植物SPL转录因子研究进展

葛奇 席会鹏

摘要 SPL（squamosa promoter-binding protein-like）基因编码的绿色植物所特有的转录因子，参与植物形态建成、花发育、根发育等过程，调控植物不同发育时期的转变，维持植物育性，响应植物的外界胁迫，在植物的整个生长发育过程中发挥着重要的作用。对SPL转录因子的研究概况、结构特征、同源基因克隆情况、表达调控模式以及生物学功能进行了综述，以期为进一步进行SPL转录因子的相关研究奠定基础。

关键词 SPL；转录因子；基因克隆；表达调控；生物学功能

中图分类号 Q943.2  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）23-0025-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.23.006

Research Progress of SPL Transcription Factors in Plants

GE Qi1，XI Hui-peng2

（1.College of Landscape Gardening，Southwest Forestry University，Kunming，Yunnan 650224;2.Xishuangbanna Tropical Botanical Garden，Chinese Academy of Sciences，Mengla，Yunnan 666303）

Abstract SPL（squamosa promoter-binding protein-like） gene encodes a transcription factor unique to green plants，which participates in plant morphogenesis and flower development， root development and other processes， regulates the transformation of plants at different developmental stages，maintains plant fertility，responds to external stresses of plants，and plays an important role in the whole process of plant growth and development. The research situation， structural characteristics， homologous gene cloning， expression regulation pattern and biological functions of SPL transcription factors were reviewed in this paper，in order to lay the foundation for further research on SPL transcription factors.

Key words SPL;Transcription factor;Gene cloning;Expression regulation;Biological function

基金項目 国际合作课题（Y9HX111B02）。

作者简介 葛奇（1996—），女，云南保山人，硕士研究生，研究方向：风景园林植物资源及应用。*通信作者，高级工程师，硕士，从事植物资源保护及利用研究。

收稿日期 2022-11-07

SPL（squamosa promoter-binding protein-like）基因所编码的转录因子，是绿色植物特有的一类转录因子，称为SPL转录因子，广泛存在于单细胞绿藻、苔藓、裸子植物以及被子植物中。最早的2个SPL基因由Huijser 等［1］从金鱼草（Antirrhinum majus）花序中得到，因其具有能够识别并结合SQUAMOSA启动子的活性而被命名为SBP1和SBP2［2-3］，即SQUAMOSA启动子结合蛋白（squamosa promoter binding protein，SBP）。其后又有多名研究人员在各植物中相继发现多个SPL转录因子，并证实该类转录因子在植物的形态建成、花器官发育及开花、果实发育和成熟、调控植物次生代谢、影响植物激素信号转导、参与外界胁迫应答等方面发挥着重要作用。

该研究在前人研究的基础上，搜集整理SPL转录因子近年来的研究成果，概括了当前的研究概况，阐述了SPL转录因子的结构特征，说明了SPL基因家族的克隆情况，分析了SPL转录因子的表达模式和生物学功能，并对其研究发展趋势进行了展望，以期为植物SPL转录因子的研究发展提供有价值的参考依据。

1 SPL转录因子研究概况

近年来，随着国内外对于SPL转录因子的研究逐渐深入，相关研究文献资源不断递增。对国内外研究成果进行简要分析，可以促进对SPL转录因子研究情况的全面了解，从而准确把握SPL转录因子相关的研究动向，促进SPL转录因子的研究发展。以中国知网（CNKI）为数据源，设定主题词为“SPL转录因子”，限定学科范围与植物有关，共检索到研究论文254篇，其中学术期刊53篇，学位论文196篇，国内会议5篇。相关报道显示，国内SPL转录因子的研究起始于2007年，并在近年快速发展（图1），内容大都集中在基因功能的研究方面，对于其上游调控基因及下游靶基因的研究相对较少。而国外早在1986年就开始了关于SPL转录因子特异性启动子的研究［4］，且内容范围不仅仅局限于基因功能的研究，在基因的表达调控模式等方面的研究成果也十分丰硕。由此可见，国内对于SPL转录因子的研究还应进行更加深入全面地探讨，以准确详尽地掌握其基因表达调控的具体模式和内在的分子机理。

2 SPL转录因子的结构特征

SPL转录因子带有一个约由79个氨基酸残基组成的高度保守的DNA结合域，即SBP结构域（SQUAMOSA promoter-binding protein domain）［5］。SBP结构域是典型的锌指结构，由8个半胱氨酸（Cys）和组氨酸（His）残基组成，其中前4个氨基酸残基结合一个锌离子，后4个氨基酸残基结合另外一个锌离子［6］。目前发现的SBP蛋白中还存在一个位于该结构域C端的保守核定位信号。该信号能够与第2个锌指结构发生部分重叠，从而引导SBP蛋白进入植物细胞的细胞核，并进行表达［7］。

目前，在绿色植物中，被鉴定出来并根据基因结构差异分类SPL基因已有许多报道。在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，SPL基因家族共有17个成员。其中第一类成员含有10个及以上的外显子，所编码的蛋白质含有超过800个氨基酸残基，主要包括AtSPL1、AtSPL7、AtSPL12、AtSPL14、AtSPL16；第二类含有2～4个外显子，其SBP蛋白质不超过400个氨基酸，主要包括AtSPL2、AtSPL3、AtSPL4、AtSPL5、AtSPL6、AtSPL8、AtSPL9、AtSPL10、AtSPL11、AtSPL13、AtSPL15、AtSPL17［8］。在葡萄（Vitis vinifera）等植物中，陈文文等［9］根据miR156靶点的分布，将SPL基因家族分为9个主要分支，其中第一、二、三分支不包含miR156靶基因，第四、五、七、八、九分支其基因的CDS区内含有miR156靶点，第六分支其基因的3UTR区含有miR156靶点，由此可见miR156位点在不同植物中具有较高的保守性。

3 SPL同源基因的克隆分析

已有研究证实SPL基因从简单的单细胞藻类植物到复杂的高等植物均有分布，如从衣藻（Chlamyydomonas reinhardtii）到小立碗藓（Physcomitrella patens）再到高等植物，其存在数量不一［3，10］。随着科技的进步，近年来已有大量SPLs基因被鉴定，如在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中有17個，玉米（Zea mays）中有42个，水稻（Oryza sativa）中有19个，番木瓜（Carica papaya）中有10个，葡萄（Vitis vinifera）中有18个，菠萝［Ananas comosus （L.） Merr.］中有16个，海岛棉（Gossypium barbadense）和陆地棉 （G.hirsutum）中各有59 个，而人参（Panax ginseng C.A.Meyer）中则多达106个SPL家族成员［5，9，11-15］。

植物基因克隆是进行生命科学研究的关键组成，是进行生命科学研究时较为关键的部分［16］，对于研究植物基因的表达调控模式和功能至关重要。对于已被鉴定的SPL基因家族成员，在许多植物中已被成功克隆。曾东琳等［17］以“改良香菇”芥蓝（Brassica oleracea var.alboglabra）叶片cDNA为模板，克隆得到了“改良香菇”芥蓝与叶片发育有关的SPL基因，BoSPL3-1、BoSPL10-2和BoSPL11-2；任子政等［18］以森林草莓（Fragaria vesca）的cDNA为模板，特异扩增出了森林草莓FvSPL基因；张红雨等［19］利用枸杞（Lycium barbarum L.）花药cDNA，进行克隆得到枸杞LbSPL6基因；王俊文等［20］利用“宁杞1号”枸杞为研究材料，克隆得到了枸杞花发育有关的LbSPL12基因；吴鸿飞等［21］在花芽分化期的“堰虹桂”桂花（Osmanthus fragrans）中，克隆得到了10个桂花SPL基因，并命名为OfSPL1A、OfSPL1B、OfSPL5、OfSPL6、OfSPL7、OfSPL8、OfSPL10、OfSPL11、OfSPL12、OfSPL13。

4 SPL转录因子的表达调控研究

研究表明，SPL转录因子一方面受其上游miRNA156/157调控，另一方面通过结合下游基因启动子区域的顺式作用元件，调控下游基因的表达［22］。

miRNA156/157- SPL为植物保守的基因途径，调控着植物生长发育的许多过程和性状， miR156/157 是小分子核糖核酸（microRNA），可通过介导SPL 靶基因 mRNA的切割或翻译抑制，负调控 SPL 基因功能［23］。例如对在黄瓜（Cucumis sativus L.）营养生长时期miR156/157-SPL可调控相关表型的发生，并可能在葫芦科（Cucurbitaceae）植物营养生长的早期发育中行使特殊功能［24］。在大豆［Glycine max （Linn.） Merr.］的17个含有miRNA156/157识别位点的SPL基因中，有2个能够被miRNA156通过转录剪切调控，有15个能够被miRNA156通过翻译修饰调控［25］。在番茄（Solanum lycopersicum）中，SPL基因在茎尖、花序和果实中均高表达，在幼苗、根和叶中低表达，而miR156/ 157则在幼苗、根和叶中高表达，在茎尖、花序和果实中低表达［26］。在马铃薯（Solanum tuberosum L.）Stu-miR156过表达植株中，Stu-miR156的表达量在根、茎、叶中均上调，StSPL9均下调；在其Stu-miR156STTM沉默表达植株中，Stu-miR156表达量均下调，StSPL9均上调，且二者共同调控着马铃薯的植株高度和侧根表型［27］。总而言之，miRNA156/157在SPL的表达调控中具有重要作用，且在大多数含有miRNA156/157识别位点的SPL转录因子中， miRNA156/157与SPL的表达水平在植物的生长发育过程中基本都呈负相关［8］。

在SPL转录因子调控下游基因的研究中，荔枝（Litchi chinensis Sonn.）LcFT1在不同成熟度末次梢葉和芽中均能表达，且随成花进程的不断推进其表达量也不断降低，LcSPL3、LcSPL10能够结合LcFT1启动子，并激活其表达，促进LcFT1与LcFD结合，从而调控荔枝开花［28］。在大豆中，GmSPL9能够调控下游GmWUS的表达，从而调控腋芽和分枝的形成，提高大豆产量［25］。另外，在水稻中，OsSPL16能够直接结合GW7的核心顺式作用元件，抑制GW7表达，从而调控水稻籽粒的外形［29-30］。由此可见，SPL转录因子具有调控植物表型的重要作用。

5 SPL转录因子的生物学功能研究

5.1 SPL转录因子参与植物的生长发育

5.1.1 参与植物的胚发育。

植物胚胎发育是一个非常复杂的过程，从受精卵到鱼雷胚再到器官形成，任何一个阶段发生变化都会影响植物正常的生长发育［8，31］。植物DCL1基因编码的DCL1蛋白与miRNA的合成有关，并参与pre-miRNA剪切［32］。在拟南芥的胚胎发生中，DCL1发生突变时miRNA的合成途径遭到破坏，致使miRNA合成受阻，进而导致miRNA的靶基因大量表达，其中AtSPL10/11表达水平显著提高，且当AtSPL10/11发生突变时则可恢复dcl1的部分表型［33］。另外，在柑橘（Citrus reticulata Blanco）体细胞胚胎发生过程中，CsSPL3、CsSPL14下调表达或者csimiR156 上调表达，都能够显著促进柑橘体细胞胚胎的发生［34］。因此，植物胚胎发育和体细胞胚胎发生的过程可能有SPL转录因子的参与［35］。

5.1.2 参与植物的营养生长。

植物的营养生长是指植物从种子萌发到幼苗形成再到根、茎、叶等营养器官的形成的过程。研究表明，SPL转录因子不仅可以调控植物第1个叶原基形成至第2个叶原基形成的时间，调控植物叶片的数量，调控植物叶片的形状，调控叶片的大小，还可以调控植株的高度，调控植株主根和侧根的形成，调控植株侧根的长度，调控植株侧根的数量等。

在拟南芥中，使AtSPL9/10过表达可以延长植物第1个叶原基形成至第2个叶原基形成的时间，从而降低叶片生成速率；而叶原基的发生则可通过过表达AtSPL13被抑制，进而延缓真叶形成的时间［36-37］。过量表达拟南芥AtSPL2、AtSPL10或者AtSPL11，转基因植株上最先出现的2片叶会变为椭圆形，部分莲座叶也会表现出茎生叶的性状［38］。将牡丹（Paeonia × suffruticosa Andr.）PsSPL基因转入拟南芥进行异源过表达时，野生型莲座叶数目平均比转基因植株多2～3片［39］。此外，水稻OsSPL8基因的突变会导致水稻叶片异常发育，叶耳和叶舌也将无法正常形成［40］。在核桃（Juglans regia L.）中过表达JrSPL1.1时，过表达株系植株叶片大小显著大于野生型植株［41］。

顶端优势与植株株型以及植株高度等联系紧密，Shikata等［38］发现SPL能够维持植株的顶端优势。水稻OsSPL4、OsSPL14 2个基因能够调控水稻株型，与野生型相比，spl4突变体植株具有株高变高、叶片变长、穗分支和籽粒变多、产量增高的表型，过表达OsSPL14植株则会导致水稻分蘖数减少，花序分枝增加，而在SPL4过表达植株中则只能够观察到与二者相反的表型［42-43］。

5.1.3 参与植物的花发育。

SQUAMOSA是最早发现的影响花器官发育的因子之一，属于MIKC类MADS-box基因家族［1，44-45］，因此，作为其上游调控因子的SPL在花器官发育过程中发挥着重要的调控作用。

在金鱼草中，最早分离得到的SBP1和SBP2在花器官形成便开始表达，从而激活SQUAMOSA基因表达，启动花器官发育，并在花器官形成后期继续表达，以维持SQUAMOSA基因的表达活性［2］。在番茄LeSPL3过表达转基因拟南芥和烟草（Nicotiana tabacum L.）植株中，植株花易脱落，花柄变细，花柄细胞变小，并且能够提早开花。拟南芥AtSPL具有调节开花时期的作用，白桦（Betula platyphylla Suk.）中BpSPL基因与其高度同源，并且能够特异性结合BpMADS5基因的启动子，因此也具有调节花发育的功能［46-47］。SPL的下游基因LFY能够调控植物花分生组织的形成，维持花分生组织的正常功能，调控花的早期启动，防止花发育发生逆转并且控制开花时间［48-49］。王艳艳等［39］发现，与野生型相比，牡丹PsSPL基因的转基因拟南芥植株中AtLFY基因的表达量显著上调，推测PsSPL基因主要通过促进下游AtLFY基因的表达促使植株提前开花。

5.1.4 参与植物不同发育时期的转变。

植物的生命周期一般可分为营养生长和生殖生长2个阶段，其中营养生长又可以分为幼年和成年2个时期［8］。过表达拟南芥AtSPL3、4、5、9、10中任意1个基因均可促使其叶片远轴面产生表皮毛，进而迈入成年期［50］。另外，在拟南芥的生长发育过程中，miR156的表达量随年龄的增长而降低，其靶基因AtSPL9和AtSPL15的表达量则随年龄增长而升高，进而正调控下游miR172表达量逐渐升高，从而促使拟南芥发生从幼年期到成年期的转变［50］。此外， SPL也可以通过调控植株开花可促使植株完成进入生殖生长阶段的转变。拟南芥AtSPL3、AtSPL4、AtSPL5能够调控植株的开花时间和成花转变，月季（Rosa chinensis）RcSPL3在聚类分析中与AtSPL3、AtSPL4、AtSPL5处于同一亚组，且在花蕾时期大量表达，因此汪先菊等［51-52］

推测其可能与月季开花时间的调控有关。

5.1.5 维持植物育性。

有性生殖受多种遗传因素和环境因素的影响，大、小孢子的发生以及雌雄配子的发育对于植物的有性生殖十分重要［53］。首先，拟南芥AtSPL8基因能够影响大孢子母细胞进入减数分裂的过程，其缺失突变体会导致大孢子母细胞不能形成性母细胞并随之逐渐退化；其次，AtSPL8基因也能够影响小孢子囊壁的形成致使其花粉囊发育异常，从而导致植株育性降低。白桦各器官中均有BplSPL8基因表达，且大多数器官中的表达量均显著低于雄花序［54］。同时，与野生型相比，白桦雄花序发育异常的自然突变体BplSPL8基因的表达量显著降低，雄花序、花药及雄配子体的发育明显延后，雄花序着生部位及小孢子发育明显异常，花粉败育，不能散粉［55］。拟南芥三突变体spl8spl9spl15、spl8spl2spl9、spl8spl2spl15以及四突变体spl8spl2spl9spl15的育性比spl8更低。在番茄SlySPL8基因功能的研究中，畢金曦［56］无法获得Slyspl8b单突变体和Slyspl8a Slyspl8b双突变体植株，认为可能是由Slyspl8b突变致死导致。由此可见，SPL对于维持植物育性具有重要作用。

5.2 SPL转录因子参与植物的次生代谢

植物次生代谢是植物合成生命非必需物质并储存次生代谢产物的过程，其次生代谢产物可分为苯丙素类、醌类、黄酮类、类萜、生物碱等七大类。研究发现，过表达银杏（Ginkgo biloba L.）GbSBP9和GbSBP13后，苯丙素生物合成、类黄酮生物合成、植物激素信号转导等通路有差异表达基因富集，且二者过表达的银杏愈伤系中类黄酮含量显著高于对照组，而转基因拟南芥株系中类黄酮含量也显著高于野生型［57］。花青素和黄酮醇属于众多黄酮类物质中极为重要且常见的2种，增强和降低miR156的表达活性能够分别促进拟南芥花青素和黄酮醇的物质积累［58］。拟南芥AtSPL8与花青素的生物合成有关，丹参（Salvia miltiorrhiza Bge.）SmSPL12在聚类分析中与其同属一组，因此，张林甦［59］认为，SmSPL12也有可能参与花青素等次生代谢产物的生成过程。DRF是花青素合成基因，转录复合体MYB-BHLH-WD40可以促进其表达，miR156 与SPL9转录因子结合，能够降低SPL9与TT8竞争性结合PAP1的作用，促进 MYB-BHLH-WD40转录复合体的形成，从而促进花青素的合成［58，60-61］。在长春花［Catharanthus roseus （L.）G.Don］中，过表达CrSPL9能够使环烯醚萜途径中的关键酶——马钱子苷甲基转移酶基因（CrLAMT）在叶片中的表达量上调［62］。综上所述，SPL可能在参与植物次生代谢的生理过程中发挥重要作用。

5.3 SPL转录因子参与植物的信号转导

5.3.1 参与光信号转导。

光照长度和光照时间在植物的整个生命周期中占有十分重要的作用，植物主要是通过光受体感受二者的变化，从而完成植株的光形态建成过程。SPLs基因的转录活性受光受体调控，进而影响植株的生长发育。在甜橙［Citrus sinensis （L.） Osbeck］的15个CsSPLs中，每个CsSPL启动子中均存在光启动元件［63］；在山羊草（Synclisia scabrida）AetSPL1-AetSPL18中，含有TCC-motif、LAMP-element、G-box和GT1-motif等多个光响应元件［64］；在水稻SPLs顺式作用元件中，也含有多个与调控光周期变化有关的顺式作用元件［65］，说明SPL转录因子参与植株的光信号转导。

5.3.2 参与激素信号转导。

赤霉素可以调控植物从种子萌发到花器官发育的整个生长发育历程。spl8突变体拟南芥植株会表现出花丝变短，萼片表皮毛数量减少，大、小孢子发育异常，育性下降，利用AtSPL8特异性启动子过表达AtSPL8能够使spl8突变体植株完全恢复育性［66］。在赤霉素的处理下，AcSPL3在菠萝［Ananas comosus （Linn.） Merr.］组培苗中的表达量明显升高，GbSBP1、GbSBP9、GbSBP13在银杏中的表达量明显下降［57，67］。以上结果表明，SPLs可能参与赤霉素的信号转导。

脱落酸能够抑制细胞分裂，调节植株在逆境中的生长。SPL转录因子可能在脱落酸的信号转导中发挥重要作用。在脱落酸处理下，龙眼（Dimocarpus longan Lour.）DlSPL1、DlSPL5、DlSPL7、DlSPL13基因表达量均显著下调，且DlSPL1、DlSPL5、DlSPL7中均含有脱落酸响应元件［68］。

茉莉酸甲酯（MeJA）能够提高植物的抗逆能力。在MeJA处理下，银杏GbSBP1、GbSBP9、GbSBP13，龙眼DlSPL1、DlSPL7、DlSPL13显著下调表达，龙眼DlSPL5显著上调表达，且GbSBP1/9/13、DlSPL5/7/13均含有MeJA响应元件，DlSPL1不含有MeJA响应元件，说明SPLs参与MeJA信号转导途径，且调控关系复杂［57，68］。

5.3.3 参与温度信号转导。

在温度敏感型植物的开花过程中，SPL转录因子具有重要作用［69］。在高温处理下，拟南芥spl1-1 spl2-1双突变体植株表现出超敏感表型［70］。在低温处理下，桂花OfSPL1A、5、6、10、13的基因表达量显著上调，miR156-1、2的表达量显著下调，说明在低温处理下桂花可能是通过抑制miR156的表达，进而促进OfSPLs进行转录，以加快花芽分化的进程［21］。

5.4 SPL转录因子参与植物的胁迫应答

植物生长在复杂多变的自然环境中，影响其正常生长发育的环境条件数不胜数，有效应对不利因素，积极进行胁迫应答，是植物能够生存繁衍的必要条件。已有研究证明，SPL是植物进行胁迫应答的关键调控因子。在银杏的非生物胁迫处理中，GbSBP1、GbSBP9、GbSBP13能够积极响应盐胁迫、高温胁迫、低温胁迫，且表达模式均相似，且GbSBP1、GbSBP9在干旱胁迫下表达趋势相同［57］。对水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）FmSPL2转基因烟草植株进行NaCl处理，结果发现转基因植株耐受性比野生型明显增强［71］。Aliakbari 等［72］证明，含有干旱胁迫相关顺式作用元件能够使该基因在早期的逆境胁迫响应中发挥重要作用。曹华麒［73］使用3%PEG-400模拟干旱环境，对受到干旱胁迫的藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）幼苗进行分析，发现CqSPL1、CqSPL12-1 的表达量增加了 50%，推测二者在干旱胁迫中发挥重要作用。

铜离子对植物的光合作用、木质化程度、花粉和胚珠的发育以及抗病能力具有重要意义，是植物生长发育所必需的一种微量元素。miR398可以通过下游靶基因CSD调控植株维持正常生命活动所需的铜离子含量，以此来应对铜离子胁迫反应［74］。研究证明，缺乏铜离子时，AtSPL7可以结合到miR398基因的启动子上，促进其进行转录；AtSPL7也可以结合miR397、miR408、miR857，诱导其表达，使体内铜离子得以重新分配［8］。

6 展望

SPL作为植物体内一类重要的转录因子，调控植物生长发育的多个方面。目前，虽已在金鱼草、小麦、拟南芥、水稻等模式植物中鉴定出大量SPL基因，并对其基因结构、生物学功能、表达模式等方面进行了部分解析，但仍然有大量植物尚未完成SPL基因家族的鉴定，且其表达调控的许多机制也尚不明晰，如番茄SlySPL8基因维持植株育性的作用机制，以及拟南芥AtSPL8参与赤霉素信号转导的作用机制等，相关研究有待进一步深入探索。

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