本文是一篇发表于《植物生物技术期刊》（*Plant Biotechnology Journal*）的综述文章。文章题目为“NACs，植物生命中的多面手”。第一作者为韩昆晋和赵晔，通讯作者为李云，所有作者均来自北京林业大学林木遗传育种全国重点实验室、国家林业和草原局刺槐工程技术研究中心、林木育种与生态恢复国家工程研究中心以及生物科学与技术学院。文章于2023年8月1日正式接受，最终在线发表。

论文主题与背景 本文的主题是系统性地综述植物特有的NAC转录因子家族。NAC（NAM， ATAF1/2， CUC2）是植物中最大的转录因子家族之一，在植物的生长发育、以及对各种生物和非生物胁迫的响应中扮演着核心角色。尽管过去的研究已经揭示了众多NAC成员的功能，但大多数研究局限于单一功能。随着研究进展，人们发现NAC蛋白通过复杂的信号网络和转录重编程发挥作用。因此，本文旨在整合近年来NAC转录因子研究的最新进展，从上游调控、调控组件和下游靶点等多个层面，全面阐述NAC在植物生长发育和胁迫响应中的“多面手”角色，并探讨其在植物生物技术改良策略中的应用前景。

主要观点与论述

第一，NAC转录因子的结构特征与进化分类。 文章首先详细介绍了NAC转录因子的典型结构。所有NAC蛋白都包含一个相对保守的NAC结构域和一个高度可变的转录调控结构域（TRD）。NAC结构域位于N端，包含约150个氨基酸残基，通过X射线晶体学揭示了其详细的三维结构。该结构域可进一步划分为A到E五个亚结构域，其保守性依次为A > C > D > B > E。其中，A亚结构域参与形成功能二聚体（同源或异源二聚体）；C和D亚结构域带正电荷，含有核定位信号，并与启动子特异性元件结合密切相关；B和E亚结构域保守性较弱，决定了NAC转录因子的功能多样性。C端的TRD长度和序列在不同物种间差异很大，具有转录激活或抑制功能，并能与其他蛋白质相互作用，这构成了NAC功能多样性的基础。此外，一些非典型NAC蛋白具有跨膜结构域（如NTLs），在正常环境下锚定在质膜上，胁迫下释放入核发挥作用；或含有两个NAC结构域等特殊结构。

基于NAC结构域的氨基酸序列，研究者对单子叶植物水稻和双子叶植物拟南芥的NAC家族进行了全面的系统发育分析，将其分为两大组（Group I和Group II）和18个亚组。例如，Group I包含NAM、NAC1、ATAF、NAP、ATNAC3等14个亚组，而Group II包含ANAC001等4个亚组。不同亚组的NAC蛋白往往具有特定的功能倾向，例如NAM和NAC1亚组主要参与发育和形态建成，而ATAF、NAP、ATNAC3和OsNAC3等亚组则在胁迫响应中发挥重要作用。这种结构多样性直接关联到NAC在植物生命活动中的广泛参与。

第二，NAC转录因子在植物生长发育中的多样化调控功能。 文章的核心部分之一，是详细阐述了NAC转录因子在植物各个生长发育阶段的关键作用。

1. 次生细胞壁（SCW）发育：NAC转录因子是调控SCW合成的“主开关”。拟南芥中的VNDs、NSTs和SNDs是研究最深入的SCW相关NAC。它们通过结合次生壁NAC结合元件（SNBE）来激活下游一系列SCW生物合成基因的表达。文章详细描述了这些NAC之间的调控网络：例如，VND6和VND7参与木质部导管形成和程序性细胞死亡（PCD）；SND1作为主要的转录开关，正向调控SCW增厚，并通过调控MYB46、MYB83等次级转录因子来激活纤维素、木质素和半纤维素合成基因；NST1的表达受到XND1的抑制，而XND1的表达又受到KNOX蛋白的抑制，形成了一个精细的调控回路。此外，激素信号如生长素（IAA）和脱落酸（ABA）也整合到这一网络中，例如生长素通过LBD29抑制NSTs表达，而ABA信号通路中的SNRK2激酶通过磷酸化激活NST1。这些机制在拟南芥、杨树、棉花等多种植物中高度保守。

2. 种子发育：NAC转录因子在种子灌浆和营养物质积累中至关重要。在小麦中，TaNAC100作为种子蛋白和淀粉合成的核心调节因子，抑制高分子量谷蛋白亚基（HMW-GS）基因表达，同时激活淀粉合成基因。TaNAC019则协调贮藏蛋白和淀粉的积累。在玉米中，ZmNAC128和ZmNAC129通过调控淀粉合成的限速酶基因和醇溶蛋白基因来控制淀粉合成速率。在水稻中，ONAC127和ONAC129通过形成异源二聚体，直接靶向糖转运蛋白基因OsMST6和OsSWEET4，调控籽粒灌浆过程。这些研究表明，NAC通过精准调控储藏物质相关基因的表达，直接影响种子品质和产量。

3. 根系发育：NAC转录因子参与调控主根和侧根的发育。在拟南芥中，AtNAC1通过抑制细胞周期调节因子CYCD6.1的转录来维持根分生组织和根的生长。AtNAC056则通过直接结合硝酸同化基因NIA1的启动子，上调其表达，从而通过硝酸盐信号促进根系生长。在大豆中，GmNAC20和GmNAC109通过上调生长素（IAA）信号相关基因（如ARF7， ARF19）或下调生长素抑制基因（如ARF2），促进侧根生长。在水稻中，OsNAC2通过影响IAA和细胞分裂素（CK）的生物合成与信号，负向调控根的生长。此外，microRNA（如miR164）通过转录后调控ZMNAC1、StNAC262等NAC基因的表达，影响玉米和马铃薯的侧根数量。

4. 叶片衰老：叶片衰老是一个受多种内部和外部信号调控的复杂过程，NAC是其中的核心整合者。NAP是ABA信号通路中的关键正调控因子。拟南芥中的ANAC016是NAP的上游正调控因子。ATAF1、OsNAC2和ONAC054等NAC也通过ABA信号通路调控衰老。NTL4则连接了ABA和活性氧（ROS）信号通路，通过激活ROS生物合成酶基因AtRBOH的表达来促进衰老。相反，JUB1和ANAC075通过激活ROS清除基因（如CAT2）的表达来延缓衰老。ORE1（ANAC092）是另一个关键衰老调节因子，受乙烯信号（通过EIN2/EIN3）和microRNA164的调控。ORE1通过直接激活衰老相关基因（SAGs）和叶绿素降解基因（CCGs）来加速衰老。此外，JA信号通路中的ANAC019、ANAC055和ANAC072也参与调控JA诱导的衰老。这些NAC构成了一个复杂的网络，整合了ABA、乙烯、JA、ROS等多种信号，精确控制叶片衰老的启动与进程。

5. 开花与花器官发育：NAC参与花器官边界形成、花药开裂、开花时间调控和花衰老。在番茄和拟南芥中，miR164通过调控NAM亚组成员（如SINAM2、CUC1、CUC2）的转录水平，影响花器官边界的形成，其功能具有冗余性和特异性。拟南芥的NST1和NST2冗余调控花药内壁的SCW增厚，促进花药开裂。OsNAC2通过调控赤霉素（GA）信号相关基因，充当开花时间的抑制因子。拟南芥的JUB1通过抑制GA和油菜素内酯（BR）的生物合成基因，导致晚花。在花衰老方面，乙烯途径调控的INEP1和TgNAP分别在日本牵牛和郁金香中通过调控PCD相关基因或水杨酸（SA）合成与ROS清除基因，加速花瓣衰老。

6. 果实成熟：NAC是调控果实成熟的关键因子，尤其在乙烯依赖和非依赖途径中。在番茄中，SINAM1通过激活乙烯生物合成关键基因SlACS的表达来正向调控果实成熟。NOR（SINOR）是著名的成熟突变体基因，它通过激活乙烯合成、类胡萝卜素积累和果实软化相关基因来促进成熟，并能激活DNA去甲基化酶基因SlDML2的表达。在香蕉中，MaNAC1和MaNAC2与乙烯信号组分MaEIL5相互作用，参与成熟调控，并与转录因子MaXB3、MaERF11形成反馈环路。在猕猴桃中，乙烯抑制miR164活性，导致AdNAC6/7积累，进而激活乙烯合成和细胞壁代谢基因。此外，NAC也通过ABA和IAA途径调控果实成熟，如柑橘的CrNAC036通过与CrMYB68相互作用抑制ABA合成基因CrNCED5，而西瓜的ClNAC68通过抑制IAA酰胺合成酶基因ClGH3.6来调控果实品质。

第三，NAC转录因子在植物胁迫响应中的核心作用。 文章系统总结了NAC在应对非生物胁迫（低温、高温、干旱、水涝、盐害）和生物胁迫（病害）中的功能与机制。

1. 温度胁迫：

   • 低温：NAC通过磷脂降解途径和CBF/DREB冷信号通路调控耐冷性。香蕉的MaNAC25/28通过激活磷脂降解基因促进磷脂酸积累，负调控耐冷性；而乙烯处理能抑制其活性。相反，MaNAC1作为ICE1的直接靶标，与MaCBF1相互作用，正调控耐冷性。百合的LlNAC2和拟南芥异源表达的GmNAC20通过激活DREB1/CBF途径增强耐冷性。苹果的MdNAC029（MdNAP）则直接抑制MdCBF1/4的表达，负调控耐冷性。
   • 高温：具有跨膜结构的NAC（如LlNAC014、OsNTL3）在热胁迫下转位入核，激活热激转录因子（HSF）或未折叠蛋白反应（UPR）相关基因（如OsbZIP74），增强耐热性。异源二聚体的形成也至关重要，如水稻ONAC127和ONAC129通过形成异源二聚体靶向热响应基因。此外，AtNAC019通过被RCF2去磷酸化后结合HSF基因启动子来正调控耐热性。辣椒的CaNAC2c与CaHSP70相互作用，稳定自身并激活CaHSFA5，同时减少H2O2积累，从而提高耐热性。

2. 干旱与水涝胁迫：

   • 干旱：NAC主要通过ABA依赖途径、ROS调控和表观遗传修饰来响应干旱。拟南芥中，AtNAC016和AtNAP通过抑制ABA信号核心因子AtAREB1的转录，负调控抗旱性。而在番茄中，SINAP1却通过激活ABA、GA和SA合成相关基因来正调控抗旱性，显示了功能的物种特异性。玫瑰的RcNAC72通过与RcDREB1A互作增强抗旱性。AtJUB1和SlJUB1通过激活DREB和DELLA基因的表达来正调控抗旱性。OsNAC2通过调控ROS积累（抑制OsCOX11）和PCD（激活OsAP37）相关基因来负调控抗旱性。表观调控方面，miRNA（如miR1514a， miR164）通过切割NAC的mRNA来影响抗旱性；蛋白质的磷酸化（如SAPK8磷酸化OsNAC016）和泛素化（如OsPUB43介导OsNAC016降解）也精细调控NAC的稳定性和活性。
   • 水涝：研究相对较少，主要涉及缺氧和乙烯信号。拟南芥的SHYG（ANAC017）在淹水胁迫下通过直接靶向乙烯合成基因ACO5，引发叶片上卷运动。淹水诱导的乙烯积累通过EIN3上调ORE1表达，加速叶片衰老。ANAC102则与低氧胁迫下的种子萌发有关。

3. 盐胁迫：NAC通过渗透调节、ROS清除、离子稳态和激素（主要是ABA）途径调控耐盐性。盐地肤的SlNAC10通过激活脯氨酸合成酶基因增强耐盐性。白桦的BpNAC012和拟南芥的AtJUB1也正向调控耐盐性与渗透调节。水稻OsNAC2通过激活ROS产生（OsCOX11）、PCD（OsAP37）和钾离子外排通道基因（OsGORK， OsSKOR），负调控耐盐性。拟南芥ATAF1负调控耐盐性，但其大豆同源基因GmNAC109却增强耐盐性。GmSIN1通过同时激活ROS产生基因（GmRBOHBs）和ABA合成基因（GmNCED3s），形成一个正反馈放大环，显著增强大豆耐盐性。ONAC022和DlNAC1通过上调ABA合成基因表达来增强耐盐性。小麦TaSIP1在盐胁迫下从内质网转位入核，激活线粒体逆行信号基因，损害耐盐性；而TaSRO1通过与TaSIP1在细胞质互作，阻止其入核，从而平衡生长与胁迫响应。

4. 病害胁迫：NAC广泛参与对病毒、细菌、真菌等病原体的防御，涉及SA、JA、ABA和乙烯等多种信号通路。

   • SA途径：番茄SINAP1通过直接激活SA合成关键基因SlPAL3的表达，增强对细菌性病害的抗性。葡萄VvNAC72通过抑制甲基乙二醛代谢基因，增加SA相关基因表达，提高对霜霉病的抗性。膜结合NAC蛋白AtNTL9与AtCRWN1和AtSNI1形成复合物，抑制防御基因AtPR1，负调控免疫。而AtNTL6则以不依赖SA的方式介导冷诱导的PR基因表达。
   • JA途径：香蕉MaNAC5受SA和JA诱导，能与MaWRKY1/2协同或单独激活几丁质酶和病程相关蛋白（PR）基因的转录，从而抵抗炭疽病菌，是连接SA和JA通路的关键枢纽。
   • 其他途径：ABA和乙烯也参与病害响应。例如，棉花GhORE1的稳定性受病原体效应蛋白PeVD1调控，影响由黄萎病菌诱导的叶片衰老。

第四，论文的意义与价值。 本综述文章具有重要的学术价值和应用指导意义。在学术上，它首次如此全面和系统地将NAC转录因子在植物生长发育（从种子、根、叶、花到果实）和胁迫响应（温度、水、盐、病）中的多重功能整合在一起，揭示了NAC作为“多面手”和信号网络核心节点的本质。文章不仅梳理了已知的调控通路，还通过系统发育分析指出了不同功能NAC的亚组归属倾向（如OSNAC7亚组与SCW发育，ATAF、NAP等亚组与胁迫响应），为未来功能预测提供了线索。文章强调了NAC功能的复杂性（如功能冗余、物种特异性、上下游反馈调节）和研究的不足（如水涝胁迫机制、离子稳态调控等），为领域内的未来研究方向提供了清晰的路线图。

在应用层面，深入理解NAC的调控网络对于作物遗传改良至关重要。通过分子育种或基因工程手段操纵关键NAC基因或其调控网络，可以同时改良作物的多个性状，例如培育具有更高产量（优化种子灌浆、根系构型）、更优品质（改良SCW用于生物质能源、调控果实成熟）、更强抗逆性（耐旱、耐盐、抗病）的新品种。文章特别指出，鉴于NAC的多功能性，在利用其进行作物改良时，需要仔细权衡其对生长发育和胁迫响应的可能副作用，采取组织特异性或诱导性表达等策略，以实现精准调控。

这篇综述是一份关于植物NAC转录因子家族的权威性、系统性和前瞻性的学术总结，对于植物科学、作物遗传育种和生物技术领域的研究人员具有极高的参考价值。