GmPTF4亚细胞定位和染色质免疫共沉淀载体的构建文献综述

 2022-08-05 16:04:05

关于转录因子bHLH在大豆耐盐响应中的功能分析的文献综述

摘要：大豆是重要的粮食和经济作物。盐害作为主要非生物胁迫之一，对大豆的生长、结瘤、农艺性状、种子品质和籽粒数造成负面影响，最终会降低大豆的产量。了解盐害对大豆生产造成的具体影响，或者找到与大豆耐盐相关的基因并加以研究，能够帮助育种工作者在耐盐育种时进行针对性精确耐盐表型选择。我们综述了与植物耐盐相关的bHLH转录因子在植物耐盐中的作用及其研究进展。为之后的实验提供理论基础。

关键词：大豆、盐胁迫、bHLH转录因子

土壤盐渍化( soil salinization) 是指地下的盐分通过土壤颗粒的毛细现象随水分由地下到达地表，水分蒸发后盐分析出，导致土壤盐分累积，也称盐碱化。土壤盐化已经成为全球农业一个持续加剧的问题。耕地中积累的盐主要来源于海水、盐碱湖或灌溉水中的NaCl。土壤中盐浓度过高一方面会降低植物吸收水分的能力造成渗透胁迫；另一方面，根系吸收大量Na 与Cl-后造成的离子毒害，不仅抑制光合作用，而且Na 过高会抑制植物对必需元素K 的吸收，造成离子稳态平衡改变以及代谢失调。盐胁迫还会诱导产生活性氧，影响细胞膜的完整性和各种酶的活性等。尽管植物拥有一些耐盐的能力，但盐胁迫仍然造成作物产量显著下降。当今世界耕地面积的20%均受到不同程度的盐害影响，大豆是我国重要的粮食和经济作物。盐害作为主要非生物胁迫之一，对大豆的生长、结瘤、农艺性状、种子品质和籽粒数造成负面影响，最终会降低大豆的产量。了解盐害对大豆生产造成的具体影响，或者找到与大豆耐盐相关的基因并加以研究，能够帮助育种工作者在耐盐育种时进行针对性精确耐盐表型选择。开发利用耐盐植物资源，培育耐盐大豆、有效利用盐碱地对于全球农业发展及生态环境改善都具有重要意义。

  1. 我国土地盐渍化现状概述

目前，我国约有3460万公顷的土地遭受盐渍化危害，在西北、华北、东北西部和滨海等地区都有分布。约占全国可耕地面积的25%，极其严重限制了大豆栽培面积的拓展和产量的提升。盐渍土中含有高浓度的盐分导致植物生长减缓乃至植株死亡，是限制作物产量的主要非生物逆境因子之一【1】。由于人类活动以及工业化的发展，盐碱土壤的面积和土壤的盐碱化程度与日俱增，严重影响了作物的产量与品质。传统应对盐碱土壤的方法在短期内可以起到一定的作用，但是成本高，时效短且会造成进一步环境污染等缺点使这种方法有了很大的局限性。因此，如何利用植物基因资源，通过基因工程和分子育种方法培育出耐盐碱的植物新种质资源，提高植物在盐碱性土壤上的生产能力，从根本上解决盐碱土壤上作物的生长问题促进盐碱性土壤的可持续生产是刻不容缓的问题。

  1. 关于大豆的耐盐性的研究进展

大豆耐盐性是多基因控制的复杂数量性状，目前大豆响应盐胁迫和耐盐机制等方面已经取得显著进展。借助于高密度分子图谱，连锁分析及GWAS已成为定位大豆耐盐QTL、获得耐盐基因的有效手段。连锁分析能够有效定位到关键基因，然而其耗时较长，定位分辨率低，且群体后代遗传多样性有限，这大大限制了分子标记辅助育种的效率【2】。而自然种质群体在长期进化中积累大量重组和突变信息，有着较高的变异度和丰富的遗传多样性，GWAS能够实现QTL的精细定位，直接定位到基因本身也成为可能，然而群体结构和连锁衰减距离(LD)则会影响基因定位结果【3】。借助迅猛发展的高通量测序技术，综合利用这两种方法将有利于高效、精确地发现大豆耐盐连锁标记及定位大豆耐盐基因，并有望直接运用到大豆耐盐分子育种中，最终提高栽培大豆耐盐性【4】。另外，目前大豆耐盐研究主要集中在苗期阶段，据报道大豆不同生育阶段的耐盐机制不同，在实际生产上大豆芽期耐盐性是直接决定盐土上能否保证全苗和壮苗以及提高产量的关键，因此大豆芽期耐盐可能成为今后大豆耐盐育种研究的一个重要方面【5】。另一方面，得益于大豆基因组测序的完成和其它高等植物耐盐机制的研究，许多大豆耐盐相关候选基因被克隆并鉴定，然而局限于大豆转基因技术的不完善，大部分基因的功能尚未在大豆中得以验证，限制了其应用。进一步完善大豆转基因技术，不仅有助于验证大豆耐盐基因的功能，揭示大豆耐盐的分子机制，还有助于直接利用大豆耐盐基因资源，创建耐盐性优良的转基因大豆新品种【5】。此外，许多植物如红树、碱蓬及圣柳等具有较强的耐盐性，在长期与盐胁迫的抗争过程中，必然进化出一套完善的耐盐机制和相对应的耐盐基因，我们可以用分子生物学的方法研究其耐盐机制，并应用到大豆耐盐育种进程中来【6】。

三．转录因子bHLH的结构及其与植物的抗逆性的关系

bHLH(basic helix-loop-helix，碱性螺旋-环-螺旋)转录因子构成了真核生物蛋白质中的一个大家族，其成员在生物的生长发育调控过程中起着极为重要的作用。该家族具有特有的碱性区域/螺旋－环－螺旋基序(bHLH，basichelix－loop－helix)，其中碱性区域与DNA结合相关；而HLH结构域是同其他相关蛋白形成杂合二聚体所需的在植物抗胁迫方面，bHLH转录因子通常通过与DNA启动子区域的顺式作用元件相互作用从而调控下游基因的表达，进而增强植物的抗逆性，目前研究发现，bHLH转录因子主要通过识别E-box(CANNTG)来调控下游靶基因，E-box的形式多种多样，其中，G-box(CACGTG)最常见。此外bHLH蛋白还可以直接与一些功能性蛋白结合从而行使其功能【6】。由于bHLH转录因子在植物抵御外部胁迫的过程中起到了重要的作用，因此其在植物抗逆领域的功能和机制成为了一个重要的研究方向。bHLH基序约含60个氨基酸，由一个能与DNA结合的碱性区域(basic region)和alpha;螺旋1-环-alpha;螺旋2(Helix 1-Loop-Helix 2)组成，其中环的长度在不同bHLH蛋白中会有差异。自从1989年第一个bHLH蛋白的结构被解析以来，迄今为止已经有近1000条bHLH序列在不同生物中得到鉴定。动物bHLH因其调控基因表达的功能不同而被分成45个家族；此外，根据它们所作用DNA元件和自身结构特点又被分成6个组。A组包含22个家族，主要调控神经细胞生成、肌细胞生成和中胚层形成；B组包含12个家族，主要调控细胞增殖与分化、固醇代谢与脂肪细胞形成以及葡萄糖响应基因的表达；C组包含7个家族，主要负责调控中线与气管发育、昼夜节律、激活环境毒素响应基因的转录；D组只有1个家族，它与A组bHLH蛋白形成无活性的异源二聚体；E组有2个家族，调控胚胎分节、体节形成与器官发生等；F组也只有1个家族，调控头部发育、嗅觉神经元生成等。迄今为止，生物基因组中的bHLH家族成员数得到鉴定的动物共有15种，其中，人类118个、小鼠102个、河豚84个、文昌鱼78个、星形海葵68个、帽贝63个、Capitella sp。Ⅰ64个、果蝇59个、水蚤57个、紫海胆50个、红粉甲虫50个、玻璃海鞘46个、线虫39个、水螅33个、海绵16个。家蚕是重要的鳞翅目模式昆虫，家蚕基因组测序工作在2003年10月即已完成，而对于其中有多少个bHLH家族成员还未有报道【7】。

bHLHs能够参与多种生物进程，包括不对称的细胞分化、气孔分化、结节血管模式、花器官发生、腋分生组织的形成。bHLH转录因子在植物的许多生理过程中起到重要的作用。同样的在植物的抗胁迫作用bHLH转录因子也扮演着重要的角色。有大量报道指出bHLH转录因子家族基因在植物受到环境及非生物的胁迫时表达量会发生明显变化，并在植物对抗外界胁迫时起到重要作用【8】。近年来研究显示，bHLHs能够调节植物响应非生物胁迫。目前为止，bHLH是植物内发现的第二大转录因子家族，拟南芥中有167个编码bHLHs蛋白的基因被报道，在水稻中则有162个bHLH基因被发现。bHLH转录因子在植物抗逆方面的作用非常显著，但相对于其他植物逆境抗性相关的转录因子家族而言，bHLH转录因子家族在植物抗逆中的研究则相对滞后【9】。（1）bHLH参与植物适应缺铁胁迫反应：在拟南芥中，2个调控网络FIT和PYE，被明确用以调节缺铁胁迫反应。FIT和PYE是bHLH家族成员。由此可知，bHLH蛋白在维持铁离子平衡中具有重要作用【10】。（2）bHLH参与植物耐低温胁迫反应：近期研究显示，一些植物中的bHLH转录因子能够响应非生物胁迫。ICE1也被称为诱导CBF表达基因，它编码一个类似转录激活基因(MYC)的bHLH转录因子，在常温下钝化，在低温情况下能够特异地结合CBF3启动子中的MYC作用元件，诱导CBF3的表达，CBF3进一步结合到其下游目的基因启动子的DRE序列，诱导下游一系列冷诱导基因以及其他在植物寒冷适应中起作用的基因的表达，继而提高转基因植株的抗寒性【11】。（3）bHLH参与其他非生物胁迫反应：在干旱胁迫中，水稻OsbHLH148能够与OsJAZ蛋白互作通过调节茉莉酮酸酯信号转导途径来提高抗旱性【12】。

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