WRKY家族想做个自我介绍（二）

2023年3月29日 0条评论 433次阅读 0人点赞
在先前的推文“WRKY家族想做个自我介绍（一）”中小远主要和大家一起学习了WRKY在植物生长发育方面的研究成果，例如，调控种子休眠、萌发，调控幼苗的形态发生，调控植物的开花时间，以及调节配子发育等等，除了这些功能之外，WRKY在植物响应非生物（干旱、高温、低温、高盐等）和生物（细菌、真菌、昆虫等）胁迫方面也具有非常重要的作用，今天就跟着小远一起来学习这方面的内容吧~

1.背景介绍
植物在整个生命周期里会遇到各种各样的生物和非生物胁迫，为了应对这些不利的环境，植物在长期的进化过程中从形态、生理、细胞以及分子水平上形成了各种应对机制。许多转录因子基因可以帮助植物抵御不利条件，并被广泛用于作物育种的潜在候选基因。转录因子可以与靶标基因启动子区域的顺式作用元件结合来调控基因的表达，协调信号转导途径间的相互作用。随着现代分子生物学的不断发展，许多重要的植物转录因子被发现并进行了深入研究。WRKY作为高等植物中最大的转录因子家族之一，能与顺式作用元件W-box发生特异性相互作用。而W-box主要存在于与抗病虫害、干旱、低温、盐碱等相关抗性基因的启动子区域，其可以通过介导激素信号转导途径来调控植物抗性。

2.WRKY转录因子在植物非生物胁迫中的作用
当植物感受到压力时，相应的信号被激活并转移到细胞内部。活性氧（ROS）和Ca2+离子通常作为细胞内的信号转导进行交换。MPK等蛋白激酶随后被激活以调节相关转录因子的活性。因此，植物会出现应激反应。在应对非生物胁迫时，一些WRKY转录因子可以快速差异表达，促进信号转导并调节相关基因的表达(Jiang et al., 2008)。一个WRKY蛋白通常会参与多个胁迫响应的调控，有些甚至能同时在生物胁迫和非生物胁迫中起作用。近年来，科学家们基于WRKY基因的过量表达和敲除、基因组和转录组分析、基因芯片分析、实时荧光定量PCR等方法和技术，分析鉴定了多种植物中WRKY转录因子在非生物胁迫下的功能（图1）。

《WRKY家族想做个自我介绍（二）》

图1 WRKY转录因子对非生物胁迫的响应(Khoso et al., 2022)。

2.1
干旱胁迫

干旱是限制作物生长和产量最主要的环境因素之一。长期的干旱胁迫会导致植物光合速率下降，CO2吸收减少，生物积累量和产量下降。并且，干旱胁迫还会导致活性氧（ROS）产生，氧化损伤，离子毒性等损害植物的生长发育（图2）。WRKY转录因子在植物干旱过程中发挥着重大作用。SbWRKY30可以作为干旱的正调节剂，通过与植物耐旱基因SbRD19启动子中的W-box元件结合而诱导SbRD19表达，提高植物的抗旱性(An et al., 2020)。而VvWRKY13则可以作为干旱的负调节剂，使转基因拟南芥叶片中脯氨酸、可溶性糖含量减少，相关基因表达降低，从而使转基因植株对干旱更敏感(Hou et al., 2020)。玉米ZmWRKY40可以通过增强干旱胁迫下的过氧化物歧化酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）的活性来降低转基因品系中的活性氧（ROS）含量，从而增强转基因株系的抗旱性(Wang et al., 2018)。此外，WRKY转录因子通常参与ABA信号通路调节耐旱性。拟南芥WRKY57基因的过量表达会显著增加植株的抗旱能力，与野生型相比过表达植株体内的ABA含量增加。同时，抵抗胁迫的相关基因RD29A，ABA3和NCED3表达也上调。WRKY57通过调节ABA的水平和正向调控胁迫相关基因的表达增强了拟南芥的耐旱性。基于拟南芥T-DNA插入突变体abo3（Atwrky63）表现出对ABA敏感性和抗旱能力的下降，Ren等人通过分析发现AtWRKY63位于ABA信号传导途径中ABI1、ABI2和ABI5的下游，ABF2、RD29A和COR4的上游，这说明AtWRKY63可以通过调节ABA的水平参与调控拟南芥的耐旱性(Ren et al., 2010)。水稻OsWRKY30基因的过量表达可显著提高转基因水稻的耐旱性，进一步的研究证明OsWRKY30在MAPKs作用下的磷酸化是OsWRKY30发挥生物学功能的关键(Shen et al., 2012)。总之，WRKY转录因子既可以正向调节又可以负向调节植物的耐旱性，对于植物应对干旱环境具有非常重要的作用。

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图2 干旱胁迫对植株生长的影响(Khoso et al., 2022)。

2.2
高温和低温胁迫

温度在植物生长发育过程中起着非常关键的作用，当环境温度超出了植物的适应范围，就会对植物形成胁迫，温度胁迫主要分为高温胁迫和低温胁迫，它们都对植物的生长不利。温度胁迫被认为是一个重要的非生物胁迫，它会影响植物光合作用、氧化还原反应、细胞膜流动性、细胞渗透压、蛋白质和核酸的结构等。对植物而言，高温和低温都是限制其生长发育的不利因素。大量研究工作表明WRKY转录因子参与植物响应高温胁迫和低温胁迫的过程（图3）。

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图3 部分WRKY转录因子响应温度胁迫的信号通路图(Li et al., 2020)。

在高温胁迫下，拟南芥WRKY25、WRKY26和WRKY33可以通过调节Hsp101和Zat10基因来提高转基因拟南芥对高温胁迫的耐受性(Li et al., 2011)。遭受高温胁迫的植物可以通过乙烯激活氧化应激反应，进一步研究发现，AtWRKY25、AtWRKY26和AtWRKY33调控高温诱导的乙烯依赖反应过程，并表现出正向交叉调控的作用。由此说明，AtWRKYs正向调节高温应激反应的乙烯激活途径，并在植物的耐热性中发挥协同调控作用。在水稻中，WRKY10过表达水稻植株对高温胁迫的敏感性明显高于对照，而WRKY10功能缺失突变则增强了植株耐热性。进一步研究表明，WRKY10过表达促进了活性氧（ROS）在叶绿体和质外体中的积累，并诱导热激转录因子和蛋白基因的表达(Chen et al., 2022)。在番茄中，WRKY3可以通过直接结合SlGRXS1基因簇的启动子并激活它们的表达和活性氧（ROS）的清除，从而正向调控番茄的耐热性（图4）(Wang et al., 2022)。

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图4 SlWRKY3调控SlGRXS1s表达增强番茄耐热性(Wang et al., 2022)。

在低温胁迫下，马鞭草VbWRKY32作为正调节因子，可以通过上调冷反应相关基因的转录水平，增加植株抗氧化活性，维持细胞膜稳定性，增强渗透压调节能力，从而提高植物在冷胁迫下的生存能力(Wang et al., 2020)。在水稻中，OsWRKY53作为负调控因子，可以通过负调控花药GA含量，来影响水稻孕穗期的耐冷性（图5），与野生型相比，OsWRKY53-OE表现为花粉育性差、结实率低，而oswrky53突变体在孕穗期低温胁迫后，相比于野生型植株结实率高、花粉活力强(Tang et al., 2022)。在油菜中，BcWRKY46基因受低温和ABA强烈诱导表达，能够激活ABA信号通路中的相关基因，提高植物的低温耐受性(Wang et al., 2012)。此外，植物还可以在不利环境中通过协调器官发育来响应温度变化。在低温下，水稻MADS-Box转录因子OsMADS57及其相互作用蛋白OsTB1协同激活OsWRKY94的转录调控，通过抑制器官发育基因D14的转录来防止分蘖(Chen et al., 2018)。

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图5 由WRKY53介导的对水稻孕穗期耐冷性调控的分子机制(Tang et al., 2022)。

2.3
盐胁迫

土壤盐碱化是世界范围内主要的非生物胁迫之一，农业用地的持续盐碱化威胁着作物的产量，且在灌溉区尤为突出。盐胁迫会导致渗透效应和盐的特异性效应，从而对植物造成伤害。WRKY转录因子在调节对盐胁迫的反应中起着重要作用（图6）。截止2020年在小麦基因组中共发现了47个WRKY基因在盐胁迫下表达。在大豆中，GmWRKY54通过正向调节DREB2A介导的通路抑制STZ表达并响应盐胁迫(Zhou et al., 2008)。IbWRKY47基因可以正向调节抗逆相关基因，并显着提高红薯的耐盐性。在拟南芥中过表达CmWRKY17后植物体内抗逆相关基因的表达水平显著低于野生型，这表明CmWRKY17可能参与负调控菊花的盐胁迫反应。在苹果中，miR156a可以通过调控转录因子MdSPL13，来进一步调控下游MdWRKY100基因的表达，从而响应盐胁迫(Ma et al., 2020)。此外，植物还可以通过ABA、H2O2和其他信号通路响应盐胁迫。在大豆中，ABA通路中的负调控因子ABI1可能是GmWRKY13的下游靶基因，通过在拟南芥中过表达GmWRKY13发现ABI1的表达量显著增加，但是植物对盐胁迫的耐受性较低(Zhou et al., 2008)。外源施用ABA和NaCl还能诱导拟南芥中的WRKY25和WRKY33基因表达上调，并且WRKY25和WRKY33基因的过量表达，可以增强转基因植株对NaCl的抗性(Jiang et al., 2009)。

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图6 部分WRKY转录因子响应盐胁迫的信号通路图(Li et al., 2020)。

2.4
其他非生物胁迫

除了上述的非生物胁迫之外，WRKY转录因子还参与氧化应激、机械损伤、紫外辐射等其他非生物胁迫（图7）。FcWRKY40过表达可显著增强转基因烟草对氧化应激的抗性。当用活性氧（ROS）处理拟南芥时，AtWRKY30、AtWRKY40、AtWRKY75、AtWRKY6、AtWRKY26和AtWRKY45的表达显着上调(Cheong et al., 2002)。机械损伤后，AtWRKY11、AtWRKY15、AtWRKY22、AtWRKY33、AtWRKY40、AtWRKY53(Robatzek et al.,2001)以及AtWRKY6(Skibbe et al., 2008)的表达水平上调。UV-B辐射处理可以诱导拟南芥中3个WRKY基因和水稻OsWRKY89基因的表达，导致叶片表面形成厚厚的蜡质物质，提高了耐热性(Wang et al., 2007; Kilian et al., 2007)。

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图7 部分WRKY转录因子响应氧化应激、机械损伤以及紫外辐射的信号通路图(Li et al., 2020)。

3.WRKY转录因子在植物生物胁迫中的作用
生物逆境胁迫包括病原菌的侵染和植食性昆虫的取食，为了应对这些胁迫，植物进化出了包括信号感知和转导、基因表达调控和生理生化反应在内的响应机制，其中WRKY转录因子的表达在获得性抗性中发挥了重要作用。

3.1
病原菌胁迫

WRKY已被证实在植物应答病原菌中发挥重要作用。一些WRKY在植物对病原菌胁迫的防御中起正向调控作用。在菊花中，CmWRKY15的过量表达可增强转基因植株对柄锈菌（Puccinia horiana）的耐受性，且内源SA含量也增加；相反，CmWRKY15-RNAi植株增加了对柄锈菌的敏感性，内源SA含量降低。过量表达MdWRKY100能增强转基因苹果植株对炭疽病菌（Colletotrichum）的抗性，而RNAi植株对炭疽病菌更敏感。通过对GhWRKY41进行了过表达和基因沉默后发现，过表达植株抗病性显著增强，而基因沉默植株对病菌敏感性显著增强，表明GhWRKY41正反馈调节植株对棉花黄萎病菌的抗性(Xiao et al., 2023)。Wang等人通过转录组测序与分析发现IIc WRKY转录因子亚家族是棉花抵抗尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum，Fov）最重要的转录因子之一，并通过实验证明IIc WRKY转录因子可以正向调控棉花对枯萎病的抗性（图8）。IIc WRKY转录因子可以与GhMKK2启动子区域的W-box特异性结合，进一步鉴定GhMKK2沉默与过表达株系表明GhMKK2正调控棉花对Fov的抗性。经过深入挖掘，作者发现GhNTF6与GhMKK2存在互作，GhNTF6可以通过调控类黄酮类化合物的生物合成来正向调节棉花对Fov的抗性，并且还证实了GhNTF6与GhMYC2互作，且GhMYC2是类黄酮合成的正调控因子(Wang et al., 2022)。

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图8 IIc WRKY TF-GhMKK2-GhNTF6-GhMYC2途径对抗Fov侵染的作用模式图(Wang et al., 2022)。

另外，也有些WRKY转录因子在植物对病原菌胁迫的防御中起负向调控作用。TaWRKY3是抗病抑制因子，而SnRK1可以通过磷酸化和破坏TaWRKY3阻遏子的稳定性来提高小麦对白粉病的免疫力(Han et al., 2020)。过量表达OsWRKY76会使得转基因水稻对稻瘟病（Magnaporthe oryzae）的敏感性增强。AtWRKY25在SA介导的紫丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）防御反应中发挥负调控作用。相似的，AtWRKY38或AtWRKY62的过量表达同样能够降低拟南芥对紫丁香假单胞菌的抗性，而突变体对紫丁香假单胞菌的抗性则增强。Yu等人还发现，WRKY2可以通过结合到CEBiP的启动子区调控CEBiP的表达，在病原菌侵染早期阻遏大麦的抗病反应（图9）(Yu et al., 2022)。

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图9 WRKY2调控几丁质诱导抗性的工作模型(Yu et al., 2022)。

3.2
植物性昆虫胁迫

大多数WRKY转录因子在逆境环境或病原菌感染等相关刺激下被转录诱导，但在虫害胁迫下诱导表达的WRKY转录因子目前报道较少。Atamian等人发现SlWRKY70-VIGS会增强番茄对蚜虫（Macrosiphum euphorbiae）的抗性，说明SlWRKY70在番茄对蚜虫的抗性中起负向调控作用(Atamian et al., 2012)。相反，AtWRKY22可以通过抑制SA信号通路增强拟南芥对蚜虫的敏感性(Kloth et al., 2016)。胰蛋白酶抑制剂（Kunitz trypsin inhibitor，KTIs）被认为是对抗昆虫、食草动物和病原体的天然防御蛋白。EMSA实验表明，NaWRKY3和NaWRKY6在体外可以直接与NaKTI2的启动子区结合，说明NaWRKYs可能通过直接激活NaKTI2的转录，来提高烟草的抗虫性（图10）(Yin et al., 2021)。拟南芥被根结线虫（Meloidogyne）和胞囊线虫（Heterodera）感染后，AtWRKY23的表达迅速上调，在Atwrky23突变体中观察到拟南芥对胞囊线虫的敏感性下降(Grunewald et al., 2008)。此外，还发现AtWRKY23的表达是由植物生长素诱导的。表明生长素诱导基因AtWRKY23参与植物和寄生线虫的相互作用。在甘薯中，甘薯小象甲侵害可诱导SPWR1编码的WRKY转录因子特异结合抗性等位基因SPWR2启动子的W-box元件，从而激活后者的基因表达，而SPWR2编码的蛋白是甘薯奎尼酸合成途径的关键酶，其进一步启动了下游奎尼酸衍生物的生物合成，以此抵御甘薯小象甲侵害(Liu et al., 2022)。

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图10 昆虫啃食下植物调控蛋白酶抑制剂活性的工作模型(Yin et al., 2021)。

小远叨叨
文章至此就告一段落了！在本次的推文中小远主要是和大家一起回顾了WRKY转录因子响应非生物胁迫（干旱、高温、低温、盐胁迫、氧化应激、机械损伤以及紫外辐射）和生物胁迫（病原菌、虫害）的分子机制，因为篇幅有限，小远仅列举了其中的一部分研究成果，希望大家通过阅读本文可以对这方面的内容有一个初步的了解，大家如果感兴趣的话，还可以检索相关文献进行深入的学习哦，关于“WRKY家族想做个自我介绍”到这里就结束啦，期待伯小远后面更精彩的文章噢！

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