近日，吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳、孟凡娟研究团队在国际知名期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry在线发表了题为“Functions of Basic Helix-Loop-Helix (bHLH) Proteins in the Regulation of Plant Responses to Cold, Drought, Salt, and Iron Deficiency: A Comprehensive Review”的研究论文。该研究综述了bHLH TFs的结构特点，重点介绍了bHLH TFs在植物应对各种胁迫响应中的作用。
寒冷、干旱、缺盐和缺铁等非生物胁迫可严重影响植物发育、作物生产力和地理分布。一些研究已经阐明了BASIC HELIX-LOOP-HELIX（bHLH）蛋白在植物应对非生物胁迫反应的多效性功能。本文综述了bHLH TFs在植物抗寒、抗旱、耐盐、缺铁等逆境胁迫中的调控作用。bHLH蛋白与靶启动子中的E/G-box基序结合，并与其他各种因子相互作用，形成复杂的调控网络，协同激活或抑制下游基因的转录，从而调节各种应激反应。最后，对整合和协调这些非生物胁迫的分子机制进行了展望。
1. bHLH蛋白的分类
利用MEGA X软件构建系统发育树，同时采用简单模块化结构研究工具（SMART）分析确定蛋白质序列中的保守结构域。最后，对所研究的基因在植物中与寒冷、干旱、盐和铁胁迫有关的功能进行了说明。基于氨基酸比对，定义了bHLH蛋白的15个主要亚家族（图1）。
图1 不同植物物种基本螺旋-环-螺旋（bHLH）蛋白的系统发育树和结构域结构
2. bHLH蛋白的结构表征
为获得bHLH蛋白的结构域，对161个bHLH蛋白序列进行了SMART分析，观察到所有蛋白都具有典型的bHLH结构域。进行了多序列比对，并采用Atchley等人建立的标准来定义bHLH区域。从161个基因中推断出的bHLH结构域19个位置上保守氨基酸残基的频率（图2）。
图2 bHLH结构域各位置氨基酸的图示
3. bHLH转录因子在植物非生物胁迫中的作用
3.1 寒冷应激
在过去的二十年里，人们在了解冷驯化的调控途径方面取得了重大进展，例如：中央调控因子ICE1（CBF信号通路的关键调控因子）、CBF转录级联和CBF非依赖通路。值得注意的是，ICE1基因的转录受到多种冷信号成分的控制，包括：蛋白激酶、SUMO E3连接酶和RING finger ubiquitin E3连接酶（图3）。
图3 bHLH TFs调控植物冷响应的示意图模型
3.2 干旱应激
全球气候模型预测，在不久的将来，极端温度和干旱频率会增加。淡水资源的短缺限制了全球可耕地的利用，这一问题日益引起人们的关注。因此，了解植物如何适应这种恶劣的环境胁迫以提高农业生产是至关重要的，研究表明bHLH蛋白在抗旱性中起着重要作用（图4）。
图5 植物盐胁迫下bHLH TFs的调控网络
3.4 铁稳态
铁是一种必需的微量营养素，是光合作用和呼吸等重要细胞过程所必需的。虽然铁在地壳中含量丰富，但其对植物的生物利用度受到不溶性的限制，特别是在钙质或碱性土壤中。对铁缺乏的调控网络响应是由bHLH蛋白精细调节的，已经在模式植物中得到了深入的研究。
图6 植物bHLH TFs介导的铁缺乏反应模型
4. 展望
越来越多的证据表明bHLH蛋白在非生物应激反应中作为调节因子的多用途作用。因此，在未来的研究中，有几个关键问题亟需关注，以增强我们对植物中冷、干旱、盐胁迫和铁稳态整合和协调机制的理解。
经典的正向和反向遗传方法、大规模的全基因组挖掘和高效的基因编辑技术已经建立并广泛用于揭示模式植物中许多bHLH TFs的功能和调控途径。其他研究数据表明，只有8个bHLH TFs被描述为耐寒、耐旱和耐盐的正调控因子。迄今为止的多数研究主要集中在拟南芥、水稻和苹果等模式植物上。因此，未来应结合基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和表型组学分析进行基础研究，以在各种非生物胁迫下获得关键基因。此外，利用转基因、VIGS、RNAi、CRISPR/Cas9等反向遗传技术深入研究bHLH蛋白在不同植物物种中的功能，特别是在抗寒、抗旱、耐盐和铁稳态等方面的功能也十分必要。其次，未来的研究可通过Y2H、IP-MS（共免疫沉淀和质谱）、SPR（表面等离子体共振）以及生物信息学网站（STRING和BioGRID）等技术筛选bHLH的其他相互作用伙伴。揭示这些蛋白-蛋白复合物在寒冷、干旱、盐胁迫和铁稳态中的生物学作用将具有重要意义。最后，未来的研究应着眼于确定bHLH在信号转导中的调节因子，特别是蛋白激酶、蛋白磷酸酶、E3泛素连接酶和SUMO E3连接酶。我们需要通过磷酸化、泛素化和泛素化蛋白质组学来研究它们之间的相互联系，以确定调节bHLH蛋白活性的新成分或途径。总之，通过遗传、分子、生理和现代育种技术研究bHLH蛋白的分子机制，可为耐胁迫高产品种的分子育种提供新的见解。
该论文通讯作者为吉林农业大学林学与草学学院赵曦阳教授和孟凡娟教授，讲师雷培、东北林业大学在读博士研究生姜雅轩和博士毕业生赵永为该论文共同第一作者。本研究得到了国家自然科学基金项目（32071728）和国家重点研发计划“青杨类大径级工业资源材高效培育技术研究”（2021YFD2201204）的资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.3c09665
