氧水平, 从而提高抗逆能力(Wu 等2021)。2.3 在低氧胁迫反响中的作用表达谱分析说明, 许多AP2/ERF基因的表达 在低氧胁迫下发生变化(Liu等2005)。最近的研究 发现, 拟南芥、水稻等植物中许多VII亚组的ERF 在对低氧胁迫的抗性反响中起作用(Licausi 等2021; Hattori等2021; Xu等2006)。 水稻应对水淹有两种生存策略, 即“逃跑 (es-cape)和“静息 (quiescence)。两个串联的ERF基因 SNORKEL1 (SK1)、SNORKEL2 (SK2)在“逃跑策 略中起作用,

23、乙烯诱导的SK1/SK2通过激活赤霉素 途径使水稻节间伸长, 从而使水稻“逃出水淹环境 (Hattori等2021)。在“静息策略中, 水稻水下局部 停止生长由含3 个ERF 基因( Sub1A 、Sub1B 和 Sub1C)的Sub1位点控制, 其中Sub1B和Sub1C存在 于所有水稻品种中, 而Sub1A有Sub1A-1和Sub1A-2两 个等位基因 (Xu 等 2006) 。耐水淹水稻携带 Sub1A-1, 而不耐淹品种中那么为Sub1A-2基因。耐水 淹水稻中, Sub1A-1 受乙烯诱导表达, 过量表达 Sub1A-1的不耐水淹品种恢复对水淹胁迫的耐受 力, 同时Sub1C的表达水

24、平降低, 说明Sub1A-1是水 稻耐水淹的一个主效基因(Xu等2006)。进一步研 究说明, Sub1A-1通过诱导赤霉素信号途径抑制蛋 白SLR1和SLRL1的表达来抑制赤霉素反响, 从而 限制根的伸长(Fukao和Bailey-Serres 2021)。同时, Sub1A-1能抑制水淹条件下乙烯的产生以及生长 和新陈代谢相关基因的转录, 减少淀粉和糖的分 解(Jung等2021; Fukao等2006)。这些措施能保证 水稻在水淹条件下保持一个低的新陈代谢状态从 而可以存活更长的时间。拟南芥的ERF VII亚组包括、AtERF73/ HRE1、AtERF71/HRE2、和等基 因。低氧胁

25、迫和黑暗条件都能诱导的表达, 和通过调控ADH1、PDC1等低氧 胁迫相关基因的表达来抵抗低氧胁迫, 而RAP2.2 还调控一些与糖类代谢及乙烯合成相关基因的表 达(Hinz等2021; Papdi等2021)。ERF73/HRE1参与低氧胁迫下的乙烯反响, ERF73 RNAi植株中低氧胁迫相关基因的表达下调(Yang等2021), 而过量表 达ERF73的拟南芥植株中ADH1、PDC1等低氧胁 迫相关基因表达上调, 并增强在低氧胁迫下的存 活率(Licausi等2021)。过量表达ERF71/HRE2不能 提高对低氧胁迫的耐受能力, 但是它和ERF73/ HRE1在功能上存在冗余(Lica

26、usi等2021)。这些结 果证明, 拟南芥VII亚组ERF转录因子通过乙烯途 径调控低氧胁迫相关基因表达, 从而调控对低氧 胁迫的抗逆反响。3 ERF在生物胁迫抗性中的作用3.1 在植物抗病反响中的作用在拟南芥、水稻等模式植物中, 利用过量表 达和插入突变体材料, 已经研究明确一些ERF转录 因子在植物抗病反响中的功能(表1)。McGrath等利用RT-qPCR分析了拟南芥受JA 和病菌处理后转录因子的表达, 发现10个ERF基因 的表达同时受JA和病菌所诱导, 大局部来自B1a (VIII)和B3 (IX)亚组(McGrath等2005)。进一步研 究分析, B1亚组的AtERF4反向调控

27、JA信号途径 的表达, 过量表达AtERF4的植株降低枯萎 病(Fusarium oxysporum)抗性, 而erf4突变体那么增强 枯萎病抗性, 说明AtERF4负调控枯萎病抗性反响 (McGrath等2005)。同样, erf14突变体对枯萎病菌 更加感病, 且ERF14的功能缺失不能被其他ERF互 补; 而过量表达AtERF14增强防卫基因表达, 并调 控ERF1、ERF2等其他抗病相关ERF基因的表达, 说明ERF14在枯萎病抗性中具有不可或缺的作用 (Onate-Sanchez等2007)。过量表达B3亚组AtERF2、ORA59或ERF1的 拟南芥植株提高对枯萎病、灰霉病(Bot

28、rytis ci- nerea)等病害的抗性, 而ORA59的丧失功能突变体 那么降低抗病性(Pre等2021; McGrath等2005; Berro- cal-Lobo和Molina 2004; Berrocal-Lobo等2002); 苜 蓿中B3亚组的MtERF1-1控制对立枯病(Rhizocto- nia solani)的抗性, 过量表达MtERF1-1的转基因植 株增强对立枯病等病害的抗性(Anderson等2021); 烟草B-3亚组的NtERF5过量表达后能限制花叶病 毒(tobacco mosaic virus, TMV)的复制并增强抗性 (Fischer和Droge-Las

29、er 2004); 过量表达小麦B3亚 组TaPIEP1后显著增强对根腐病(Bipolaris sorokini-ana)的抗性(Dong等2021)。上述结果说明, B3亚组ERF蛋白是植物抗病反响的正调控因子。另外, 棉 花中的B3亚组ERF基因大多数受水杨酸(salicylic acid, SA)、JA、ET等抗病信号分子或病菌侵染所 诱导, 暗示这个亚组成员在棉花抗病反响中起作 用(Champion 等2021)。水稻中, 稻瘟病菌(Magnaporthe grisea)侵染 后能诱导OsBIERF1、OsBIERF3、OsBIERF4和 OsEBP2 等ERF 基因的表达(Lin 等

30、2007; Cao 等2006a)。过量表达OsBIERF3的烟草增强对野火病 (Pseudomonas syringae pv. tabaci)、病毒病等病害 的抗性(Cao等2006b), 而过量表达烟草OPBP1的转 基因水稻提高对稻瘟病的抗性(Chen和Guo 2021)。 将小麦近似种中间偃麦草的ERF基因TiERF1导入 小麦后, 增强纹枯病菌(Rhizoctonia cerealis)抗性 (Chen等2021), 而过量表达大麦HvRAF基因的拟南 芥那么增强青枯病(Ralstonia solanacearum)的抗性 (Jung等2007)。大局部ERF基因过量表达后, 能增

31、强对某一 种病害的抗性, 但ERF1、PTI4、OPBP1和GmERF3 等ERF基因过量表达后能同时增强对几种病害的 抗性(Zhang等2021a; Chen和Guo 2021; Guo等2004; Berrocal-Lobo和Molina 2004; Berrocal-Lobo等2002; Gu等2002), 且具有一定的广谱抗病性, 如过 量表达番茄Pti4的拟南芥植株中的表达显 著升高, 同时增强对白粉病(Erysiphe orontii)、细 菌性斑点病(Pseudomonas syringae pv. tomato)等病 害的抗性(Gu等2002)。ERF转录因子在不同病害 抗性中

32、的多效性作用, 有助于培育广谱抗病性的 作物新品种。3.2 在先天免疫机制和抗病信号传递途径中的作用植物中存在PTI (PAMP-triggered immunity)和 ETI (effector-triggered immunity)两种先天免疫机 制(Jones和Dangl 2006)。研究证明, 拟南芥ERF104 可能参与PTI, 因为Flg22处理后ERF104与MPK6激 酶别离, 并激活下游信号途径(Bethke等2021); 而 番茄Pti5可能在ETI途径中起作用(Thara等1999)。 不管是PTI还是ETI, 植物感受并识别来自病菌的 信号后, 通常能激活SA、JA、

33、ET等抗病信号转导 途径, 启动一大批防卫基因的协同表达, 激活植物 的抗病防卫反响。植物对不同类型病原菌的抗病反响涉及到不同的抗病信号途径, 其中对营活体寄生方式的病 菌(包括活体寄生菌和半活体寄生菌)的抗病反响 需要SA抗病信号途径, 而对营腐生寄生方式的病 菌(统称死体寄生菌)的抗病反响需要JA和/或ET抗 病信号途径。SA抗病信号途径与JA、ET抗病信 号途径间存在互作, 表现为相互拮抗或协同起作 用。研究显示, ERF转录因子在植物不同抗病信号 途径以及信号途径间的互作中起作用。一般情况 下, SA抗病信号途径和JA/ET抗病信号途径间存在 相互拮抗的关系(Feys和Parker 2

34、000), ERF转录因 子那么在不同抗病信号途径间起到“扬此抑彼的作 用, 如过量表达ERF1的拟南芥植株增强对灰霉菌 等腐生型病菌引起的病害的抗性, 但却降低对P. syringae pv. tomato DC3000 (属于半活体寄生菌)引 起病害的抗性, 说明ERF1正调控JA/ET抗病信号途 径, 而负调控SA抗病信号途径(Berrocal-Lobo等2002)。但是, ERF转录因子也可能调控SA抗病信 号途径与JA/ET抗病信号途径间的协同作用, 如过 量表达番茄Pti4的拟南芥植株同时激活受SA抗病 信号途径和JA/ET抗病信号途径调控的PR基因表 达, 说明Pti4是SA抗病

35、信号途径和JA/ET抗病信号 途径间的交叉点(Gu等2002)。有些ERF基因的表 达同时受SA、JA、ET的诱导(Jung等2007; Zhang 等2004b; Gu等2002), 而ORA59是抵消SA拮抗JA 抗病信号途径的一个重要调节因子(Leon-Reyes等2021)。由此看来, 一些ERF转录因子能整合SA抗 病信号途径和ET/JA抗病信号途径, 形成一个精细 调控的抗病信号途径网络, 从而协调对不同类型 病菌的抗病反响。ERF在JA和ET抗病信号途径中起到非常重要 的作用。拟南芥ERF1在ET信号途径中的EIN3下 游起作用, 并且激活一些ET应答基因的表达(Sola- no

36、等1998)。在拟南芥erf14突变体中, ET不能诱导 响应ET信号途径的防卫基因表达, 但不改变响应 SA 和JA 信号途径的防卫基因的表达特征, 说明 ERF14参与ET信号途径(Onate-Sanchez等2007)。 JA和ET抗病信号途径间一般存在协同作用关系 (Feys和Parker 2000)。实验证明, 拟南芥IX亚组的 ERF1和ORA59是JA和ET抗病信号途径的交织点 (Pre等2021; Lorenzo等2003)。ERF1和ORA59基因表达同时依赖于JA和ET抗病信号途径, 都能和下游PR基因启动子中GCC盒结合并激活其 表达, 过量表达ERF1或ORA59的植株

37、都增强灰霉 病的抗性(Pre等2021; Lorenzo等2003)。PKS33激酶分别能磷酸化烟草ERF蛋白ORC1和拟南芥ERF7, 增强ORC1和ERF7蛋白的活性(De Boer等2021; Song等2005)。 烟草ERF3是一个转录抑制子, 能与泛素连接酶NtUBC2发生互作, 但是NtUBC2突变后可以增 强ERF3对靶标基因表达的抑制活性, 说明NtUBC2 可能是调控ERF3稳定性的一个重要成分(Koyama 等2003)。4ERF在植物与微生物共生互作中的作用最近研究说明, ERF转录因子参与调控根瘤菌、印度梨形孢(Piriformospora indica)这两类有益微

38、生物与其寄主植物的共生互作(Camehl等2021; Middleton等2007)。在苜蓿中, ERN1、ERN2、 ERN3 等3 个ERF 蛋白能与共生相关基因MtEN- OD11启动子中的NF盒结合, 参与根瘤菌的早期侵 染过程, 其中ERN1和ERN2起转录激活作用, 而 ERN3那么抑制ERN1和ERN2调控的MtENOD11表达 (Andriankaja等2007)。印度梨形孢与拟南芥的共 生互作依赖于乙烯信号途径, 过量表达ERF1的植 株和erf9/erf14突变体植株中PR基因表达上调, 从 而抑制印度梨形孢的定殖(Camehl等2021)。这些 结果说明不同ERF分别作为

39、激活因子和抑制因子 来调控有益微生物与寄主植物之间的共生关系, 其主要的机理可能涉及到这些转录因子弱化植物 体内防卫反响水平, 以促进有益微生物的定殖。5 ERF的活性调控及其靶标基因5.1 蛋白修饰调控ERF活性磷酸化是转录因子活性调控的一种重要方 式。有些ERF蛋白通常都含有富Ser/Thr区域或磷 酸化结构域, 说明磷酸化修饰可能是这些ERF蛋白 发挥作用前的一个重要生化过程(Nakano等2006)。 一般ERF蛋白磷酸化修饰后能增强其与顺式作用 元件的结合能力, 如番茄Ser/Thr蛋白激酶Pto磷酸 化Pti4 、水稻MAPK 激酶BWMK1 磷酸化Os- EREBP1 、小麦MA

40、PK 蛋白TaMAPK1 磷酸化 TaERF1后, 都能增强这些磷酸化修饰的ERF蛋白 与顺式作用元件GCC盒的结合能力, 并诱导下游 PR基因或报告基因的表达(Xu等2007; Cheong等2003; Gu等2000)。同时, 磷酸化修饰还可改变ERF 转录因子蛋白的稳定性, 如拟南芥ERF104和MPK6 在体内形成复合体, 在Flg22处理后ERF104快速从 复合体上释放出来, 并被MPK6磷酸化; 而磷酸化 修饰的ERF104变得更加稳定, 并激活大量启动子 中含有GCC盒的基因上调表达(Bethke等2021)。另 外, 受JA 调控的MAPKK 激酶JAM1 和拟南芥ERF与其

41、他蛋白的互作一些ERF转录因子通过与其他蛋白或转录因子的互作来调控其活性。拟南芥EBP与bZIP转录因子OBF1或酰基辅酶A结合蛋白ACBP2、水稻OsEBP-89与MYC转录因子发生互作(Li和Chye2004; Zhu等2003; Buttner和Singh 1997)。ERF转录 因子与其他蛋白互作后一般会形成蛋白复合体, 如番茄Pti4蛋白与抑制蛋白SEBF结合形成复合体, 通过与PR-10a启动子区域的结合抑制PR-10a的表 达, 且Pti4是SEBP抑制PR-10a基因表达所必需的 (Gonzalez-Lamothe 等2021); 拟南芥ERF3、ERF4 那么与SAP18结合

42、形成一个多组分的抑制子复合体, 可能与逆境条件下一些胁迫应答基因的转录抑制 有关(Song和Galbraith 2006)。5.3 ERF所调控的下游靶标基因GCC盒和DRE/CRT是ERF转录因子的主要顺 式作用元件, 一些ERF转录因子能通过结合启动子 中GCC盒和DRE/CRT或两者来调控靶标基因的表 达。GCC盒存在于大量的PR基因启动子中, ERF 转录因子可以通过结合GCC盒直接调节PR基因的 表达(Buttner 和Singh 1997), 如拟南芥ERF1 和 ORA59能直接与PR基因启动子中的GCC 顺式作用元件结合, 并激活其表达(Zarei等2021; Pre 等202

43、1) 。番茄JERF1 通过与ABA 合成基因 NtSDR启动子中DRE顺式元件结合, 激活ABA合成 相关基因的表达, 使ABA含量上升(Wu等2007)。 番茄ERF2能分别结合乙烯合成相关基因烟草ACS3 和番茄ACO3启动子中的GCC盒和DRE顺式作用 元件, 调控乙烯合成(Zhang等2021b)。这些研究结 果说明, ERF转录因子或直接调控PR基因表达而 在抗病反响中起作用, 或间接调控激素合成途径 基因的表达而在抗逆反响中起作用。GCC盒广泛存在于大批基因的启动子中, 因此一个具有特定生物学功能的ERF转录因子可能会激活一组启动子中含GCC盒的下游靶标基因的 协同表达。在过量表

44、达ERF104的转基因植株的基 因表达谱分析中, 发现534个表达水平上调3倍以 上的基因, 包括、PR5、MKK4、RBOHD、 ERF4、WRKY33和等一些防卫基因或 抗病信号调控基因, 其中2个基因的表达水 平升高近1 000倍, 而表达水平上调10倍以上的基 因启动子中富含GCC盒(Bethke等2021)。这些结 果说明, ERF104可能直接或间接调控防卫基因和 抗病信号途径调控基因, 从而激活抗病反响。ERF转录因子调控下游靶标基因表达还可能 需要其他转录因子的协调互作。烟草ORC1正向 调控烟碱合成途径基因的表达, 过量表达ORC1可 以提高烟碱合成, 但是ORC1调控烟碱合

45、成途径基 因表达需要在启动子中同时含有GCC盒和G盒元 件(bHLH转录因子顺式作用元件), bHLH转录因子 可以增强ORC1的转录活性, 而阻断bHLH转录因 子活性后那么降低ORC1 的转录活性(De Boer 等2021)。因此, ORC1需要bHLH的协同作用以到达 对靶标基因表达调控的最大转录活性。6 小结与展望ERF蛋白作为转录激活因子或转录抑制因子 在转录水平激活或抑制靶标基因表达, 并在植物 抗病、抗逆反响中起重要作用。ERF家族是AP2/ ERF转录因子大家族的一个主要亚家族, 成员众 多; 但是目前研究只明确少数几个ERF转录因子在 抗病、抗逆反响中的功能(表1), 大多

46、数ERF转录 因子, 特别是水稻等重要农作物中ERF转录因子在 植物抗病、抗逆反响中的作用需要进一步的研 究。构建ERF转录因子的过量表达、丧失功能突 变体(包括基因敲除或敲减突变体和嵌合抑制子介 导的丧失蛋白活性突变体), 并分析其表型变化, 可 望获得在抗病、抗逆反响中起作用的新ERF转录 因子。一些ERF 转录因子可以整合和调控不同抗 病、抗逆信号途径, 但是其机制尚不明确。ERF转 录因子本身也存在着磷酸化修饰、蛋白-蛋白互作 等蛋白水平上复杂的活性调控机制, 但是这些活 性调控机制在ERF转录因子对下游靶标基因表达 调控中的作用仍然需要研究明确。因此, 深入研究ERF转录因子在不同抗

47、病、抗逆信号途径中的调控机制、自身活性调控机制、下游靶标基因及 其功能将有助于说明ERF转录因子在植物抗病、 抗逆反响中的作用机制。越来越多的研究显示, ERF转录因子在转基因 育种应用中具有巨大的潜力。过量表达ERF基因 的转基因植株能提高对不同类型病害、不同的非 生物逆境胁迫的抗性能力。因此, 通过转基因技 术改变ERF基因表达水平或ERF蛋白活性有可能 获得抗病、抗逆转基因作物新品种或新材料。特 别是过量表达一些ERF基因后可同时提高抗病性 和非生物逆境抗性, 表现出广谱性, 为通过改变一 个ERF转录因子基因的表达或其蛋白活性到达改 良多个生物学性状提供可能。参考文献Anderson

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