热带作物学报2015,36(3):629—637 Chinese Journal of Tropical Crops 植物WRKY转录因子家族Group lI a 基因研究进展 罗昌国1,袁启凤 ,裴晓红 ,吴亚维 ,郑伟 ,匪 z 1贵州省果树科学研究所.贵州贵阳 550006 2南京农业大学园艺学院.江苏南京210095 摘 要 WRKY基因家族编码是植物特有的转录因子,根据WRKY的保守结构域和进化关系可分为Group I、 Ⅱ和Ⅲ,其中GroupII进一步分为II a、II b、ⅡC、II d、I1 e。Group IIa基因之间具有很高的同源性,基因功 能多样,关系复杂。对GroupⅡU基因的结构和在植物抗病性与环境胁迫中的作用.以及主要机制等方面研 究进行综述.为GroupIIa基因的后续研究提供参考。 关键词WRKY转录因子;基因进化;胁迫;机制 S432.2 文献标识码A 中图分类号Research Progress on WRKY Transcription factors Group II a gene in Plants LU0 Changguo ,YUAN Qifeng—l,PEIXiaohong —wu Yawei ,ZHENG Wei ,匡旦 h星 1 Institute of Fruit,Guizhou Academy of Agricultural Science,Guiyang,Guiyang 550006,China 2 College of horticulture,Nanjing Agriculturl Uniaversity,Nanjing,Jiangsu 210095,China Abstract WRKY gene family encodes plant—specific transcription factors.According to the conservative domain and the ev0lutionary relationship,the WRKY family can be divided into Group I.II and 11I,Group II Can be further divided into 1I a,II b,II e,II d andⅡe.There are very high sequence homolog,diverse gene functions and complicated relationship among Group II a genes.In these paper,we review recent progress in the genes structure, he ftunctions in plant disease resistance and environmental stress.and the regulation mechanisms of GroupII a Key words WRKY transcription factors;Gene structure;Stress;Regulation mechanisms. KY. doi 10.3969/j.issn.1oo0-2561.2015.03.031 转录因子(transcription factor).又称反式作用 ACID INSENSITIVE 3)/VP1 fVIVIPAROUS1)、ARF 因子(transacting factor),是指能够结合在靶基因上 游(启动子区)顺式作用元件上的蛋白质,这些蛋白 质能靶基因的转录 转录因子可以核糖核 fauxin response factor)、SBP(SQUAMOSA—promoter binding protein)[31。拟南芥中WRKY氨基酸的长度 从109(AtWRKY43)到1 895(AtWRKY19)个,序列 酸聚合酶(RNA聚合酶,或叫RNA合成酶)与DNA 模板的结合.即典型的转录因子具有DNA结合域 和核定位信号等功能域。植物常见转录因子包括 WRKY[Trp(W)一Arg(R)一Lys(K)一Tyr(Y),色氨酸一精氨 酸一赖氨酸一酪氨酸1、ABI3/VP1、AP2/EREBP、 MADS、MYB、NAC(又名NAM,ATAF,CUC2)等 长度相差最大可达10余倍.其中保守结构域约含 有60个氨基酸序列。包括N端的WRKY到C端 的Cx,_5Cx _23HxH或Cx7Cx23HxC保守序列。WRKY 的保守结构域也是转录因子的DNA结合域,WRKY 的名字也源自WRKY这一保守序列[4-习。在少数的 WRKY蛋白中。WRKY序列被 RY、WRSY、 RY、 WVKY取代[61 WRKY的C端是一个保守的锌指结 约70个家族。约占植物基因总数的10%【1-21。其中 植物特有的转录因子家族有WRKY、NACfCUP— 构。其锌指结构为Cx4-5Cx22_z ̄HxH或Cx7Cx23HxC。 根据蛋白结构域的数量可将WRKY分为Group I、 Ⅱ和111。Group I具有2个WRKY结构域,GroupⅡ 和GroupⅢ只有1个WRKY结构域:Group I、Ⅱ的 SHAPED COTYLEDON 2)、ERF[(APETALA 2(AP2) /ethylene—responsive element binding factor)1、NAM fNO APICAL MERISTEM)、NAC、ABI3(ABSCISIC 收稿日期2014—09—20 修回日期2015—01—03 基金项目贵州省自然科学基金项目“苹果不同品种对白粉病的抗性机制研究”;贵州省农业科学院研究生科研创新基金项目“苹果新WRKY 基因挖掘及其表达特性研究”。 作者简介罗昌国(1974年一),男,博士;研究方向:果树抗病基因工程和分子生物学研究。E-mail:luochangguogz@21cn.corn。 ——630—— 热带作物学报 第36卷 锌指结构为Cx4-sCx必HxH,而Group11I锌指结构为 Cx7Cx23HxC GroupⅡ基因根据氨基酸的一级结构 可再进一步分为Ⅱa、Ⅱb、lI C、lI d、11 e[7--81。 不同的物种中.WRKY的数量不一样,低等植物 种类较少.从几个到几十个不等;高等植物WRKY 数量比较多.有几十到上百个不等I9—01。WRKY在 植物抗病、抗逆等方面的作用取得了很多的研 究成果.并且已有一些研究综述,但这一大家族中 的Group IIa基因成员之间同源性高.关系紧密而 复杂。对这一细分基因类型的结构、功能进行总结 0 0 可为后期研究提供参考。 1 Group H a WRKY转录因子结构 WRKY转录因子的发现可追溯到20年前. II11 GroupIIaW腿Y基因起源示意图 Fig.1 ModeloftheoriginofGroupIIaWRKY Ishiguro等[111第一次发现WRKY蛋白具有结合DNA 的特性,并命名为SPF1(SWEET POTATO FACTOR1), 第2个报道的WRKY是在发芽过程中基因表 达的DNA结合蛋白ABF1和ABF21121 第3个报道 的是从欧芹(Petroselinum crispUm)中鉴定的WRKY1、 WRKY2、WRKY3,并首次创造了“WRKY”转录 因子一词嗍。 GrouD I1 a WRKY蛋白保守结构域包括LZ、 WRKYGQK和Cx Cx篮HNH,它们都能影响WRKY 的结合能力(图2)。LZ(Leu zipper)结构域中亮氨 酸(Leu)数量的多寡直接影响到蛋白的结合能力. 这一现象在被削弱LZ结构域之后的AtWRKY18酵 母双杂实验中已经得到印证.而AtWRKY60的Lz 据Yamasaki等[31的研究.WRKY可能从简单的 微生物归位内切酶C2H2 ZnF或BB仪一metal开始 进化.到了单细胞真核生物就形成最原始的 WRKY.再进化形成绿藻的WRKY.最后进化形成 结构域中Leu在2个位置上被其它蛋白所取代则可能 是导致其蛋白结合能力较AtWRKY40和AtWRKY 1 8 低的原因[堋。2005年,Yamasaki等首次报道了 WRKY结构域的溶液构象结构,由4个B一折叠 (B—sheet)和Cys/His锌指构成一个锌结合口袋 (zinc—binding pocket)。WRKYGQK一般位于N端 的B一折叠,构成蛋白的突出面,伸人DNA大沟并 与DNA接触.并结合到W—b0x上[18-20] 野燕麦 (Avena fatua)Group 11 a WRKY转录因子ABF2结 合蛋白可识别并结合到W—box(TYGACC/T).但是 在加入二价金属失活剂1.10一O一菲咯啉螯合物 高等植物的WRKY。Zhang等[71分析认为Group I WRKY属于比较原始的类型,Group II由Group I 进化而来.Group111由GroupII d和GrouplI e进化 而来(图1)。比较原始的贾第鞭毛虫Giadi0 lambli口 只具有Group I类型基因.到了绿藻则具备了 Group I和Gmuplll类型的WRKY.到藓类(Physcomizrella patens)就具备了Group I、GroupⅡ、Groupnl类型 的WRKY。但Group11类型还不完全.还缺少其中 的Group 11 a和Group II e.被子植物则具备了种类 齐全的WRKY(表1) 表1 一 (1,10一O—phenanthroline)可使结合不能进行,支持 了锌指结构的存在『l2 】y基因在物种中分组情况 Table 1 WRKYgenesindifferentgroupsofdiferent species 物种 Chamydomonas reinhardtii Osgl'eOCOCClI ̄tauri Physcomitrella patens Arabidopsis thaliana Solanumlycopersicum Oryza sativa Zea Group I GroupⅡa GroupIIb GroupH c GroupIId GroupH e Groupm None group Totall Refs 2 17 17 16 15 29 5 7 6 7 0 8 17 11 17 5 14 11 [15】 [6] [16] 36 31 14 ——632— 热带作物学报 第36卷 的关键基因或蛋白来植物的抗病性。对Group lI a WRKY植物抗病性的认识最初得益于拟 南芥 1(NON EXPRESSOR 0F PA TH0GENES ̄- RELA TED GENES1)基因的研究.对Ⅳj 启动子 分析发现它具有WRKY结合的W—box.凝胶迁移 滞后实验(electrophoretic mobility shift assays.EMSA) 证明了AtWRKY18可结合到Ⅳ 的W—box上【21]. M 通过下游咫 (pathogenesis—related)广泛 植株的抗病性[22-24].因而AtWRKY18可能通过 NPR_7来植物抗病性圄。EDS1f删ⅣC肋 DISEASE SUSCEPTIB儿, J『1是拟南芥中另一个调 控植株对活体营养型和半活体营养型病害抗性的网 络[261.EDS1的启动子区亦具有W_bOX,ChlP(chromatin immunoprecipitation1实验也证明了AtWRKY40可结 合到EDS1的W—box上[271 除了通过结合到W—box 上目的基因外.Group lI a WRKY转录因子还 与一些网络中重要的抗病蛋白互作.大麦 尺 y 、 RKY2与拟南芥AtWRKY18、 AtWRKY40同源.其编码的蛋白则通过与MLA (mildew-resistance locus A)互作来白粉病抗性 。 研究Group11 a WRKY在抗病网络中的角 色十分有助于学者对基因功能的了解.但是目前的 研究还不能完全诠释基因的表达现象 在病源诱导内 源基因表达方面.很多病原菌都能诱导Group 11 a WRKY基因的表达.但在不同病原菌或不同诱导 条件下基因的表达特点不一样.一方面不同病源菌 诱导相同基因表达量最高的时间点不一样.另一方 面同一病原菌诱导不同的基因表达强度和时间点也 不一样。拟南芥3个Group IIa WRKY基因受细菌性 叶斑菌(Pseudoinorta ̄syringae pv.Tomato DC3000) 和灰霉菌(Botrytis cinerea)诱导表达特点明显不同. AtWRKY18同时受到细菌性叶斑菌和灰霉菌诱导 上调表达明显.而AtWRKY40仅受灰霉菌诱导. AtWRKY ̄仅受细菌性叶斑菌诱导.但后两者诱 导强度均不及AtWRKY18。在接种不同的病原菌 试验中.AtWRKY18表达量最高的时间点出现在 接种细菌性叶斑菌后4~8 h,而灰霉菌在接种后的 24 72 ht切。水稻中,Group 1I a基因有4个成员 RKy28、OsWRKl厂62、OsWRKY ̄和OsWRKY ̄. 它们都受稻瘟病菌(Magnaporthe 0 1和几丁质激 发子(chitin elicitor)的诱导上调表达。OsWRKY28、 R y 受几丁质诱导表达在2 h内达到最高. 而Os R y62、0s RKY76则在4~8 h内 .并且 诱导强度明显较前者高【鲫 结合网络分析和大 量的内源基因表达分析.可增进了解上下游基因之 间、不同信号通路之间关系,Group 11a WRKY基 因在病原菌诱导表达中表现出来的复杂现象,可能 与不同病菌对植物为害所依赖的信号通路不一样. 而不同的GroupⅡa WRKY基因在相同或不同的 网络中所扮演的角色也不一样。 过量表达目的基因可放大基因的功能.便于学 者观察基因功能及下游基因受的情况。在基因 过量表达试验中.AtWRKY18正细菌性叶斑 病的抗性.At RKY40和AtWRKY60则起到负调 控的作用 过量表达AtWRKY18增强成熟拟南芥 植株(5-6周)抗细菌性叶斑病,并提高了抗病相关 基因艘』、艘2、咫 的表达,但幼龄期转基因植 株即不抗DC3000.也不提高前述抗病相关基因的 表达【"一31 单独过量表达Af KY40或AtWRKY60 的植株对DC3000抗性没有影响.同时过量表达 A tWRKY18A RKy D或A tWRKYI ̄tWRKY60两 个基因植株反而更感DC3000.但是同时过表达 AtWRKY40AtWRKY60则没有影响 在表型上过量 表达A tWRKY40和过量表达A tWRKY18的表型相似. 即出现较多锯齿状叶.而过表达4 尺KY60则没有 了出现表型上的明显变化【】7J 过量表达OsWRKY71 增强水稻植株抗白叶枯病菌(Xantho,加n∞oryzae pv. otyzae,简称Xoo),并提高抗病相关 .f、 Ⅳj 的表达 。过量表达试验进一步说明了NPR1信号 通路是Group 11 a WRKY对植物抗病性的重要 途径之一.一些过量表达GroupⅡa WRKY基因试 验中能观察到NRP1的下游基因PR,明显上上调 表达。而一部分试验并没有观察艘基因的明显变 化。其中原因包括不同的Group IIa WRKY基因成 员功能不同,所依赖信号通路也不一样:部分 Group II a WRKY基因成员表达具有时空的特点. 基因功能只能在特定的时间和空间发生 通过突变或干涉目的基因验证基因功能是最有 效的手段。在突变体中,拟南芥Group II a WRKY 基因细菌性叶斑病抗性的作用和基因成员之间 相互影响的关系得到进一步证实.AtWRKY40或 AtWRKY60突变(即失去负作用)后提高细菌 性叶斑病的抗性,但只有在WRKY18也被突变 (即失去正作用)的情况下发生。目前.拟南芥 Group 11 a RKl,基因的单突变体’、双突变、三突 变均已获得,AtWRKY18、AtWRKY40、AtWRKY60 中任何一个基因突变对细菌性叶斑菌和灰霉菌的抗 性影响不明显,但是双突变体wrky_『 D、 箩3期 罗昌国等:植物wRKY转录因子家族Gr0up II。基因研究进展 因的表达 一633一 wrky18wrky60或三突变体wrky18wrky40wrk 0表 低温诱导OsWRKY28和OsWRKY62 现出抗细菌性叶斑菌,而感灰霉菌旧。双突变体 wrkyl8wrky40还表现出抗白粉病,而AtWRKY18、 下调表达,盐胁迫诱导OsWRKY28上调表达[431。 牛耳草Boea hygrometrica)BhWRKY1属于GroupⅡU WRKY基因(与AtWRKY60、OsWRKY7/同源), AtWRKY40单突变体和野生型拟南芥均不抗白粉 病[271。对水稻GroupⅡU Ky基因进行干涉后. 植株表现抗白叶枯病菌X00[331 Group lIU WRKY基因除了通过参与某些植物 抗病信号通路来植物抗病性外.还直接了 植物抗性物质植保素的合成过程 在植物植保素合 成方面.棉花GaWRKY1可结合到杜松烯合成 酶CADf(+)一8一cadinene synthase]基因启动了的W— box上.倍半萜类(Sesquiterpene)植保素的合 成.GaWRKY1受病原菌Verticillium dahliae诱导 上调表达 。拟南芥无论接种还是未接种白粉菌. wrkyl8 wrky40中的camalexin(一种植保素)也极显 著高于野生型 接种白粉菌后.EDS1信号通路相 关基因EDS1、PAD4、CYP71A13上调表达,尤其是 wrkyl8 wrky40中明显高于野生型 说明camalexin 合成与EDS1通路在拟南芥白粉菌侵入前的抗病作 用十分重要[271 2.2 GroupIIa WRKY基因与植物环境胁迫 Group 11U 尺 y基因参与植物的非生物胁迫 包括了温度、水分等的胁迫,其作用方式主要通过 胁迫相关的信号通路或胁迫相关的一些关 健基因。脱落酸ABA信号途径参与了干旱、冷、 盐等植物非生物胁迫反应∞.Group lI a WRKY转 录因子在拟南芥的非生物胁迫及ABA信号通 路中作用已经有了较为深入的认识.AtWRKY40 受到外源ABA处理及盐、干旱、冷胁迫诱导上调 表达 目前.AtWRKY40或其同源基因在非生物 胁迫中机制包括以下几方面,一是它直接与 ABA受体蛋白ABAR互作或直接结合到ABA信号 通路关键基因的W—box元件上[1o,3/-391:二是结合到 胁迫应答基因的W-box上:三是结合到胁迫代谢途 径相关基因的W—box上。编码线粒体重要蛋白的 3个关键基因A OXla(alternative oxidase la)、NDB2 fNADH dehydrogenase B2)和BCSI(AAA ATPases)的 启动子区都具有W—box元件.这3个基因与线粒 体反向介导(mitochondrial retrograde regulation) 胁迫反应密切相关.AtWRKY40蛋白结合在这3 个基因的W—box上.了这些基因的表达 。 烟草和大豆的GroupⅡa WRKY基因也参与了胁迫 应答【4”。HvWRKY38与 f珊KY40、OsWRKY71、 ABF2同源性很高.低温处理和干旱明显诱导该基 干旱处理和ABA处理均诱导该基因上调表达. ChIP等的实验表明.BhWRKY1特异地结合在肌醇 半乳糖苷合成酶GolS(galactinol synthase)基因启动 子W—box上.GolS是催化棉子糖家族寡糖RFOs (rafifnose family oligosaccharides)生物合成的第一 个步骤。而RFOs是重要的渗透调节物质.在植物 干旱、低温等非生物胁迫中起十分关键的作用[441。 蒺藜科Larre0 triedntara植物是沙漠中极耐干旱的 常绿灌木.LtWRKY21与AtWRKY40同源.它调 控ABA诱导基因HVA22及ABA信号通路重要基 因 用、ABI5的表达嗍。 2.3 GroupIIa WRKY基因与植物生长调节剂的关 系 目前研究显示.Group 11a珊 y基因与大部 分的植物生长调节剂都有直接或间接的联系。 Ⅳ J『 和肋.s 闭对植物抗病性的都常依赖 于水杨酸SAfsalicylic acid)信号通路,SA诱导 AtWRKy4 ̄71和AtWRKY18上调表达.但过量表达 AtWRKY18并没有提高植株的SA含量[31】。同属于 GroupⅡa的水稻OsWRKY62[3o,481、OsWRKY7/ 、 OsWRKY76【蚓、葡萄 珊Kl,3 亦受SA或SA信 号通路激活药剂BTH(Benzothiadiazole)处理诱导上 调表达 NPR1还是联系SA和茉莉酸JA(jasmonic acid)/ ̄烯ET(ethylene)信号通路之间的重要节点 。 因此很多参与这信号通路的基因同时受到SA和JA 的诱导表达.例如Os y 还受茉莉酸甲酯 MeJA和1一氨基环丙烷一1一羧酸ACC(ET的前体)处 理诱导上调表达圈:棉花GroupⅡa WRKY基因 GnWRKY1受MeJA和SA诱导表达[341。JA信号通 路中一些重要的基因如LOX2,A0S JAZ7,JAZ8 和JAZIO等的启动子区都具W—box.实验也证实 了AtWRKY40可结合到 Z8的W-bOX上 。MeJA 处理野生型拟南芥均能诱导AtWRKY18、AtWRKY40、 AtMYC2上调表达.在JA信号通路被阻断的coil 突变体中则不能被诱导表达[51】.而AtMYC2、CD 是JA信号通路中的重要基因[521,进一步说明了 Group 11 a WRKY基因与JA信号通路之间的密切 联系 拟南芥Group lI U WRKY基因与ABA信号 通路的联系体现蛋白和基因两个层面.在ABA刺 激下.应用酵母双杂交(yeast two—hybrid)、CoIP —.634—— 热带作物学报 第36卷 fdoimmunoprecipitafion1、BiFC(bimolecular uorescence c0mplementation1和生物化学(biochemical appmaches) 技术在体外或体内都证实了AtWRKY40蛋白与ABA 受体蛋白AtABAR(ABA receptor)的C端互作, AtWRKY18、AtWRKY60亦与AtABAR互作,但是 强度不及AtWRKY40.而无ABA刺激或无效浓度 的ABA则没有互作的现象发生 AtWRKY40蛋白 还可结合到ABI4和ABI5启动子区的W—box上. 并抑制这2个基因的表达 。而ABAR、A 和 ABI5等都是ABA信号通路中的重要基因f53]。不同 GroupⅡU WRKY基因成员或不同的物种上的同源 基因受植物生长调节剂的诱导或又有所不同. 在ABA、IAA、GA3、MeJA、SA处理中,水稻4 个Group 11 U WRKY基因只有0s RK】, 受ABA 诱导表达。在ABA、IAA、GA3、MeJA、SA处理 中.水稻Ds KY28、OsWRKY62和 尼 y76 均不受ABA诱导表达.OsWRKY28仅受SA诱导 上调表达;OsWRKY62受IAA、GA3、SA诱导上 调表达;OsWRKY76受IAA、GA3、MeJA诱导上 调表达【43] 虽然OsWRKY71只受到ABA的诱导表 达.但是OsWRKY71却是联系ABA和GA信号通 路的重要桥梁 大麦Group lI U WRKY基因 HvWRKY38则是联系ABA、SA与GA信号通路的 重要桥梁【55J 从目前已取得的研究成果看.Group IT U WRKY基因与植物生长调节剂的关系可能远 超目前研究的认识 种子发芽试验中也说明了 Group 11 a WRKY基因与ABA之间的关系.两者具 有类似的作用。ABA抑制种子的发芽.拟南芥 Group 11 U WRKY基因表现负种子发芽的作用 MS培养基添加ABA发芽试验中.单基因过量表达 植株AtWRKY18一OE和AtWRKY60一OE发芽率都 降低.尤其AtWRKY18一OE极显著降低.对ABA 也特别敏感;wrkyl8、wrky60提高种子发芽率, wrky40降低种子发芽率[391 2.4 Group1Ia WRKY基因之间的关系 生命是一个复杂的有机体.尽管植物Group 11U WRKY基因成员只有几个.但是成员之间的关系 比较紧密而复杂 首先GroupIIa WRKY蛋白结合 能力不同,决定了它们在某些功能上有主次之分: 其次.在一定条件下.某些Group lI U WRKY基因 功能的实现有赖于其它成员的表达情况.即由 Group II a WRKY基因主导某些植物性状取决于不 同成员基因产物的平衡关系 通过WRKY结构域 结合到靶基因的W—box上基因表达是多数 WRKY转录因子的主要方式【7-踟,这一方式也 在Group11 a中得到充分体现,当WRKY结构域缺 失或被替代.即失去结合的能力。它们的蛋白不但 可以单独结到靶基因的W—box上.而且还可以形 成蛋白复合体的形式增强其结合到靶基因上的能 力 酵母双杂交实验证明(yeast two—hybrid assays) GroupHa WRKY蛋白之间可以形成同源(homoc0nlp】eⅪes) 或异源(heterocomplexes)的蛋白复合体,复合体与 W—box结合能力取决于蛋白的组合,即结合能力从 强到弱依次为AtWRKY4o、At'邪KYl8、A WRKY60 71。 值得关注的是.GroupIIa WRKY与ABA受体蛋白 AtABAR的结合能力与W—box有相似的次序[381,但 目前还缺少GrouDⅡa WRKY蛋白复合体与 AtABAR的结合能力的研究报道。与W—box的结 合能力除了与GroupIIa WRKY蛋白种类和构成有 关外.还与W—box的两侧序列有关,因为靶基因 的启动子区上往往存在多个W—box.因此在某些 实验条件下甚至观察不到AtWRKY60结合W—box 的情况[561 在基因之间关系上.无论在过量表达还 是在突变体的Group II U WRKY基因实验中. A£ R l, D和A 珊Ky 对拟南芥的细菌性叶斑 病DC3000抗性负作用都受到AtWRKY18的 影响.即当AtWRKY40和AtWRKY60过量表达或 突变时.AtWRKY18必需同步过量表达或突变才 能实现负的作用[117 在拟南芥白粉病抗性 上.AtWRKY18与AtWRKY40同样表现出紧密的联 系,2个基因必需同步突变的植株才抗白粉病[271。 此外.Group1Ta WRKY还可与其它的WRKY组成 蛋白复合体.如OsWRKY51与OsWRKY71结合后 可以增强OsWRKY71结合到Amy32b启动子W-box 上的能力[541 虽然已经有一些涉及Group I1 U WRKY 基因成员之间关系的研究事例.但要了解他们之间 的作用位点、作用机制等还有待更多、更深入的研究。 3展望 GroupⅡa WRKY基因之间无论在不同的植物 上还是在同一植物不同成员之间的序列和空间结构 都具有很高的相似性.尤其是WRKYGQK和 CxsCx23HNH保守结构域部分.但是它们的功能和 机制却比较复杂。首先.成员之间功能差异很 大.同一种植物内不同Group 11U WRKY基因之间 功能和W—box结合特性不同。其次.不同种植物 上同源基因之间的功能和机制可能也存在较大 的差异,例如同一个属内的湖北海棠(抗白粉病)和 富士苹果(感白粉病)之间的Group 11U WRKY同源 第 期 罗昌国等:植物wRKY转录因子家族Gr0upⅡ 因研究进展 一635一 基因在白粉病侵染过程中表达特点有比较大的差 异[ ̄7-5s]。最后,不同物种的Group II a WRKY基因 成员在数量上差异上也很大.例如拟南芥只有3 个,而玉米多达7个。数量上的差异与功能上的异 transcription factor[J].J Biol Chem,2012,287(1o1:7 683-7 691. [4】Rushton P J,Tortes J T,Pamiske M,et .Interaction of elicitor—induced DNA-binding proteins with elicitor response elements in the promoters of parsley PR1 genes[J].EMBO J, 1996,15(2o):5 690-5 700. 同有何关系,其上、下游基因有哪些?目前对这方 面的了解还十分有限。而Lz结构域变化相对较 【5】Eulgem T,Rushton P J,Robatzek S.The WRKY superfamily of plant transcription factors[J].Trends in Plant Science,2000, 大,不但在亮氨酸数量上有变化.而且在亮氨酸两 侧序列变化也十分丰富.除了亮氨酸数量对蛋白结 合能力有影响外。亮氨酸两侧序列和其他非保守结 构域对蛋白结合能力的影响还有待于更多深入的研 究。W—box两侧序列对WRKY选择性结合或识别 具有十分重要的作用.目前已测序的被子植物基因 数量都在2万个以上.很多基因都具有多个W—b0x 元件.数量庞大的W—box两侧序列对Group lI a WRKY的识别是否有规律可循值得深知.对这些 问题的深人研究将助于了解GrouD II a WRKY转录 因子如何有序地结合到不同靶基因的W—box上并 实现其功能 植物生存常常面临复杂变化的环境和各种各样 的胁迫.不同GroupⅡu WRKY对各种抗性的 是一个动态的过程.目前对这一过程的研究也才刚 刚开始 Group 11a WRKY基因所的很多抗性 之间或信号通路也存在着错综复杂的关系.以及调 控过程中所依赖的不同植物激素之间都可能存在一 定的平衡关系。活体营养型病害(如白粉病)和死体 营养型病害(如灰霉病)所寄生的寄主细胞命运是截 然不同的.前者不会杀死寄主细胞.后者必须杀死 寄主细胞。不仅如此。植物对活体营养型病害的抗 性主要依赖于SA及相应的信号通路.死体营养型 病害则依赖于JA/ET及相应的信号通路.而SA与 JA/ET之间常常表现出拮抗作用[59-62] 然而现有研 究结果表明.Group lIa WRKY基因都参与2 种病害的抗性.而当植物同时受到2种类型病害侵 染或者受到不同类型病原菌交互侵染时.Group 11 a WRKY基因如何实现其功能.还有待进一步 研究 参考文献 [11 D"Hont A,Denoeud F,Aury J M,et a1.The banana(Musa actmdna ̄)genome and the evolution of monocotyledonous plants[J]. Nature,2012,488(7 41 o):213—217. 【21 Velasco R,Zharkikh A,Affourtit J,et .The genome of the domesticated apple(Ma/us domestica Borkh.)【J].Nat Genet, 2010,42(1 o】:833—839. 【3]Yamasaki K,Kigawa rr'Watanabe S,et a1.Structural basis for sequence-speciifc DNA recognition by an Arabidopsis WRKY 5(5):199-206. 【6】Xie Z,Zhang Z L,Zou X,Huang J,et a1.Annotations and functional analyses of the rice WRKY gene superfamily reveal positive and negative regulators of abscisic acid singaling in iaeurone ceils叨.Plnat Physiol,2005,137(1):176-189. [7]Zhang Y,Wang L.rrIle WRKY transcription factor superfamily: its origin in eukaryotes and expansion in plnats叨.BMC Eve1 Biol,2005,5:1-12. 【8】Rush ̄n P J,Bokowiec M T,Han S,et .Tobacco Transcription Factors:Novel Insights into Transcriptional Regulation in the oSlanaceaeL刀.Plant Physiology,2008,147(1):280—295. 【9]Shulaev V,Sargent D J,Crowhurst R N,et a1.The genome of woodlnad strawberry(Fragaria vesca)[J].Nat Genet,201 1,43 (2):1o9一l16. [10]Rushton D L'Tnpo ̄P,Rabara R C,et a1.WRKY transcription factors:key components in abscisie acid signalling[J].Plant Biotechnol J,2012,10(1):2-1 1. 【111 Ishiguro S,Nakamura K.Characterization of a cDNA encoding a novel DNA-binding protein,SPF1,that recognizes SP8 sequences in the 5 upstream regions of genes coding for sporamin and beta-amylase from sweet potato[J].Mol C.en Genet,1994,244 (6):563—571. 【12】Rushton P J,Macdonald H,Huttly A K,et a1.Members of a new family of DNA-binding proteins bind to a conserved cis— element in the promoters of alpha-Amy2 genes[J].Plnat Mol Biol,1995,29(4):691-702. [13】Rensing S A,1.ang D,Zimmer A D,et o1.The Physcomitrella genome reveals evolutionary insights into the conquest of lnad by plants[J].Science,2008,319(5 859):64—69. 【14】Eulgem Rusbton P J,Robatzek S,et nf.The WRKY superfamily of plant transcription factors[J].Trends Plant Sci,2000,5(5): 199—206. 【15】Huang S,Gao Y,Iju J,etⅡf.Genome-wide analysis of WRKY rtanscription factors in Solarium lycopersicum[J].Mol Genet Genomics,2012,287(61:495-513. 【16]Wei K F,Chen J,Chen Y F,etⅡf.Molecular phylogenetic nad expression analysis of the complete WRKY transcription factor family in maize叨.DNA Res,2012,19(2):153—164. [17]Xu X,Chen C,Fan B,et a1.Physical and functional interactions between pathogen-induced Arabidopsis WRKY18,WRKY40, nad WRKY60 trnascription factors[J].Plnat Cell,2006,18(5): 1 310-1 326. [1 8]Yamasaki K,Kigawa T,Inane M,et a1.Solution structure of all Arabidopsis WRKY DNA binding domain[J].Plnat Cell, 2005,17(3):944—956. 【19】Duan M R,Nan J,Linag Y H,et a1.DNA binding mechanism 636 热带作物学报 第36卷 revealed by hish resolution crystal structure of Arabidopsis thaliana WRKY1 protein[J].Nucleic Acids Res,2007,35(4): 1 145—1 154. 【20]Babu M M,Iyer L M,Balaji S,et o1.The natural history of the WRKY-GCM1 zinc fingers and the relationship between transcription factors and transposons[J].Nucleic Acids Research, 2Oo6,34(22):6 505-6 520. [21】Yu D,Chen C,Chen Z.Evidence for an important role of WRKY DNA binding proteins in the regulation of NPR1 gene expression[J].Plnat Ceu,2001,13(7):1 527—1 540. [22】Cao H,Glazebrook L Clarke J D,et o1.The Arabidopsis NPR1 gene that controls systemic acquierd resistance encodes a novel protein containing ankyrin repeats[J].Cell 1997,88(1):57-63. [23】Clrake J D,Iju Y,Klessig D F,et o1.Uncoupling PR gene expression from NPR1 and bacterial resistance:characterization of the dominant Arabidopsis cpr6-1 mutant[J].Plant Cell,1998, 1O(4):557-569. 【24]Kinkema M,Fan W,Dong X.Nuclear localization of NPR1 is required for activation of PR gene expression[J】.Plant Cell, 2000.12(1 21:2 339-2 350. [25】Spoel S I-L Koomneef A’Claessens S M C,et a1.NPR1 Mod ̄ates Cross-Talk between Salieylate-and Jasmonate-Dependent Defense Pathways through a Novel Function in the Cytosol[J].Plnat Cell,2003,15(3):760—770. [26]Wiermer M,Feys B J,Parker J E.Plnat immunity:the EDS1 ergulatory node.Curr Opin Plant Biol【J],2005,8(4):383-389. 【27】Pandey S Reeearo Schon et aL Transcripfional reprogramming regulated by WRKY18 and WRKY40 facilitates powdery mildew infection of Arabidopsis[J].Plant J,2010,64(6):912-923. 【28】Shen Q H,Saijo Y,Mauch S,et a1.Nuclear activity of MLA immune receptors links isolate-speciifc and basal disease-resistance responses[]J.Science,2007,315(5 815):1 098-1 103. 【29】Chujo T,Miyamoto K,Shimogawa T,et .OsWRKY28,a PAMP—responsive砸msII即Iess0r,negatively I_e 1ates innate immune responses in rice against rice blast fungus[J].Plant Mol Biol, 2013。82(1-21:23-37. [30】Ryu H S,Han M,Lee S K,et a1.A comprehensive expression naalysis of the WRKY gene superfamily in rice plants during defense response[J].Plnat Cell Rep,2006,25(8):836-847. [31]Chen C,Chen Z.Potentiation of Developmentally Regulated Plnat Defense Response by AtWRKY18,a Pathogen—Induced Arabidopsis Transcription Factor[J].Plant Physiology,2002,129 (2):706-716. [32】Liu X,Bai X,Wang X,et a1.OsWRKY71,a rice trnascription factor,is involved in rice defense response[J].J Plant Physio1. 2007,164(8):969-979. [33】Peng Y,Bartley L E,Canlas P,et o1.OsWRKY Ha Transcription Factors Modulate Rice Innate Immunity[]J.Rice(N Y),2010,3 (1):36-42. 【34]Cormack R S,Eulgem T,Rushton P J,et o1.Leucine zipper— containing WRKY proteins widen the spectrum of immediate early elicitor—induced WRKY transcription factors in parsley[J]. Bioehim Biophys Acta,2002,1576(1):92-100. 【35】Mahajan S,Tuteja N.Cold,salinity and drought stresses:an overview[J].Arch Biochem Biophys,2005,444(2):139—158. [36】Matsui A,Ishida J,Morosawa T'et .Ambidopsis transcriptome analysis under drought,cold,high—salinity and ABA treatment conditions using a tiling array[J].Plant Cell Physiol,2008,49 (8):1 135—1 149. 【37】Antoni R,Rodriugez L,Gonzalez—Guzman M,et a1.News on ABA transport,protein degradation,and ABFs/WRKYs in ABA signaling[J].Curt Opin Plant Biol,201 1,l4(5):547—553. 【38]Shang Y,Yan L Liu Z Q,et o1.111e Mg—chelatase H subunit of Arabidopsis antagonizes a group of WRKY transcription repressors to relieve ABA-responsive genes of inhibition[J]. Plant Cell,2010,22(6):1 909-1 935. [39】Chen H,Lai Z,Shi J,et nf.Roles of arabidopsis WRKY18, WRKY40 and WRKY60 transcription factors in plant responses to abscisic acid and abiotic sterss[J].BMC Plant Biol,2010, 10:20—26. [40】Van Aken 0,Zkmg B,Law S,et d.AtWRKY40 and AtWRKY63 mod&ate the expression of stress responsive nuclear genes encoding mitochondrila and chloroplast proteins[]j.Plnat Physiology,2013, 162:254—271. 【41]QⅫldhary M K,Basu D,Datta A,et a1.Dehydmlion—responsive nuclear proteome of riee(Ocza staiva L.)illustrates protein network, novel regulators of cellular adaptaiton,and evolutionary perspective[]j. Mol Cell Proteomics,2009,8(7):1 579-1 598. [42]Mare C,Mazzucotelli E,Crosatti C,et .Hv-WRKY38:a new transcription factor involved in c0ld—and drought—response in barley[J].P1ant Mol Biol,2004,55(3):399-416. 【43]Ramamoorthy R,Jiang S Y,Kumar N,et .A comprehensive transcriptional profiling of the WRKY gene family in rice under various abiotic and phytohonnone t ̄atments[J].Plant Cell Physiol, 2008,49(6):865-879. 【44]Wang Z,Zhu Y,Wang L, et a1.A WRKY transcription factor participates in dehydration tolerance in Boca hygrometrica by binding to the W-box elements of the galactinol synthase(BhGolSi) promoter[]j.Plnata,2009,230(6):1 155—1 166. [45]Zou X,Seemann J R,Neuman D,et o1.A WRKY gene from creosote bush encodes an activator of the abscisic acid signaling pathway[J].J Biol Chem,2004,279(53):55 770-55 779. [46】Zhang Y,Fan W,Kinkema M,et o1.Interaction of NPR1 with basic leucine zipper protein transcripfion factors that bind sequences required for salicylic acid induction of the PR-1 geneⅢ.Proc Nat1 Acad Sci U S A,1999,96(1 1):6 523—6 528. f47】Johnson C,Boden E,Arias J.Salicylic acid and NPR1 induce the recruitment of trans-activating TGA factors to a defense gene promoter in Arabidopsis[J].Plnat Cell,2003,15(8):1 846—1 858. [48】Shimono M,Sugano S,Nakayama et o1.Rice WRKY45 plays a crucila role in benzothiadiazole—inducible blsat resistance[J]. Plant Cell,2007,19(6):2 064—2 076. [49]Zhu Z,Shi J,Cao J,et nf.VpWRKY3,a biotic and abiotic stress-related transcription factor from the Chinese wild Vitsi pseudoreticulata[J].Plant Cell Rep,2012,31(1 1):2 109-2 120. 【50]Pieterse C M,Van Loon L C.NPRh the spider in the web of 第3期 罗昌国等:植物WRKY转录因子家Group l10基因研究进展 637 induced resistance signaling pathways[J】.Curt Opin Plant Biol, 2004,7(4):456-464. [51】Wang Z,Can G,Wang X,et o1.Identiifcation and characterization of COIl—_dependent transcription factor genes involved in JA—- 【59]Grant M R,Jones J D.Hormone(dis)harmony moulds plnta health and disease[J].Science,2009,324(5 928):750—752. 【60]Birkenbihl R P,Diezel C,Somssich I E.A rabidopsis WRKY33 Is a Key Transcriptional Regulator of Hormonal and Metabolic mediated response to wounding in Arabidopsis plants[JJ. Plnta Cell Rep,2008,27(1):125—135. Responses toward Botrytis cinema Infection[J].Plant Physiology, 2012,159(1):266-285. [61】Kazan K,Manners J M.JAZ repressors and the orchestration [52]Fonseca S,Chico J M,Solano R.The jasmonate pathway:the ligand,the receptor and the core signalling module叨.Curt Opin Plnt Biaol,2009,12(5):539-547. 【53】Raghavendra A S,Gonugnnta V K,Christmann A,et O1.ABA perception and signalling[J】.Trends Plant Sci,2010,15(7): of phytohormone crosstlk[J].Trends Planta Sci,2012,17(1): 22-31. [62]Robert—Seilniaantz A,Navarre L,Bail R,et o1.Pathological hormone imbalances[J】.Curt Opin Plant Biol,2007,10(4): 395-4O1_ [54]Xie Z,Zhang Z L,Zou X,et o1.Interactions of two abscisic— acid induced WRKY genes in repressing gibberellin singaling in aleurone cells[J].Plnat J,2006,46(2):231—242. 【55】Xie Z,Zhang L,Hanzlik S,et o1.Salicylic acid inhibits gibbereUin—induced alpha-amylase expression and seed germination via a pathway involving an abscisic—acid-inducible WRKY gene叨.Plnat Mol Biol,2007,64(3):293-303. [56】Liu Z Q,Yan L,Wu Z,et a1.Cooperation of three WRKY— domain transcription factors WRKY18,WRKY40,and WRKY60 in repressing two ABA—responsive genes ABI4 and ABI5 in Arabidopsis叨.J Exp Bot,2012,63(18):6 371—6 392. [57】罗昌国,渠慎春,张计育,等.湖北海棠MhWRKY40b在几种 胁迫下的表达分析【J].园艺学报,2013,4o(1):1-9.. 【58】罗昌国,袁启凤,裴晓红,等.富士苹: ̄MdWRKY40b基因克隆及 其对白粉病的抗性分析叨.西北植物学报,2013,12:2 382—2 387. 372-379 责任编辑:赵军明