談乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及其在植物逆境響應(yīng)中的作用論文
乙烯是一種結(jié)構(gòu)簡單的小分子化合物，作為一種重要的氣態(tài)植物激素，參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的多個過程;此外，乙烯也在植物響應(yīng)生物和非生物脅迫過程中起重要的調(diào)控作用。典型的乙烯反應(yīng)是黑暗條件下幼苗生長呈特別的“三重反應(yīng)”，在擬南芥中表現(xiàn)為下胚軸變粗變短，主根生長受到抑制，并且頂端彎鉤加劇。
依據(jù)“三重反應(yīng)”表型，在模式植物擬南芥中鑒定了一系列乙烯反應(yīng)的突變體。通過對突變體進行分子遺傳學(xué)研究，在擬南芥中建立了從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上對乙烯信號感知到細胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的一條線性乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模型。擬南芥乙烯受體家族由5 個成員構(gòu)成，ETR1、ERS1、ETR2、ERS2 和EIN4，正常情況下，乙烯受體處于激活狀態(tài)，與一個Raf 類的Ser/Thr 蛋白激酶CTR1 結(jié)合并定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，當(dāng)乙烯結(jié)合到受體上時會改變其構(gòu)象，使其進入無活性或關(guān)閉狀態(tài)，處于關(guān)閉狀態(tài)的受體無法與CTR1 結(jié)合;失活后的受體-CTR1復(fù)合體不再磷酸化下游組分EIN2，此時EIN2 因不被降解而激活，使得乙烯信號得以向下游傳遞。EIN2 定位于細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，EIN2 的C端可以發(fā)生剪切并進入細胞核激活乙烯的下游信號分子。位于EIN2 下游的是EIN3/EILs 轉(zhuǎn)錄因子，激活的乙烯信號會阻斷F-box 蛋白成員EBF1 和EBF2 介導(dǎo)的EIN3 降解;EIN3/EIL1 作為乙烯信號傳遞中的初級轉(zhuǎn)錄因子激活ERFs、EBF2、PORA 和PORB 等下游基因表達，完成乙烯應(yīng)答反應(yīng)。本文主要以模式植物擬南芥為例，對乙烯受體、乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵組分及其分子調(diào)控的最新研究進展進行綜述;同時對乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物響應(yīng)逆境脅迫反應(yīng)中的作用進行探討。
1 乙烯受體及其調(diào)控因子
乙烯信號的感知開始于乙烯分子與其受體的相互識別和結(jié)合，乙烯與其受體的高度親和需要銅離子(Cu+)作為輔助因子。在模式植物擬南芥中共發(fā)現(xiàn)5 個乙烯受體蛋白，包括ETR1、ERS1、ETR2、ERS2 和EIN4 ;乙烯受體定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，以負反饋形式控制乙烯信號的輸出。根據(jù)乙烯受體蛋白氨基酸序列的相似性，5 個受體成員又進一步分為了兩個亞族，亞族1 包括ETR1 和ERS1，亞族2 包括ETR2、ERS2 和EIN4。乙烯受體蛋白結(jié)構(gòu)比較保守，與細菌和真菌中存在的雙組分蛋白激酶結(jié)構(gòu)類似，N 末端為結(jié)合乙烯的疏水性跨膜域;中部有1個保守的GAF 域;C 末端有一個與下游信號組分蛋白互作相關(guān)的組氨酸激酶信號輸出域。研究發(fā)現(xiàn)，進化上保守的RTE1(REVERSIONTO-ETHYLENE SENSITIVITY1)能夠與乙烯受體互作并且負調(diào)控乙烯反應(yīng)。RTE1 在真核生物中普遍存在，已從不同物種中克隆了RTE1 同源基因，例如番茄的SlGR 和SlGR1 等。遺傳分析表明，擬南芥RTE1 特異性地作用于乙烯受體ETR1，對其它的乙烯受體沒有顯著影響。為了深入了解RTE1的分子調(diào)控作用，Chang 等通過Split-Ub 篩選得到了RTE1 的互作蛋白細胞色素b5 和一個脂類轉(zhuǎn)運蛋白分子LTP1，初步分析表明細胞色素b5 和LTP1 參與乙烯受體ETR1 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子調(diào)控。2 乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)- 核橋接通路CTR1 是乙烯受體下游的另一個負調(diào)控因子。CTR1 的N 端可以與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的乙烯受體相結(jié)合。利用Co-IP 分析在體內(nèi)與CTR1 結(jié)合蛋白發(fā)現(xiàn)，可以從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)組分中純化得到ETR1 蛋白，直接證明CTR1 存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)并與ETR1 形成復(fù)合物。CTR1 的C 端具有類似于哺乳動物Raf 的絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶的結(jié)構(gòu)，體外磷酸化實驗表明CTR1具有絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶活性，活性特征類似于Raf1，但是CTR1 與Raf 相比，缺少鋅指結(jié)構(gòu)和結(jié)合Ras 蛋白的結(jié)構(gòu)域，說明CTR1 與MAPKKK 還存在一定的不同。
EIN2 是位于CTR1 下游的乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)組分，EIN2 的功能缺失突變體對乙烯完全不敏感，是乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的正調(diào)控組分。EIN2 基因編碼一個定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的跨膜蛋白。研究結(jié)果表明，EIN2 的N端作為一個跨膜結(jié)構(gòu)接受上游的.信號，而C 端參與了乙烯的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)并將信號向下轉(zhuǎn)導(dǎo)，即EIN2 激活下游乙烯信號的“剪切、穿梭”模型。當(dāng)細胞內(nèi)乙烯濃度較高時，EIN2 被激活且其C 端(CEND)被蛋白酶剪切而脫離內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進入細胞核并以某種方式激活EIN3/EIL1 和乙烯反應(yīng)。Li 等發(fā)現(xiàn)細胞質(zhì)中的EIN2 識別并結(jié)合EBF1/2 mRNA 的3'-UTR，并通過招募EIN5 等相關(guān)調(diào)節(jié)因子形成點狀結(jié)構(gòu)P-body，進而抑制EBF1/2 mRNA 的翻譯，導(dǎo)致EBF1/2 蛋白含量急劇減少，使得EIN3/EIL1 在細胞核內(nèi)大量積累，從而激活下游乙烯反應(yīng)。3 乙烯信號下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子EIN3 編碼一個細胞核內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子蛋白，在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中位于EIN2 下游。擬南芥中有5 個EIN3 的類似蛋白EILs(EIN3-like proteins)，分別為EIL1-EIL5，對擬南芥EIN3/EILs 家族6 個成員的研究發(fā)現(xiàn)，其中EIL1 與EIN3 的相似度最高，正調(diào)控擬南芥乙烯反應(yīng)。EIN3/EIL1s 作為轉(zhuǎn)錄因子直接結(jié)合下游的ERF 基因啟動子上的特定DNA 序列，來誘導(dǎo)ERF 基因的轉(zhuǎn)錄。屬于泛素連接酶類的SCF 復(fù)合體中的兩種F-box 蛋白EBF1/EBF2 位于EIN3/EILs 上游，可以在細胞核內(nèi)直接與之發(fā)生互作。EBF1 和EBF2 調(diào)控EIN3/EIL1 蛋白的積累和穩(wěn)定性，間接對乙烯反應(yīng)起負調(diào)控作用。同時EIN3/EIL1可作為連接乙烯信號和茉莉酸信號調(diào)控植物發(fā)育和逆境脅迫。
4 乙烯信號在植物逆境響應(yīng)中的作用
4.1 在鹽脅迫響應(yīng)中的作用
鹽脅迫是影響植物生長最主要的逆境因素之一，乙烯作為一種逆境脅迫響應(yīng)激素在植物抗鹽過程中起著重要的作用。一定水平的乙烯合成速率有利于增強植物體的鹽脅迫抗性，例如，乙烯合成前體ACC 處理可以顯著增加野生型擬南芥幼苗在高鹽環(huán)境下的抗鹽能力和成活率。同時，鹽脅迫也會誘導(dǎo)乙烯的合成。高鹽脅迫下，擬南芥中ACC 合成酶基因AtACS4 和AtACS7 的表達水平明顯提高;煙草中NtACS1、NtACO1、NtACO2 和NtACO3 基因的表達也受鹽脅迫的誘導(dǎo)[24]。此外，乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的各個組分也參與植物的鹽脅迫反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，在鹽和滲透脅迫條件下，擬南芥乙烯受體基因ETR1 的轉(zhuǎn)錄水平和蛋白豐度都顯著下降;與野生型相比，功能獲得性突變體etr1-1、ein4-1 和etr2-1 在種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育階段表現(xiàn)出對鹽的敏感性;相反，功能缺失突變體etr1-7 則表現(xiàn)出耐鹽的表型特征。在煙草中也發(fā)現(xiàn)，煙草乙烯受體基因NTHK1 受鹽誘導(dǎo)，異源表達煙草NTHK1 的轉(zhuǎn)基因擬南芥對鹽的敏感性明顯增加，而且也改變了鹽應(yīng)答相關(guān)基因的表達，例如促進了AtERF4，COR6.6，RD17，RD21A 和VSP2基因的表達，但抑制了BBC1，LEA 和AtNAC2 基因的表達。乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的負調(diào)控因子CTR1也參與植物的鹽脅迫反應(yīng)。與野生型相比，ctr1-1 突變體在種子萌發(fā)和幼苗生長階段表現(xiàn)組成型的乙烯反應(yīng)和鹽脅迫抗性。EIN2 在響應(yīng)鹽脅迫的過程中起著正調(diào)控作用，擬南芥功能缺失突變體ein2-1和ein2-5 在種子萌發(fā)、幼苗生長及營養(yǎng)生長階段都表現(xiàn)出鹽敏感的表型，種子萌發(fā)和幼苗生長均延遲。EIN3 是乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的正調(diào)控因子，在鹽脅迫下，EIN3 的表達水平達到最大，EIN3 蛋白積累。擬南芥功能缺失突變體ein3-1 對鹽的敏感性明顯增加;過表達EIN3 株系則表現(xiàn)出較強的耐鹽性。作為乙烯信號途徑下游組分，ERFs 轉(zhuǎn)錄因子家族通過識別不同的順式作用元件，調(diào)節(jié)多種功能基因的表達，參與植物逆境脅迫應(yīng)答。許多ERF基因，例如擬南芥AtERF1、AtERF5、ESE1、ESE2、ESE3，小麥TaERF1，大豆GmERF7，茉莉酸和乙烯響應(yīng)因子JERF1/3 的表達都受乙烯和鹽脅迫誘導(dǎo)。擬南芥Aterf98-1、白菜BrERF4、枸杞子LchERF、苜蓿MsERF11 和番茄SlERF5 基因的過表達都提高了轉(zhuǎn)基因株系的鹽脅迫抗性。綜上可見，無論是外施乙烯還是過表達乙烯合成基因，或是加強乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，都會增加植物對鹽脅迫的耐受性。但也有報道指出，增加體內(nèi)乙烯含量會提高植物對鹽脅迫的敏感性，例如，ACS7 和MPK9 在促進乙烯合成后又導(dǎo)致植物對鹽敏感性增加;在水稻中SIT1 促進乙烯合成后降低耐鹽性，并且過表達OsEIL1 或OsEIL2 都使植物對鹽敏感性增加。這些結(jié)果表明乙烯的動態(tài)平衡在植物的鹽脅迫反應(yīng)中可能發(fā)揮更重要的作用。
4.2 在干旱脅迫響應(yīng)中的作用
干旱是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要非生物脅迫因子，嚴重威脅著作物的生存及其產(chǎn)量。研究顯示，干旱脅迫下植物體內(nèi)積累乙烯并影響植物的抗旱能力。大豆中干旱脅迫上調(diào)乙烯合成相關(guān)基因的表達，但抑制乙烯信號途徑中的CTR1 表達。利用基因沉默技術(shù)抑制轉(zhuǎn)基因玉米中的乙烯水平，能顯著提高干旱環(huán)境下的玉米產(chǎn)量。干旱環(huán)境下，植物通過調(diào)控基因表達實現(xiàn)對環(huán)境條件的適應(yīng)，其中在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控研究較多。植物中有許多脅迫相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子家族，例如bZIP、WRKY、AP2/ERF 和MYB等。其中ERF 轉(zhuǎn)錄因子早期被稱作乙烯應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(EREBP)，是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，屬于AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子家族。在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的ERF 轉(zhuǎn)錄因子中，一部分ERF 轉(zhuǎn)錄因子通過與GCC-box 的結(jié)合調(diào)控植物抗病相關(guān)基因及其它信號途徑的基因表達;另一部分ERF 轉(zhuǎn)錄因子則通過與DRE 順式作用元件的結(jié)合調(diào)控植物對非生物脅迫的響性。目前已經(jīng)證實了很多ERF 類轉(zhuǎn)錄因子與植物抗旱性有關(guān)。在煙草乙烯不敏感突變體中，干旱脅迫可誘導(dǎo)煙草NtAP2 和NtERF 基因家族成員的高水平表達，耐旱性顯著提高[48]。在水稻、煙草、番茄和小麥中過表達JERF3，GmERF3，SlERF5，可提高對干旱脅迫的抗性。同時，ERF 轉(zhuǎn)錄因子在植物脅迫應(yīng)答中，除了作為轉(zhuǎn)錄激活子激活植物脅迫相關(guān)的基因表達外，某些ERF 轉(zhuǎn)錄因子也可作為轉(zhuǎn)錄抑制子，抑制某些脅迫相關(guān)基因的表達，例如，擬南芥中的ERF 轉(zhuǎn)錄因子RAP2.1 可以在體內(nèi)直接和干旱和低溫響應(yīng)的功能基因(RD/COR)啟動子區(qū)域的DRE 元件結(jié)合從而抑制這些基因的表達。擬南芥AtERF4 也通過負調(diào)節(jié)植物防衛(wèi)基因PDF1.2的表達，進而調(diào)控乙烯反應(yīng);在擬南芥中過量表達AtERF4 將導(dǎo)致植株對干旱更為敏感。
4.3 在低溫脅迫響應(yīng)中的作用
與其他環(huán)境脅迫不同，低溫脅迫下植物體內(nèi)乙烯含量明顯降低并維持在較低水平。乙烯合成基因過表達或外施ACC 會提高內(nèi)源乙烯含量從而降低植物體的耐寒性;相反，外施乙烯抑制劑AVG 或AgNO3 時則會增強植物體對低溫的抵抗能力，說明乙烯在植物響應(yīng)低溫脅迫中起負調(diào)控作用。另外，乙烯不敏感突變體如etr1-1、ein4-1、ein2-5、ein3-1和ein3 都表現(xiàn)出抗寒性增強，過表達EIN3 則會降低植物的抗寒性。
乙烯參與植物抗寒性主要是通過CBF 依賴的冷響應(yīng)基因和A- 型的ARRs 基因而實現(xiàn)的。CBF 基因?qū)儆贏P2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子家族中的成員，調(diào)控上百種COR 基因的表達，它們的啟動子含有保守基序CCGAC，稱為CRT/DRE 順式調(diào)節(jié)元件。CBF 可以識別并結(jié)合啟動子區(qū)的CRT 序列，調(diào)控這類COR基因的表達。擬南芥中參與低溫信號途徑的CBF 基因有3 個，CBF1/DREB1B、CBF2/DREB1C 和CBF3/DREB1A。CBF1和CBF3敲除株系表現(xiàn)冷敏感的表型，cbf2 缺失突變體植株則表現(xiàn)抗低溫;擬南芥中過表達CBFs 植株表現(xiàn)出比野生型植株更加抗冷、抗旱和抗鹽的表型;說明CBFs 是低溫信號途徑中的正調(diào)控因子。還有一些AP2/ERF 轉(zhuǎn)錄因子也參與植物的低溫脅迫應(yīng)答。例如，TERF2/LeERF2 可結(jié)合ACS，ACO 等乙烯合成基因的啟動子元件，激活它們的表達，乙烯進而激活低溫脅迫相關(guān)基因PRB-1b，Osmotin 的表達，提高植物對低溫的耐受性。過表達煙草TERF2 的番茄植株體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和葉綠素水平明顯提高，ROS、MDA 含量和離子滲漏明顯降低;同時還激活了低溫相關(guān)基因OsFer1，OsTrx23 和OsLti6 等的表達，對低溫脅迫的抗性明顯提高;而反義表達TERF2 的番茄植株則降低了對低溫的耐受能力，但噴施外源乙烯可恢復(fù)番茄植株的低溫抗性，表明TERF2 通過乙烯信號途徑來調(diào)控對低溫脅迫的抗性反應(yīng)。在葡萄中，低溫促進乙烯釋放，施用乙烯合成抑制劑降低其抗冷性，而過量表達VaERF057 則提高轉(zhuǎn)基因擬南芥的抗冷性，說明乙烯在調(diào)控植物的低溫脅迫反應(yīng)中作用不同，可能與植物種類有關(guān)。
4.4 在生物脅迫響應(yīng)中的作用
乙烯不僅在植物的非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮作用，植物中還存在大量與生物脅迫響應(yīng)有關(guān)的ERF 型轉(zhuǎn)錄因子。擬南芥AtERF1、AtERF2 和AtERF14 基因通過乙烯和茉莉酸信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在抵抗生物脅迫過程中起著至關(guān)重要的作用，過表達AtERF2 表現(xiàn)出較強的抗病性以及能誘導(dǎo)大量抗病相關(guān)基因的表達。轉(zhuǎn)基因植株中過量表達海島棉乙烯反應(yīng)相關(guān)因子GbERF1，通過激活木質(zhì)素合成提高了黃萎病抗性。煙草中分離的Tsi1 基因，特異地與GCC盒和DRE/CRT 元件結(jié)合;過表達Tsi1 的轉(zhuǎn)基因煙草植株對鹽脅迫和細菌的耐受能力明顯提高。在擬南芥中超量表達番茄基因Pti4，能夠激活水楊酸調(diào)控基因PR1、PR2 的表達，同時激活茉莉素及乙烯調(diào)控基因PR3、PR4、PDF1.2 和Thi2.1 的表達。番茄Pti4 在擬南芥中超表達也提高了其對真菌病原物和細菌病原物的抵抗能力。研究表明，植物激素參與不同的防御相關(guān)基因的激活，在激素介導(dǎo)的逆境脅迫防御中起著重要的橋梁作用。
5 展望
乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是一個復(fù)雜的分子調(diào)控過程，信號傳導(dǎo)途徑的每個重要組分在不同分子水平上受到嚴格的調(diào)節(jié)和控制。過去幾年，雖然人們對乙烯信號傳導(dǎo)途徑及其重要組分的分子調(diào)控取得了一些進展，但關(guān)于乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機制和乙烯反應(yīng)調(diào)控因子的作用機制仍遠未探究清楚，很多乙烯反應(yīng)和乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要調(diào)控因子尚未挖掘出來。特別是乙烯受體的調(diào)控因子有哪些，乙烯受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)如何調(diào)控，調(diào)控因子的分子作用機制等，都是亟需回答的重要科學(xué)問題。同時，乙烯信號傳導(dǎo)途徑并不是獨立存在的，與其它植物激素如生長素、赤霉素、脫落酸等具有交互作用，因此，通過繼續(xù)挖掘每個信號組分的功能與作用機制，從而建立完善的乙烯信號網(wǎng)絡(luò)可以為今后構(gòu)建植物各個生理階段的激素互作調(diào)控模型奠定基礎(chǔ)。近年來全球氣候變暖，人口數(shù)量增加，環(huán)境條件惡化，植物所面臨的生存逆境，如高溫、干旱、高鹽、低溫及病害等問題日趨嚴峻，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)構(gòu)成了較大的威脅。目前，植物激素的抗逆機理受到科研工作者的高度關(guān)注，乙烯同植物抗逆性的關(guān)系研究取得了一定的進展，初步認識到乙烯在植物抗逆性中的復(fù)雜作用。但是，乙烯在植物響應(yīng)逆境脅迫過程中的具體調(diào)控機制尚不明確，逆境脅迫下乙烯的作用機理有待于進一步深入探索，特別是如何應(yīng)用乙烯來合理調(diào)控植物的生長發(fā)育，增強植物的環(huán)境適應(yīng)能力，最終培育篩選出抗性高產(chǎn)的優(yōu)良品種。
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