植物SPL转录因子的生物功能研究进展 植物学报    2023, 58 (6): 982-997.   DOI: 10.11983/CBB22216

表2 SPLs参与植物激素调控

正文中引用本图/表的段落

SPL转录因子结构中包含一段约80个氨基酸残基的高度保守序列, 称为SBP结构域。核磁共振分析表明, SBP结构域含有2个典型的锌指结构, 包含8个半胱氨酸或组氨酸, 每4个氨基酸残基与1个锌离子结合, 分别形成Zn-1 (Cys-Cys-Cys-His或Cys-Cys- Cys-Cys)以及Zn-2 (Cys-Cys-His-Cys) (Yamasaki et al., 2004)。SBP结构域的C端包含1个核定位信号 (nuclear localization signal, NLS)序列, 其与Zn-2结构序列存在部分重叠, 能引导SPL转录因子进入细胞核, 进而调控下游基因的表达。同时, SBP结构域能与含顺式作用元件TNCGTACAA的启动子结合, 其中GTAC为核心序列(Birkenbihl et al., 2005)。此外, 部分SPL转录因子序列有1个高度保守的microRNA156识别位点, 少部分则含有microRNA529/535识别位点(Rhoades et al., 2002), 这是SPL基因转录后调控的主要方式。

由于microRNA529序列在进化上与microRNA156密切相关, 尤其在陆生植物中的序列相似度较高。因此, 少部分SPL基因的表达受到microRNA529调控(Morea et al., 2016)。水稻OsSPL2、OsSPL14和OsSPL17在稻穗部的表达受microRNA529a调控, 从而调节水稻的穗型结构(Yue et al., 2017)。地钱(Marchantia polymorpha)中microRNA529表达缺失会导致MpSPL2的表达丰度提高, 进而加速地钱从营养生长向生殖生长的转变(Tsuzuki et al., 2019)。此外,水稻microRNA535可通过靶向切割OsSPL4的mRNA序列, 降低OsSPL4蛋白的积累, 进而正调控水稻分蘖, 负调节水稻产量和免疫特性, 导致植株出现易感病性状(Zhang et al., 2022)。

在拟南芥花发育阶段, 转录因子AtSPL8为产孢组织正常发育所必需, 并受到microRNA156/157在转录后的特异性靶向调节, 协同调控花发育早期的细胞分裂、分化和特异基因的表达(Xing et al., 2010)。Unte等(2003)研究atspl8突变体表型时, 发现由于小孢子囊发育异常, 引起花药育性降低, 并影响大孢子的发生和雄蕊花丝伸长。然而, Zhang等(2007)在拟南芥atspl8突变体和野生型中过表达AtSPL8后, 发现过表达植株的花药无法开裂, 并且花粉的育性下降。Wang等(2009)进一步研究发现, 转录因子AtSPL在拟南芥开花调控关键基因FT (Flowering locus T)和FD (bZIP transcription factor)的下游发挥重要作用。在雌蕊的胚珠发育阶段, AtSPL利用C端的EAR基序招募TPL/TPRs, 并借助N端序列特异结合TCP抑制其功能, 进而调控胚珠发育(Wei et al., 2015)。在水稻花发育阶段, Sun等(2022)研究表明, 转录因子OsSPL2、OsSPL4、OsSPL16和OsSPL17通过microRNA156-SPL模型调节温度对雄花育性的影响, 其中OsSPL17还正调控类黄酮含量, 负调控APX1的表达, 从而提高雄花育性。此外, SPL转录因子参与调节黄瓜的花药和胚珠发育过程(Liu et al., 2018)。

SPL转录因子还与浆果类植物的果实发育密切相关。Ferreira等(2014)研究发现, 番茄的转录因子SlySBP与microRNA156协同调控子房分生组织发育, 并且起始肉质果实发育。Cui等(2020)研究表明, SlySPL13表达被抑制的番茄花和果实数量减少且果实变小。转录因子PsSPL2、PsSPL13和PsSPL14正调控牡丹的籽粒大小、数量和荚果分枝(Wang et al., 2020a)。而樱桃(Prunus avium)果实发育过程中, 9个PavSPLs在青果期高表达, 果实成熟初期表达量则急剧下降, 表明这9个SPL基因在果实发育与成熟过程中起重要调控作用(Sun et al., 2023)。

激素在植物生长发育过程中发挥重要调节作用。SPL参与脱落酸(abscisic acid, ABA)、生长素(IAA)、细胞分裂素、赤霉素(gibberellin, GA)以及乙烯(ethylene)等激素的信号转导途径(表2)。Dong等(2021)研究发现, 拟南芥AtSPL9通过直接结合ABA信号途径关键基因ABI5 (Abscisic Acid Insensitive 5)的启动子激活其表达, 促进ABA信号转导和种子中的ABA积累, 抑制拟南芥种子成熟后荚内发芽, 且AtSPL9受到蛋白激酶SnRK2的磷酸化调控。Bencivenga等(2012)研究拟南芥胚珠发育时, 发现转录因子AtSPL10和BEL1通过与生长素转运基因PIN1相互作用, 调节胚珠内的生长素与细胞分裂素分布, 从而调控胚珠发育。水稻转录因子OsSPL14通过激活生长素运输基因OsPIN1b以及PILS6b的表达参与生长素的极性运输(Li et al., 2022c)。Qin等(2020)研究表明, 水稻OsSPL12转录因子通过与9个GA信号途径相关基因直接互作, 参与调控籽粒内源GA水平, 促进成熟籽粒休眠, 显著抑制稻谷收获前的穗发芽。Zhao等(2022a)以玉米株高调控基因D1 (dwarfplant1)为切入点, 研究发现转录因子ZmSPL12能直接与D1的启动子特异性结合抑制其转录, 降低玉米节间活性赤霉素含量, 从而抑制细胞伸长, 使玉米节间缩短, 株高降低, 有效提高玉米的抗倒伏能力。此外, Xu等(2020)研究表明, 在1-甲基环丙烯(1-methylcyclopropene, 1-MCP)处理下, 番木瓜(Carica papaya)中CpSPL3和CpSPL6随着果实不断成熟而上调表达, CpSPL11则在乙烯利(ethe-phon, ETH)处理的第8天表达水平明显高于未处理和1-MCP处理组, 并且CpSPL3、CpSPL6和CpSPL11在存储期具有与CpmicroRNA156相反的ETH/I-MCP响应模式, 表明CpmicroRNA156/CpSPL3/CpSPL6/ CpSPL11可能通过响应ETH/I-MCP信号参与番木瓜着色和成熟调节。

次生代谢是生物合成非必需物质并储存代谢产物的过程, 一些植物次生代谢产物具有一定的药用和工业价值。转录因子SPL也参与部分次生代谢过程, 其中以花青素的合成调控较多(表3)。花青素是一类重要的植物次生代谢物质, 经由黄酮类途径合成, 参与保护植物免受生物/非生物逆境胁迫。Wang等(2020b)的研究表明, microRNA156通过靶向调控SPL基因的mRNA表达水平, 促进欧洲山杨(Populus tremula)花青素、黄酮和黄酮醇的生物合成。在药用模式植物丹参(Salvia miltiorrhiza)中鉴定到15个SPL转录因子, 其中SmSPL6基因过表达可促进丹参中的酚酸积累, 抑制花青素合成, 且转基因丹参植株和根系中的主要水溶性有效成分丹酚酸(salvianolic acid B, SalB)和迷迭香酸(rosmarinic acid, RosA)含量均高于野生型, 通过酵母单杂交和双荧光素酶瞬时转录实验表明, 转录因子SmSPL6通过结合Sm4CL9和SmCYP98A14的启动子增强其表达, 进而促进SalB和RosA的生物合成(Cao et al., 2021)。Chen等(2021)研究表明, 丹参SmSPL7通过直接结合SmTAT1和Sm4CL9的启动子抑制其表达, 阻断SalB的生物合成, 并促进花青素积累。在青蒿素合成过程中, 转录因子AaSPL2通过结合青蒿素合成关键基因DBR2启动子的GTAC顺式作用元件增强其表达, 提高青蒿素的合成(Lv et al., 2019)。在广藿香(Pogostemon cablin)中, 转录因子SPL9通过直接结合倍半萜合酶基因TPS21的启动子激活其表达, 促进老龄组织中倍半萜的生物合成(Yu et al., 2015)。木本植物川桑(Morus notabilis)中, 转录因子MnSPL7通过激活儿茶素合成途径MnTT2L2基因的转录响应家蚕的取食行为(Li et al., 2022a)。

AtCBF2是拟南芥低温响应基因, 调控85个低温诱导基因和8个低温抑制基因的表达。当拟南芥遭受低温胁迫时, AtCBF2及下游低温响应基因被快速诱导表达(Vogel et al., 2005)。Zhao等(2022b)研究表明, 拟南芥转录因子AtSPL9通过直接与AtCBF2的启动子结合正调控其表达, 参与拟南芥对低温冻害的耐受性调节。高温胁迫下, 拟南芥AtSPL1和AtSPL12通过激活由ABA受体PYL (pyrabactin resistance 1-like)介导的ABA信号转导途径, 提高拟南芥花序的耐热性, 降低花器官对高温胁迫的敏感性(Chao et al., 2017)。当水稻遭受低温逆境时, OsmicroRNA156通过调控转录因子OsSPL3的mRNA水平, 降低OsSPL3的表达丰度, 减弱转录因子OsSPL3对OsWRKY71表达的正调控作用, 进而消除OsWRKY71对下游抗寒基因的负调控, 增强抗寒性(Zhou and Tang, 2019)。此外, Shan等(2021)在耐冷型甘蓝(Brassica oleracea var.capitata) CT-923中发现, 转录因子BoSPL9b和BoSPL16b在低温胁迫下的表达丰度显著上调; 在苜蓿中过表达microRNA156或者对MsSPL13进行靶向RNAi敲除突变, 能够使苜蓿对热胁迫的抗性增强, 表明了转录因子MsSPL13负调节苜蓿的耐热性(Matthews et al., 2019)。

独脚金内酯(strigolactones, SLs)是高等植物中普遍存在的一种新型植物激素.近年来, 陆续有研究表明转录因子SPLs参与独脚金内酯信号转导与调控过程, 进而影响植物分蘖等表型构建.D53 (DWARF53)是SL信号通路的关键阻遏因子, Song等(2017)研究发现, 水稻D53能够与IPA1 (Ideal Plant Architecture1, 即转录因子OsSPL14)互作, 抑制IPA1的转录, 且IPA1还能直接与D53的启动子结合调控其表达.玉米中也发现有类似的调控途径.例如, Liu等(2021)指出, D53与UB3和TSH4存在互作, 并抑制它们对TB1的转录激活, 进而促进玉米分蘖, 且D53还可以结合UB3和TSH4的启动子抑制其转录.此外, Yang等(2022)研究发现, 柳枝稷PvSPL2可直接正调控SL生物合成重要基因PvLBO的表达. ...