乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究

張存立 郭紅衛(wèi)

①博士研究生，②教授，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871

乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究

張存立①郭紅衛(wèi)②

①博士研究生，②教授，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871

植物激素 乙烯 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

作為5大類植物激素之一的乙烯一直是科學(xué)家關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是氣態(tài)激素乙烯在植物的生長發(fā)育以及脅迫反應(yīng)中具有重要的作用。通過近20年的研究，科學(xué)家已經(jīng)描繪出一條近似線性的乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。在模式植物擬南芥中，這條通路的最上游是由一個多基因家族編碼的乙烯的5個受體ETR1，ETR2，ERS1，ERS2和EIN4。與之相結(jié)合并共同定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的是一個類似Raf的蛋白激酶CTR1。在沒有乙烯存在的條件下，受體和CTR1的結(jié)合能夠協(xié)同抑制下游乙烯信號。在這兩類負(fù)調(diào)控因子的下游是乙烯信號的正調(diào)控因子EIN2。如果EIN2基因突變，即使有高濃度乙烯存在，植物黃化苗也將表現(xiàn)出完全的乙烯不敏感表型，顯示出EIN2在乙烯信號通路中的核心地位。在EIN2的下游是乙烯信號的轉(zhuǎn)錄因子家族EIN3以及EILs，它們在響應(yīng)乙烯信號之后會起始乙烯相關(guān)基因的表達(dá)。研究還發(fā)現(xiàn)，乙烯的轉(zhuǎn)錄因子受泛素化降解途徑調(diào)控，負(fù)責(zé)識別及結(jié)合EIN3等轉(zhuǎn)錄因子的F-box蛋白是EBF1和EBF2。EIN5是一種5’→3’外切核酸酶，它能夠通過促進(jìn)EBF1和EBF2的mRNA的降解來拮抗這兩個F-box蛋白對EIN3的負(fù)反饋調(diào)控。最近，有研究表明EIN2同樣是一個半衰期很短并經(jīng)由泛素化降解途徑調(diào)控的蛋白，而執(zhí)行調(diào)控EIN2任務(wù)的是另外兩個F-box蛋白ETP1和ETP2。雖然人們對于乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的認(rèn)識取得了巨大進(jìn)步，但是該信號通路的精細(xì)調(diào)節(jié)機(jī)制以及乙烯信號與其他植物激素信號之間的交叉反應(yīng)還需進(jìn)行更為深入的研究。

雖然乙烯是一種結(jié)構(gòu)非常簡單的氣體植物激素，但是它對植物發(fā)育以及適應(yīng)性反應(yīng)起著非常重要的作用。種子萌發(fā)、開花、葉片衰老、果實(shí)成熟、葉片剪切、根瘤、細(xì)胞程序性死亡以及對非生物脅迫和病原體入侵的反應(yīng)等生理過程都與乙烯密切相關(guān)［1－3］。鑒定乙烯反應(yīng)的特征性實(shí)驗(yàn)是觀察生長在暗處并經(jīng)乙烯處理之后植物黃化苗的“三重反應(yīng)”。所謂“三重反應(yīng)”是指黃化苗受乙烯處理后下胚軸和根的伸長被抑制、下胚軸變粗以及頂端彎鉤加劇（圖1）。科學(xué)家通過基于“三重反應(yīng)”進(jìn)行遺傳篩選的方法，在過去的近20年中找到一系列擬南芥的乙烯突變體（圖2）。這些突變體可以被分為3種類型：①乙烯過表達(dá)突變體，如eto1，eto2，eto3；②組成型乙烯反應(yīng)突變體，如ctr1；③乙烯不敏感突變體，如etr1，etr2，ein2，ein3，ein4，ein5以及ein6［1－2，4］。通過對這些擬南芥突變體的深入研究，科學(xué)家逐漸描繪出一條近似線性的乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路（圖3）。首先，在上游對乙烯分子的感知是通過一個與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相結(jié)合的受體家族來完成的，其中包括ETR1，ETR2，ERS1，ERS2，EIN4。這些乙烯受體在序列上具有相似性，并且在結(jié)構(gòu)上都與細(xì)菌雙組分組蛋白激酶相類似［3，5－6］。與乙烯受體相結(jié)合并協(xié)同抑制下游乙烯信號的是一個屬于Raf蛋白激酶家族的負(fù)調(diào)節(jié)因子CTR1蛋白［7－8］。遺傳上位于CTR1下游的正調(diào)控因子EIN2是一個定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的大的跨膜蛋白。EIN2的N端與哺乳動物金屬離子通道蛋白NRAMP家族有一定的相似性；而其C末端是一個親水的功能未知的組分。研究發(fā)現(xiàn)，EIN2的C末端與已知蛋白沒有任何同源性，但是如果在擬南芥中單獨(dú)轉(zhuǎn)基因表達(dá)該區(qū)段卻足以組成型地激活乙烯和脅迫反應(yīng)［9］。表型、遺傳以及生化的分析結(jié)果都顯示EIN2蛋白位于乙烯信號通路的一個中心位置。EIN2作為一個正調(diào)控因子，其抑制被解除后即可通過正調(diào)乙烯信號途徑的主要轉(zhuǎn)錄因子EIN3和EIL1而將信號通過轉(zhuǎn)錄級聯(lián)方式傳遞下去，使得下游乙烯應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄被活化而產(chǎn)生乙烯反應(yīng)［10－11］。近年來，一些新的科研成果進(jìn)一步豐富和擴(kuò)展了乙烯的線性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。研究表明，銅離子作為一個輔助因子促進(jìn)乙烯與受體的結(jié)合，而銅離子的轉(zhuǎn)運(yùn)和濃度梯度的維持對于乙烯與受體的結(jié)合是一個必要的過程。一種具有銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)功能的P-type ATPase RAN1在乙烯受體的生物發(fā)生以及銅離子的穩(wěn)態(tài)平衡過程中起到重要的調(diào)節(jié)作用［12］。RTE1是另一類對受體功能起調(diào)節(jié)作用的乙烯信號的負(fù)調(diào)控蛋白，它與乙烯受體共定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上并在遺傳上位于ETR1的上游，主要通過調(diào)節(jié)ETR1的活性來調(diào)節(jié)乙烯反應(yīng)［13－14］。研究表明，EIN3蛋白可被兩個 F-box蛋白EBF1和EBF2識別結(jié)合并進(jìn)入泛素化降解過程［15－17］。有趣的是，研究表明EIN2同樣是一個半衰期很短的會被泛素化降解的蛋白，識別和降解EIN2蛋白的F-box蛋白是ETP1和ETP2［18］。5’→3’外切核酸酶EIN5／XRN4蛋白能夠通過降解EBF1和EBF2的mRNA來拮抗EBF1和EBF2對EIN3的負(fù)反饋調(diào)控［19－20］。近期，關(guān)于EIN3蛋白磷酸化修飾調(diào)節(jié)的研究揭示出更為復(fù)雜的激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的存在［21－22］。

圖1 擬南芥黃化苗生長在乙烯中（3天）的“三重反應(yīng)”表型

圖3 乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路示意圖

1 乙烯受體及其對乙烯信號的感知

植物細(xì)胞通過定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的受體感知乙烯信號。在擬南芥中共有由一個多基因家族編碼的5個乙烯受體，分別是ETR1，ETR2，ERS1，ERS2和EIN4。它們在結(jié)構(gòu)上類似于細(xì)菌和真菌中存在的雙組分組蛋白激酶［5－6，23］。通過比較其結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)乙烯受體存在至少3類保守的結(jié)構(gòu)域：N端是一個在銅離子協(xié)助下與乙烯結(jié)合的跨膜結(jié)構(gòu)域；中間是一個負(fù)責(zé)不同受體間相互作用的GAF結(jié)構(gòu)域；C端是一個能與下游組分CTR1相互作用的激酶結(jié)構(gòu)域。乙烯5個受體可根據(jù)其結(jié)構(gòu)相似性被分為兩大類，一類受體包括ETR1和ERS1，另一類受體包括 ETR2，ERS2和 EIN4［6，24］。研究表明，乙烯受體的N端涉及受體的膜定位、乙烯結(jié)合以及受體的二聚化等基本功能，因此5個乙烯受體在N端具有較高的相似性［25－26］。乙烯受體的C端則是類似于組蛋白激酶的結(jié)構(gòu)域。但是，體外激酶活性實(shí)驗(yàn)表明僅有ETR1，ERS1具有組蛋白激酶活性；其他受體ETR2，ERS2和EIN4則由于缺少組蛋白激酶活性所必需的氨基酸殘基而可能作為絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶來起作用［27－28］。

由于乙烯結(jié)合能力發(fā)生突變而產(chǎn)生的受體功能獲得型突變體將會導(dǎo)致組成型乙烯不敏感表型的出現(xiàn)，表明乙烯受體作為乙烯信號的負(fù)調(diào)控因子而存在［6，23，29－30］。同時，乙烯的5 個 受 體 存 在 功 能 上 的 冗 余 ，因?yàn)閱蝹€受體的功能缺失型突變體表型與野生型類似，但多重功能缺失突變體則具有組成型的乙烯反應(yīng)表型［31］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因表達(dá)類型Ⅰ受體ETR1或ERS1能夠回復(fù)功能缺失型雙突變體etr1／ers1的組成型乙烯反應(yīng)表型；轉(zhuǎn)基因表達(dá)類型Ⅱ受體ETR2，ERS2或EIN4卻不能回復(fù)etr1／ers1雙突變體的組成型乙烯反應(yīng)表型［32］?？茖W(xué)家猜測是否因?yàn)轭愋廷袷荏w獨(dú)特的組氨酸激酶活性導(dǎo)致了其對功能缺失型雙突變體表型的回復(fù)作用。但是，轉(zhuǎn)基因表達(dá)組氨酸激酶失活的ETR1仍然可以回復(fù)功能缺失型雙突變體etr1／ers1的表型，說明組氨酸激酶活性并不是類型Ⅰ受體抑制乙烯信號所必需的，而可能只是參與了乙烯信號的某些調(diào)節(jié)過程［26，33］。還有研究表明，即便受體缺失整個羧基端包括組氨酸激酶區(qū)和信號接受區(qū)，功能獲得型的受體ETR1仍然具有抑制下游乙烯信號的功能，說明受體ETR1的C端對于其抑制功能并非必需［27］?？茖W(xué)家因此推測乙烯受體之間可以通過相互協(xié)同作用而維持受體的抑制功能［25，27，34］。乙烯與受體的結(jié)合需要銅離子的參與，而在此過程中負(fù)責(zé)銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)和濃度梯度維持的蛋白是一個具有P-type ATPase活性的 RAN1蛋白［12］。RTE1是另一類進(jìn)化上非常保守的膜結(jié)合蛋白，其轉(zhuǎn)錄活性受乙烯調(diào)控，并且RTE1通過與乙烯受體相互作用而負(fù)調(diào)控乙烯反應(yīng)，暗示乙烯信號的感知可能存在更為精細(xì)的調(diào)節(jié)過程［13，35］。

2 CTR1激酶及其可能介導(dǎo)的MAPK途徑

與乙烯受體結(jié)合并協(xié)同抑制下游乙烯反應(yīng)的是另一個負(fù)調(diào)節(jié)因子CTR1蛋白。ctr1突變體會表現(xiàn)出組成型的乙烯反應(yīng)表型［7］。序列分析顯示CTR1蛋白是類似于哺乳動物Raf家族的絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。CTR1通過其氨基端與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的乙烯受體的羧基端相結(jié)合而被間接錨定在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，從而形成受體－CTR1復(fù)合體，而且CTR1對下游乙烯信號的負(fù)調(diào)控功能是依賴于這一蛋白相互 作用的［8，36－37］。研究表明，CTR1的羧基端具有絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶活性，而激酶失活的ctr1突變體將會表現(xiàn)出組成型乙烯反應(yīng)表型［37］。

CTR1的功能依賴于其與乙烯受體的結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，由于氨基端發(fā)生錯義突變而破壞了與受體結(jié)合能力的CTR1即便其羧基端激酶活性不受影響，仍然不能再對下游乙烯信號產(chǎn)生抑制作用［37］?；贑TR1在序列上與Raf蛋白激酶的相似性，人們很容易聯(lián)想到CTR1在乙烯信號通路中是否作為一種MAPKKK通過介導(dǎo)一條MAPK級聯(lián)反應(yīng)而激活下游乙烯信號。雖然生化證據(jù)顯示乙烯反應(yīng)能夠影響植物細(xì)胞內(nèi)的磷酸化水平，但是之前的研究沒有直接證據(jù)證明乙烯信號通路存在一條由CTR1介導(dǎo)的激活下游乙烯信號通路的MAPK途徑［38－40］。有趣的是，多種證據(jù)卻表明細(xì)胞內(nèi)存在一條MKK4／5／9-MPK3／6途徑通過修飾乙烯生物合成限速酶ACS2／6的穩(wěn)定性而在乙烯生物合成水平而非乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)水平對乙烯反應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)［41－44］。近期，有研究小組認(rèn)為在擬南芥原生質(zhì)體中CTR1可以繞過下游正調(diào)控因子EIN2蛋白而直接通過 MKK9-MPK3／6控制乙烯信號的轉(zhuǎn)錄因子EIN3蛋白的磷酸化而使其失活，從而抑制下游乙烯信號［21］。但是，另一組科學(xué)家在用對應(yīng)的MKK9基因突變體以及轉(zhuǎn)基因過表達(dá)植株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時卻表明，在擬南芥體內(nèi)MKK9并非繞過EIN2蛋白而直接激活乙烯信號，而是通過作用于乙烯生物合成途徑而影響乙烯反應(yīng)［22］。

3 EIN2跨膜蛋白及其謎一樣的功能

EIN2蛋白位于CTR1的下游，是乙烯信號通路中的第一個正調(diào)控組分?？茖W(xué)家在20多年前篩選乙烯突變體時篩到了它［45］。EIN2基因發(fā)生功能缺失型突變可以產(chǎn)生完全的乙烯不敏感表型，暗示EIN2在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的核心地位［9］。序列分析表明，EIN2基因編碼一個12跨膜的大的膜結(jié)合蛋白，其N端定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，C端則游離在胞質(zhì)中［9，46］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，EIN2蛋白的N端類似于具有轉(zhuǎn)運(yùn)二價陽離子功能的NRAMP離子通道家族蛋白；與N端不同是，EIN2的C端為一親水區(qū)，而且序列分析表明EIN2的C端與其他已知蛋白相比沒有明顯的序列相似性，暗示出EIN2蛋白的C端可能具有非常獨(dú)特的功能［9］。

雖然EIN2蛋白的N端類似于NRAMP離子通道，但是沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明EIN2的N端確實(shí)具有離子轉(zhuǎn)運(yùn)能力，EIN2的N端在乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的功能還有待研究［9］?？茖W(xué)家在研究EIN2的功能時還發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)基因過量表達(dá)EIN2蛋白的全長或者其N端，擬南芥暗中或者光下的乙烯反應(yīng)表型都不能被恢復(fù)；但是，轉(zhuǎn)基因單獨(dú)過量表達(dá)EIN2蛋白的C端卻能夠恢復(fù)擬南芥光下生長的幼苗以及成年植株的乙烯反應(yīng)表型［9］。因此，EIN2蛋白可能是一個雙功能信號組分：N端負(fù)責(zé)接受上游乙烯信號，而且參與乙烯的暗形態(tài)反應(yīng)；C端則負(fù)責(zé)激活下游乙烯信號［9］。雖然研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中EIN2蛋白與乙烯受體、COP9光信號復(fù)合體組分EER5等蛋白具有一定相互作用，對EIN2功能的研究提供了一定線索，但是EIN2所介導(dǎo)的乙烯信號傳遞機(jī)制仍是一個謎團(tuán)［47－48］。近期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)EIN2蛋白也是一種短周期蛋白，可被兩個F-box蛋白ETP1和ETP2識別并經(jīng)由蛋白酶體依賴的泛素化降解途徑而降解［18］。此外，在篩選其他激素如生長素、細(xì)胞分裂素和脫落酸等信號途徑的突變體時也能夠篩到對應(yīng)于EIN2基因的突變體，暗示EIN2可能涉及多個激素信號之間的交叉反應(yīng)［49－50］。由此可見，EIN2蛋白不僅對于乙烯信號至關(guān)重要，而且還參與不同激素信號途徑之間的交叉反應(yīng)。

4 EIN3／EILs在轉(zhuǎn)錄水平對乙烯信號的調(diào)控

乙烯信號經(jīng)過傳遞最終被匯聚到位于EIN2蛋白下游的轉(zhuǎn)錄因子家族EIN3以及5個EILs（EIN3-like proteins）等正調(diào)控因子。在5個EILs中，EIL1與EIN3的同源性最高，功能上也最為相似［10，22］。研究發(fā)現(xiàn)，EIN3與EIL1雙基因突變形成的突變體ein3／eil1與ein2一樣在黃化苗時期和成年植株中能夠表現(xiàn)出完全的乙烯不敏感表型，說明這兩個轉(zhuǎn)錄因子負(fù)責(zé)大部分的乙烯信號傳遞［10，30］。同時，單獨(dú)轉(zhuǎn)基因過量表達(dá) EIN3或者EIL1，乙烯信號途徑都能被組成型地活化；但是，單基因功能缺失突變體ein3-1或eil1-1都只表現(xiàn)出部分乙烯不敏感的表型，說明EIN3及其家族成員不僅正調(diào)乙烯反應(yīng)而且在功能上存在冗余［10］。除了EIL1，擬南芥中還有另外4個EIN3類似蛋白EIL2-EIL5，可能涉及早期乙烯反應(yīng)的調(diào)節(jié)過程［51］。

轉(zhuǎn)錄因子EIN3和EIL1在細(xì)胞核內(nèi)通過啟動轉(zhuǎn)錄級聯(lián)反 應(yīng)而激活乙烯 應(yīng) 答 基 因 的 表 達(dá)［10－11，52－53］。 研 究 發(fā)現(xiàn)，EIN3能夠通過二聚化的方式特異性地與一個被稱為EIN3結(jié)合位點(diǎn)（EIN3 binding site，EBS）的短的回文結(jié)構(gòu)啟動子區(qū)域相結(jié)合并啟動ERF1，EDF1-4等初級轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)；而ERF1可以進(jìn)一步與啟動子區(qū)含GCC-box的次級乙烯應(yīng)答基因結(jié)合并起始其轉(zhuǎn)錄［11］。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)對轉(zhuǎn)錄因子EIN3本身的調(diào)節(jié)發(fā)生在蛋白水平而非轉(zhuǎn)錄水平上［10］。在乙烯信號通路中，由26S蛋白酶體所介導(dǎo)的泛素化降解途徑調(diào)節(jié)了EIN3蛋白的穩(wěn)定性，而負(fù)責(zé)識別和結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子EIN3的有兩個F-box蛋白 EBF1和 EBF2［16－17］。EBF1和 EBF2通過介導(dǎo)EIN3等轉(zhuǎn)錄因子降解過程而對乙烯信號進(jìn)行負(fù)調(diào)［15－17］。另外，EIN3等乙烯轉(zhuǎn)錄因子還受到負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制的調(diào)控，因?yàn)橐蚁┨幚砟軌蛲瑫r上調(diào)EBF2的轉(zhuǎn)錄量從而使乙烯反應(yīng)不至于過強(qiáng)［15，53］。近期研究還發(fā)現(xiàn)一個具有5’→3’外切核酸酶活性的蛋白EIN5／XRN4可以通過促進(jìn)EBF1／EBF2的mRNA的降解來拮抗EBF對EIN3的負(fù)反饋調(diào)控，這一發(fā)現(xiàn)大大擴(kuò)展了人們對于乙烯信號調(diào)控水平多樣性和復(fù)雜性的認(rèn)識［19］。

5 乙烯信號與其他信號通路的交叉反應(yīng)

盡管人們對于乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的認(rèn)識正在逐步清晰，但是對于植物多樣化乙烯效應(yīng)的下游分子網(wǎng)絡(luò)還知之甚少，而乙烯與其他信號途徑的交叉反應(yīng)為多樣化的乙烯反應(yīng)提供了最為重要的解釋［54］。研究表明，乙烯信號與生長素（auxin）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CK）、赤霉素（gibberellin，GA）、脫落酸（abscisic acid，ABA）、油菜素內(nèi)脂（brassinosteroid，BR）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）、水楊酸（salicylic acid，SA）等植物激素及植物生長因子，以及光、葡萄糖等環(huán)境及營養(yǎng)因子存在著廣泛的聯(lián)系。不同信號途徑之間互相協(xié)同，在植物的生長發(fā)育以及植物應(yīng)對生物、非生物脅迫等復(fù)雜過程中起到非常重要的作用。

5.1 乙烯與生長素

人們早已知道乙烯和生長素在根的伸長、下胚軸的差異化生長以及根毛形成等多種生物學(xué)過程中存在廣泛的交叉反應(yīng)［55］。研究發(fā)現(xiàn)，許多在根上特異的乙烯不敏感突變體，其生長素的合成或者轉(zhuǎn)運(yùn)也存在缺陷，暗示乙烯可能通過調(diào)節(jié)生長素信號來抑制植物根的伸長［56－57］。兩個在根上特異的乙烯不敏感突變體wei2和wei7的發(fā)現(xiàn)把乙烯信號和生長素信號聯(lián)系起來［58－59］。WEI2和WEI7分別編碼色氨酸生物合成的關(guān)鍵酶鄰氨基苯甲酸合成酶的α和β亞基，而色氨酸是多個生長素生物合成途徑的共同前體［59］。乙烯通過激活WEI2和WEI7基因的表達(dá)促進(jìn)了根中生長素的合成和積累，從而抑制了植物根的伸長。更為直接的證據(jù)來自于另一個根特異的乙烯不敏感突變體wei8的發(fā)現(xiàn)［60］。WEI8基因負(fù)責(zé)編碼生長素生物合成途徑中的色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶TAA1。研究發(fā)現(xiàn)，乙烯處理能夠通過特異地在根部分生區(qū)促進(jìn)TAA1及其同源基因TAR2的表達(dá)促進(jìn)生長素IAA（indole-3-acetic acid）的生物合成，從而抑制了根的伸長。另外，乙烯三重反應(yīng)的短根表型不僅與乙烯調(diào)控的生長素在局部的生物合成相關(guān)，還與乙烯調(diào)控的生長素從分生區(qū)到伸長區(qū)的分布相關(guān)［61－63］。如前所述，乙烯可以通過促進(jìn)生長素的合成來抑制植物根的伸長。反過來，生長素也可以通過誘導(dǎo)乙烯合成基因ACS4的表達(dá)而促進(jìn)乙烯的生物合成［64］。研究發(fā)現(xiàn)，在黃化苗中ACS4基因可以特異地被IAA誘導(dǎo)；同時，在擬南芥生長素抗性突變體axr1-12，axr2-1以及aux1-7中ACS4基因的表達(dá)存在缺陷［64］。

在頂端彎鉤的發(fā)育上，生長素和乙烯同樣存在交叉反應(yīng)。在篩選擬南芥乙烯信號遺傳突變體時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個特異的僅在頂端彎鉤對乙烯不敏感的突變體hls1［45］。過表達(dá)HLS1基因能夠產(chǎn)生組成型的下胚軸彎鉤表型。乙烯處理能夠激活HLS1基因的轉(zhuǎn)錄，而在ein2突變體中HLS1基因表達(dá)下調(diào)［65］。研究表明，hls1突變體對應(yīng)的基因HLS1編碼的蛋白屬于N-乙酰轉(zhuǎn)移酶家族成員［65］。此外，HLS1蛋白的缺失可以導(dǎo)致子葉和下胚軸彎鉤區(qū)域生長素調(diào)節(jié)基因出現(xiàn)異常的表達(dá)［65］。以上結(jié)果表明，HLS1可能通過抑制子葉和下胚軸彎鉤區(qū)域生長素誘導(dǎo)的細(xì)胞伸長而介導(dǎo)頂端彎鉤的形成。為進(jìn)一步研究HLS1基因介導(dǎo)的頂端彎鉤形成的分子機(jī)制，科學(xué)家在hls1突變體的基礎(chǔ)上篩選到一個可以抑制該突變表型的突變體hss1（HLS1suppressor1）［66］。HSS1基因編碼一個生長素應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子ARF2（Auxin Response Factor 2），而 ARF2對于在 HLS1下游調(diào)節(jié)差異化細(xì)胞伸長以及頂端彎鉤形成是必需的［66］。乙烯處理能夠下調(diào)ARF2的蛋白水平，而且這一過程是HLS1依賴的。綜上所述，生長素應(yīng)答轉(zhuǎn)錄因子ARF2通過抑制差異化的生長素效應(yīng)而抑制頂端彎鉤的形成；而乙烯通過激活其上游的HLS1蛋白負(fù)調(diào)ARF2的功能，從而促進(jìn)頂端彎鉤的形成。

5.2 乙烯與細(xì)胞分裂素

除了生長素，其他激素也可以誘導(dǎo)乙烯生物合成量的提高，例如細(xì)胞分裂素［67－68］。生長素處理可以導(dǎo)致幾個ACS蛋白轉(zhuǎn)錄量的增加，而細(xì)胞分裂素可以增加ACS5蛋白的穩(wěn)定性［67，69－70］。另一組科學(xué)家的研究顯示細(xì)胞分裂素可以增加一些ACS基因的穩(wěn)定性［71］。此外，細(xì)胞分裂素對乙烯的誘導(dǎo)依賴于典型的細(xì)胞分裂素雙組分應(yīng)答通路的存在，包括組氨酸激酶、組氨酸磷酸轉(zhuǎn)移蛋白以及應(yīng)答調(diào)節(jié)因子等的存在。這些結(jié)果說明，乙烯生物合成途徑的限速酶ACS可以被多種激素包括乙烯、生長素、細(xì)胞分裂素等通過不同的信號通路介入進(jìn)行調(diào)節(jié)，這可能由植物自身組織的特異性及其對不同環(huán)境條件的響應(yīng)來調(diào)節(jié)乙烯的生物合成量。

5.3 乙烯與赤霉素

赤霉素也是植物生長和發(fā)育過程中所必需的一種植物激素。有一個研究組報道，乙烯和赤霉素的交叉反應(yīng)會影響歐洲山毛櫸（FagussylvaticaL.）種子由休眠到萌發(fā)的轉(zhuǎn)換［72］。他們發(fā)現(xiàn)用GA3或者乙烯利處理山毛櫸的種子之后其乙烯生物合成酶FsACO1基因的表達(dá)大幅上調(diào)，但是乙烯利的調(diào)節(jié)效應(yīng)可以被GA的生物合成抑制劑多效唑逆轉(zhuǎn)，說明GA正調(diào)控FsACO1基因的表達(dá)［72］。GA信號通路的一個關(guān)鍵事件即能夠與GA受體GID1相互作用的負(fù)調(diào)控因子DELLA蛋白在響應(yīng)GA之后的降解。DELLA蛋白在維持植物體內(nèi)GA的動態(tài)平衡以及在調(diào)節(jié)GA與其他植物激素信號的交叉反應(yīng)過程中也發(fā)揮著重要作用［73］。在GA存在的情況下，DELLA蛋白被降解，從而下游GA反應(yīng)的抑制被解除。有科學(xué)家觀察到乙烯處理可以延遲GA介導(dǎo)的依賴于CTR1的GFP-RGA從根細(xì)胞核內(nèi)的消失，說明乙烯處理可以穩(wěn)定DELLA蛋白［74］。相似地，還有報道稱乙烯可以通過調(diào)節(jié)DELLA依賴的花分生組織特異性基因來控制花期轉(zhuǎn)換［75］。乙烯信號的激活可以減少具有生物活性的GA水平，因此可以促進(jìn)DELLA蛋白的積累；而DELLA蛋白積累進(jìn)而可以延緩植物生命周期，并且可以通過抑制花分生組織特異性基因LEAFY和SOC1的表達(dá)延遲開花［75］。最近有研究表明，GA也能夠通過誘導(dǎo)HLS1的表達(dá)而使黃化苗頂端彎鉤加?。?6］。沒有GA時，DELLA蛋白能夠與EIN3的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域互作從而抑制了EIN3對HLS1基因的轉(zhuǎn)錄；施加GA之后，DELLA對EIN3的轉(zhuǎn)錄抑制效應(yīng)被解除，HLS1基因的表達(dá)被啟動，從而促進(jìn)了頂端彎鉤的形成［76］。

5.4 乙烯與脫落酸

科學(xué)家在篩選ABA突變體時發(fā)現(xiàn)一個能夠使種子在萌發(fā)過程中對ABA敏感性增強(qiáng)的突變體era3是由于乙烯信號核心組分EIN2基因突變所致，揭示出ABA信號在此過程中與乙烯信號相互作用并且受到乙烯信號的負(fù)調(diào)［77］。實(shí)際上，當(dāng)時有兩個獨(dú)立的課題組分別篩選可能影響ABA信號通路的突變并且都鑒定到了乙烯信號的突變體［77－78］。此外，實(shí)驗(yàn)顯示ctr1和ein2突變體分別對abi1突變體起增強(qiáng)和抑制作用；其他乙烯不敏感突變體也表現(xiàn)出增強(qiáng)的ABA反應(yīng)，進(jìn)一步說明在擬南芥種子中乙烯作為ABA信號的一個負(fù)調(diào)節(jié)因子存在［77－78］。與種子中的效應(yīng)相反，同樣這些在種子中表現(xiàn)出增強(qiáng)的ABA反應(yīng)的乙烯不敏感突變體在根上卻表現(xiàn)出對ABA反應(yīng)的降低［77－78］。更為復(fù)雜的是，研究發(fā)現(xiàn)雖然外源ABA沒有影響到乙烯的生物合成，但是乙烯合成增加突變體可以產(chǎn)生一個與乙烯不敏感突變體相似的在根上對ABA不敏感的表型。很難想像乙烯反應(yīng)降低和乙烯合成增加都能夠在根對ABA的反應(yīng)上產(chǎn)生相同的效應(yīng)，但是這也進(jìn)一步暗示在擬南芥中ETR1應(yīng)答途徑可能調(diào)控了不依賴于乙烯的信號。除了種子和根，有科學(xué)家在氣孔開閉研究過程中同樣發(fā)現(xiàn)乙烯和脫落酸存在相互作用［79］。他們用乙烯過表達(dá)突變體eto1-1以及乙烯不敏感突變體etr1-1，ein3-1研究發(fā)現(xiàn)，乙烯能夠抑制ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉［79］。這一結(jié)果進(jìn)一步說明乙烯和脫落酸存在著廣泛而復(fù)雜的交叉反應(yīng)，而且其相互作用在不同組織及發(fā)育階段具有不同的效應(yīng)。

5.5 乙烯與油菜素內(nèi)脂

油菜素內(nèi)脂近年也得到了廣泛的研究，被稱為第六大植物激素。與其他五大類植物激素相比，油菜素內(nèi)脂具有獨(dú)特的生理活性，而且含量極低即可發(fā)揮生理效應(yīng)。近期的研究發(fā)現(xiàn)，油菜素內(nèi)脂與乙烯信號在下胚軸伸長以及頂端彎鉤形成等方面存在著相互作用及功能冗余［80］。乙烯能夠通過控制油菜素內(nèi)脂的生物合成并且在頂端彎鉤建立油菜素內(nèi)脂的濃度梯度來促進(jìn)彎鉤的形成［80－81］。在控制下胚軸伸長方面，最近的研究發(fā)現(xiàn)油菜素內(nèi)脂可能通過其信號途徑中的一個受體樣蛋白激酶FERONIA來調(diào)節(jié)乙烯反應(yīng)的強(qiáng)度，以此調(diào)節(jié)擬南芥下胚軸的長度［82］。另外，油菜素內(nèi)脂處理可以使乙烯生物合成增加［67］。近期研究發(fā)現(xiàn)，和細(xì)胞分裂素類似，油菜素內(nèi)脂能夠通過促進(jìn)ACS基因轉(zhuǎn)錄以及穩(wěn)定ACS5蛋白來增加乙烯的生物合成［71］。

5.6 乙烯與茉莉酸

乙烯和茉莉酸之間同樣存在著復(fù)雜的交叉反應(yīng)，既相互拮抗，又相互協(xié)同。一方面，乙烯可以強(qiáng)烈抑制茉莉酸介導(dǎo)的損傷應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄，茉莉酸反過來也可以抑制乙烯介導(dǎo)的頂端彎鉤形成，說明兩種激素之間在一定條件下可能相互拮抗［83－84］。另一方面，在抵抗真菌感染時二者又可以協(xié)同作用，植物受到真菌感染即可快速產(chǎn)生乙烯和茉莉酸并使下游防御基因的表達(dá)升高，例如ERF1，ORA59以及PDF1.2等防御基因［85－87］?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果單獨(dú)用乙烯或者茉莉酸處理植物即可分別誘導(dǎo)防御基因的較高水平的表達(dá)；有趣的是，如果兩種激素同時施加則會使下游防御基因的表達(dá)量達(dá)到最高值，說明在誘導(dǎo)防御基因表達(dá)上兩者具有協(xié)同效應(yīng)［85，88］。此外，無論是用乙烯、茉莉酸單獨(dú)處理或者兩者同時處理乙烯不敏感突變體ein2以及茉莉酸不敏感突變體coi1都無法再誘導(dǎo)下游防御基因的表達(dá)，暗示植物防御反應(yīng)的激活依賴于乙烯和茉莉酸兩種信號通路的同時存在［88－89］。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)茉莉酸信號通路的負(fù)調(diào)控因子JAZ蛋白能夠通過募集一個RPD3類型的組蛋白去乙酰化酶HDA6調(diào)節(jié)組蛋白的乙?；M(jìn)而抑制乙烯信號轉(zhuǎn)錄因子EIN3／EIL1依賴的基因轉(zhuǎn)錄，從而抑制了茉莉酸信號通路［90］。研究發(fā)現(xiàn)，與施加乙烯可以使EIN3／EIL1蛋白穩(wěn)定一樣，施加茉莉酸也可以通過促進(jìn)JAZ蛋白的降解而穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄因子EIN3／EIL1［90］。另一方面，如果乙烯信號被阻斷，轉(zhuǎn)錄因子EIN3／EIL1將會被迅速降解而導(dǎo)致植物對乙烯和茉莉酸均不敏感；而當(dāng)茉莉酸信號被阻斷時，將導(dǎo)致JAZ蛋白的大量積累進(jìn)而強(qiáng)烈抑制轉(zhuǎn)錄因子EIN3／EIL1的功能，同樣會致使植物對乙烯和茉莉酸不敏感表型的出現(xiàn)［90］。以上結(jié)果表明，乙烯信號轉(zhuǎn)錄因子EIN3／EIL1可能是乙烯和茉莉酸信號通路的交叉結(jié)點(diǎn)。

5.7 乙烯與水楊酸

植物抗病主要涉及3個植物激素，即水楊酸、茉莉酸和乙烯。一般情況下，茉莉酸和乙烯相互協(xié)同，茉莉酸／乙烯依賴的防御反應(yīng)會受到寄生性病原菌以及植食性昆蟲的侵害而被誘導(dǎo)激活；水楊酸則往往與茉莉酸／乙烯相互拮抗，水楊酸依賴的防御反應(yīng)主要受到活體營養(yǎng)的病原菌侵染而激活［91－93］。另一方面，乙烯和水楊酸之間也存在協(xié)同關(guān)系。之前的研究發(fā)現(xiàn)，在乙烯不敏感的煙草中乙烯對于由煙草花葉病毒感染誘發(fā)的水楊酸依賴的系統(tǒng)獲得性抗性（systemic acquired resistance，SAR）發(fā)病是必需的［94］。乙烯可以增強(qiáng)擬南芥對水楊酸的反應(yīng)，導(dǎo)致水楊酸應(yīng)答標(biāo)志基因PR-1表達(dá)增強(qiáng)［95－96］。由此可見，乙烯與水楊酸不僅相互拮抗，乙烯還能對水楊酸誘導(dǎo)的PR-1基因表達(dá)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，而且這一協(xié)同效應(yīng)在乙烯不敏感突變體ein2中被阻斷了，說明乙烯對水楊酸的調(diào)節(jié)依賴于EIN2且需經(jīng)由乙烯信號途徑［96］。

5.8 乙烯與光

植物的生長、發(fā)育離不開光，人們對于光信號在植物體內(nèi)的傳導(dǎo)機(jī)制研究由來已久。如前所述，乙烯處理能夠?qū)е乱蕾囉贖LS1的ARF2蛋白水平的降低，進(jìn)而造成頂端彎鉤兩側(cè)細(xì)胞生長速率產(chǎn)生差異從而加劇彎鉤［65，97－98］。研究發(fā)現(xiàn)，光和乙烯對頂端彎鉤的作用恰好相反，光照能夠引起HLS1蛋白水平降低，進(jìn)而導(dǎo)致ARF2蛋白積累使彎鉤消除［66］。由此看出，光、乙烯和生長素在控制植物頂端彎鉤形成方面是協(xié)同作用的。最近的研究發(fā)現(xiàn)，乙烯能夠促進(jìn)植物由暗形態(tài)建成到光形態(tài)建成的轉(zhuǎn)換［99］。在植物幼苗中，原葉綠酸（protochlorophyllide，Pchlide）需經(jīng)過光依賴的氧化還原酶POR（protochlorophyllide oxidoreductase）催化形成葉綠酸（chlorophyllide，Chlide），以促進(jìn)葉綠體的形成而實(shí)現(xiàn)光形態(tài)建成。黑暗導(dǎo)致的原葉綠酸的過度積累對植物具有光毒性。研究發(fā)現(xiàn)，在黑暗中乙烯信號可以通過其轉(zhuǎn)錄因子EIN3／EIL1抑制葉綠素前體Pchlide的過度積累；另外，EIN3／EIL1可以直接誘導(dǎo)PORA／B基因的轉(zhuǎn)錄從而促進(jìn)葉綠素合成，從而促進(jìn)了植物由暗形態(tài)建成到光形態(tài)建成的轉(zhuǎn)換［99］。

5.9 乙烯與葡萄糖

葡萄糖不僅作為能量供應(yīng)物質(zhì)存在，它也是植物生長發(fā)育過程中的重要信號分子?？茖W(xué)家在研究葡萄糖不敏感突變體gin1時發(fā)現(xiàn)了葡萄糖和乙烯信號之間相互拮抗的關(guān)系［100］。乙烯過表達(dá)突變體eto1和乙烯組成型信號突變體ctr1表現(xiàn)出葡萄糖不敏感的表型強(qiáng)烈支持了這一拮抗關(guān)系。與此相一致的是，幾個乙烯不敏感突變體etr1-1，ein2，ein3以及ein6則表現(xiàn)出對葡萄糖超敏感的表型［100－101］。sis1和gin4兩個葡萄糖不敏感突變體的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步確定了糖信號和乙烯信號的拮抗關(guān)系，因?yàn)檫@兩個突變都是ctr1的等位突變形式［101－102］。雖然sis1和gin4在萌發(fā)后的發(fā)育過程中表現(xiàn)出相似的葡萄糖不敏感表型，但是只有g(shù)in4／ctr1在暗中表現(xiàn)出組成型的三重反應(yīng)表型。如前所述，過表達(dá)EIN2的C末端雖然可以部分恢復(fù)擬南芥光下生長的幼苗和成株的乙烯反應(yīng)表型，但是在暗中卻仍沒有三重反應(yīng)表型，說明葡萄糖信號可能影響ETR1和EIN2下游的特定乙烯信號途徑［9，100－101］。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖可能通過植物葡萄糖感受蛋白己糖激酶來促進(jìn)乙烯信號轉(zhuǎn)錄因子EIN3蛋白的降解，這與乙烯促進(jìn)EIN3蛋白的穩(wěn)定性恰好相反；另外，ein3突變體表現(xiàn)出葡萄糖超敏感表型，而在擬南芥中轉(zhuǎn)基因過表達(dá)EIN3蛋白則會降低植物對葡萄糖的敏感性［103］。這一結(jié)果說明EIN3可能是葡萄糖和乙烯信號在ETR1和EIN2下游相互拮抗的一個節(jié)點(diǎn)。

（2012年2月17日收到）

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Study of Ethylene Signal Transduction Pathway

ZHANG Cun-li①，GUO Hong-wei②
①Ph.D.Candidate，②Professor，StateKeyLaboratoryofProtein andPlantGeneResearch，SchoolofLifeSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China

As one of the five classical phytohormones，ethylene has been focused on by scientists since it was found.Although it has very simple structure，the gaseous phytohormone ethylene has important effects on the developmental processes and stress responses of plant.Through nearly two decades of research，scientists established a largely linear ethylene signal transduction pathway.In the model plantArabidopsis，there are five ethylene receptors ETR1，ETR2，ERS1，ERS2 and EIN4 encoded by a multigene family in the upstream of this signaling pathway.A Raf-like protein kinase CTR1 combines with ethylene receptors and co-localizes in the ER membrane together with these receptors.In the absence of ethylene，receptors and CTR1 can inhibit the downstream ethylene signaling together.A positive regulator EIN2 is the downstream of these two negative regulators.IfEIN2 gene is mutated，the etiolated seedlings of plant will show completely ethylene insensitive phenotype even when high concentration of ethylene exists，which demonstrates that EIN2 plays a key role in ethylene signaling pathway.EIN3 and EILs are transcription factors downstream of EIN2.They will start the transcription of ethylene related genes in response to ethylene signal.It was also found that these transcription factors were regulated by ubiquitin／proteasome degradation pathway.The F-box proteins，which are responsible for recognition and combination of EIN3 protein，are EBF1 and EBF2.EIN5is a 5’→3’exonuclease and antagonizes the negative feedback regulation on EIN3 by promotingEBF1 andEBF2 mRNA decay.Recently，studies have shown that EIN2is also a short half-life protein and will be degraded by the ubiquitin／proteasome pathway.Another two F-box proteins ETP1 and ETP2 are responsible for the regulation of EIN2 protein.Although great progress was made in ethylene signal transduction pathway，further research on the fine-tuning of ethylene signal transduction and the crosstalk between ethylene and other phytohormones still need to be detected.

phytohormone，ethylene，signal transduction

10.3969／j.issn.0253-9608.2012.04.006

（編輯：沈美芳）