转录因子StbZIP10可正向调控马铃薯中对锌的吸收和转运过程

《Plant Science》：Transcription factor StbZIP10 positively regulates zinc uptake and transport in potato

　　• StbZIP10 是植物锌吸收的关键调节因子
• 过表达 StbZIP10 可以提高植物对锌缺乏的耐受性和锌的吸收能力
• StbZIP10 与 StCML13（通过 Y2H、BiFC 和 SLC 方法检测）相互作用
• StbZIP10 与 StZIP2 的启动子结合，在缺锌条件下调节其表达

**引言**
马铃薯（Solanum tuberosum L.）是一种高产的非谷物粮食作物，由于其高营养价值和广泛的生态环境适应性，在全球粮食安全中发挥着重要作用（Yang 等，2023）。根据粮农组织的数据（Martinez 2019），自20世纪60年代以来，全球马铃薯种植面积总体上有所下降，但总产量显著增加。然而，土壤中锌（Zn）的缺乏已成为影响作物生长、发育、产量和质量的普遍问题（Meng 等，2018）。据估计，全球约三分之一的耕种土壤缺锌，而在缺乏全面调查数据的地区，这一比例更高（Cakmak 2000）。在中国，缺锌土壤（有效锌含量 < 0.5 mg/kg）占耕种土地的约40%，而锌含量略充足的土壤（有效锌含量 < 1 mg/kg）则覆盖了近50%的农业区域（Yang 等，2007）。锌缺乏会不利地影响作物的生理过程，包括酶活性、生长素合成和碳水化合物代谢，从而降低产量和营养价值（Cakmak 2008）。严重的锌缺乏会阻碍作物生产力和食品质量，因此需要采取综合的土壤管理策略，如锌肥施用、生物强化和锌高效作物的栽培，以实现可持续的农业发展。

锌在植物组织中的分布具有异质性，以多种物理化学形式存在，包括水合锌离子（Zn2?）、低分子量复合物（例如锌植物螯合素）、金属蛋白（例如锌指转录因子）以及结晶沉积物（主要存在于液泡中）。锌的空间分布和化学形态在不同植物器官和细胞类型中存在显著差异，反映了组织特异性的代谢需求（Broadley 等，2012）。这种必需的微量营养素参与众多生理过程，锌缺乏和过量都会引起严重的形态和代谢紊乱（Sinclair & Kr?mer 2020）。因此，植物通过运输调节（ZIP/IRT 和 HMA 家族）、螯合作用（植物螯合素、金属硫蛋白）和区室化（液泡隔离）等协调机制，精确控制细胞内的锌浓度。锌在植物中的生理功能主要体现在催化或稳定酶反应结构、参与蛋白质代谢、碳水化合物代谢、生长素合成以及植物抗病性方面（Marschner 1995）。

锌对于维持细胞膜的完整性和稳定性至关重要（Karen 等，2011）。锌还通过合成生长素前体色氨酸来调节植物激素（Lin 等，2005；H?nsch 和 Mendel，2009）。此外，锌还参与其他生理过程，如碳水化合物代谢、光合作用和植物抗逆性（Cakmak，2000；Broadley 等，2012）。锌缺乏会显著影响植物的生殖过程，例如花粉功能（Pandey 等，2009；Ed 等，1999；Talukdar 和 Aarts，2008）、花授粉和发育（Chen & Ludewig 2018）以及果实形成（Omar 等，2015）。锌在关键代谢途径中的作用直接影响多个农艺参数，如光合作用效率（叶绿素合成减少）、形态发育（节间缩短、叶片黄化）、病原体防御机制、产量成分和品质特征（Chen 等，2014）。研究表明，叶片中锌含量低于15-20 mg/kg时会出现缺锌症状，包括生长受阻（节间缩短）、叶片黄化（“小叶”综合征）和莲座状生长（Cakmak，2008；Broadley 等，2012）。

了解锌的吸收、运输和积累对于提高作物的锌含量、产量和品质至关重要。植物通过专门的转运蛋白家族的协同作用来维持锌的稳态；主要的锌转运蛋白包括 ZIP（ZRT/IRT 类蛋白）负责吸收和迁移，HMA（P1B-ATPase）负责木质部加载和解毒，NRAMP（天然抗性相关巨噬细胞蛋白）负责二价阳离子运输，YSL（Yellow Stripe-Like）负责韧皮部介导的分布，CDF/MTP（阳离子扩散促进因子）负责液泡隔离（Hall 和 Williams，2003；Lee 等，2021）。在小麦、玉米和水稻等主要作物中的研究表明，这些转运蛋白在根系吸收（ZIPs）、远距离运输（HMAs、YSLs）、组织特异性分配和解毒机制中具有保守的功能（Küpper 和 Kochian，2010；Imtiaz 等，2016；Peng 等，2018）。

bZIP 家族是真核生物中最保守和最普遍的转录因子之一（Deppmann 等，2006）。植物 bZIP 蛋白具有两个典型的结构域：一个DNA结合域（碱性区域），包含约16个保守氨基酸，含有核定位信号（NLS），具有不变的 N-X7-R/K 动态序列（其中 X 代表任意氨基酸），并介导序列特异性的DNA识别（AGGT 核心元件）。七肽重复序列 L-X6-L-X6-L 将两个蛋白质分子连接成二聚体（Leucine Zipper），通过每隔一个氨基酸出现的亮氨酸残基形成两亲性 α-螺旋，从而通过疏水相互作用实现同源或异源二聚化。其他调控域可能包括富含谷氨酰胺的激活域（Q-域）、富含脯氨酸的区域（P-域）和酸性氨基酸簇（A-域）。这些辅助域通过招募共激活因子、与基础转录机制相互作用以及翻译后修饰来调节转录激活潜力（Suzuki 等，2003）。bZIP 蛋白的模块化结构使其能够实现组合二聚化特异性、依赖上下文的DNA结合、差异性的靶基因调控以及多种信号通路的整合。这种结构多样性使其在植物发育和应激反应中的功能多样（Dr?ge-Laser & Weiste 2018）。

在拟南芥（Arabidopsis thaliana）中，首次鉴定出两种转录因子 bZIP19 和 bZIP23，它们对锌缺乏有响应。锌缺乏条件下的表型实验表明，bZIP19 和 bZIP23 的敲除突变体比野生型对锌缺乏的敏感性较低，而 bzip19-bzip23 双突变体对锌缺乏敏感（Assun??o 等，2010）。进一步实验发现，锌缺乏响应元件（ZDRE）可以启动拟南芥中的锌缺乏响应基因。bZIP19 和 bZIP23 通过与启动子中含 ZDRE 元素的基因结合来调节锌缺乏响应。此外，bZIP19 和 bZIP23 转录因子位于细胞核内，它们的蛋白质表达水平在不同锌浓度下会发生变化。进一步实验显示，bZIP9 也参与锌的吸收和基因表达。在大麦（Hordeum vulgare L.）中，bZIP 转录因子家族成员（例如 F 亚家族）也对锌缺乏敏感（Nazri 等，2017）。其中，HvbZIP56 和 HvbZIP62 可以部分恢复拟南芥 bzip19-bzip23 双突变体的锌缺乏表型。此外，HvbZIP56 既定位于细胞质也定位于细胞核内，其在拟南芥 bzip19-bzip23 双突变体中的表达可以诱导 ZIP 转运蛋白的表达。在小 Wheat 中，鉴定出七个 F 亚家族成员基因，其中 TabZIPF1、TabZIPF3a、TabZIPF3b 和 TabZIPF4 在低锌条件下表达增加。过表达 TabZIPF1-7DL 和 TabZIPF4-7AL 可以恢复拟南芥 bzip19-bzip23 双突变体的锌缺乏表型（Evens 等，2017）。此外，F-TabZIPs 能够与 TaZIPs 启动子中的特定 ZDREs 结合，表明单子叶植物和双子叶植物对锌缺乏的响应机制是保守的（Castro 等，2017）。Castro 利用转录组学和实验数据确认 AtbZIP19/23 是锌缺乏响应的关键调节因子，主要是通过激活 ZIP 金属转运蛋白家族的基因。他们发现，AtbZIP24 在调节盐胁迫反应中的功能可能是进化结果，但 AtbZIP19/23 在调节锌缺乏反应中的功能可能在陆生植物中是保守的（Castro 等，2017）。bZIP 特异性地结合下游靶基因启动子中的 ZDRE-box [TGTCGACA] 中的锌指结构（Castro 等，2017；Fukazawa 等，2000）。

虽然已知 bZIP 转录因子参与多种生理过程，但它们在马铃薯中参与锌稳态的具体机制尚不清楚。通过分析我们实验室先前实验获得的锌缺乏转录组数据，筛选出了锌缺乏响应转录因子 StbZIP10（Soltu.DM.01G051130.1），并讨论了其在马铃薯植物中调节锌吸收和运输的功能机制。本研究表明，过表达 StbZIP10 可显著提高锌的吸收效率，并增加缺锌条件下的块茎锌含量。分子研究表明，StbZIP10 作为一种转录激活因子，直接与 StZIP2（Soltu.DM.07G013990.1）的启动子区域结合并上调其表达。蛋白-protein 相互作用分析（Y2H 和 BiFC）确定了 StCML13（Soltu.DM.03G015750.1）为其结合伴侣，两者共同形成一个调控模块，协同增强锌的运输。这些结果为控制马铃薯中锌稳态的转录调控网络提供了新的见解。

**材料培养**
具有21天根系的马铃薯品种（Solanum tuberosum cv. ‘Atlantic’）被放入去离子水中并覆盖塑料膜2天，然后移植到含有正常锌（+Zn，0.4 mM）和缺锌（-Zn，0.04 mM）的霍格兰德营养液的水培箱中。在0天、1天、3天、5天、7天和9天分别收获根系和茎部。通过分析 StbZIP10 基因在锌缺乏条件下的表达谱……

**StbZIP10 蛋白的转录活性分析**
转录因子通过内在的转录活性发挥其调控功能。采用基于酵母的检测方法来表征 StbZIP10 的转录激活潜力。pGBKT7 空载体作为阴性对照，而重组 pGBKT7-StbZIP10 质粒被转化到酵母菌株 AH109 中以评估 StbZIP10 的转录活性。转化子最初在 SD/-Trp 培养基上筛选以确认质粒的摄取情况……

**讨论**
锌是所有生物必需的微量营养素，作为许多转录因子、蛋白质相互作用域和植物酶的关键辅因子，在催化过程和蛋白质结构调节中起着重要作用。然而，锌缺乏和过量都会扰乱植物的正常生长和发育。植物依靠复杂的调控网络，包括锌传感器和其他信号组分来维持锌的稳态。

**结论**
本研究确定 StbZIP10 是马铃薯中锌稳态的关键转录调节因子，通过多种分子和生理机制发挥作用。StbZIP10 直接与 StZIP2 的启动子结合（通过 Y1H、双发光酶和 GUS 检测验证），并激活其表达，从而增强锌的吸收。与 StCML13 的相互作用表明钙介导了 StbZIP10 活性的调节。在缺锌条件下（根系 > 茎部），StbZIP10 的表达迅速上调，这与锌含量的增加相关……

**作者贡献**
H. S 和 H. L 设计并进行了实验。H. L、X.R 和 J. F 进行了实验。H. L 分析数据并撰写初稿。K.W、J. F 和 N. Z 修订了手稿。所有作者都阅读并批准了最终版本的手稿。

**未引用的参考文献**
（Lee 等，2021；Symonds 等，2024；Yang 等，2020；Zhao 等，2019）

**资助**
该研究项目得到了甘肃省农业农村厅育种研究与创新计划（编号 ZYGG-2025-7）、甘肃省联合研究基金重大项目（编号 24JRRA836）和甘肃省科技创新重大项目（编号 23ZDNA006）的资助。

**CRedIT 作者贡献声明**
Huaijun Si：撰写 - 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Ning Zhang：撰写 - 审稿与编辑、项目管理。
Junliang Fan：验证、方法论、数据管理。
Kaitong Wang：可视化、形式分析、数据管理。
Xinyu Ren：验证、调查、数据管理。
Haotian Liu：撰写 - 审稿与编辑、原始起草、软件使用、方法论、调查、形式分析、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。