光周期途徑E3泛素連接酶的開(kāi)花調(diào)控機(jī)制

馬 達(dá)，李 魏，2，戴良英，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410128）

光周期途徑E3泛素連接酶的開(kāi)花調(diào)控機(jī)制

馬 達(dá)1，李 魏1，2，戴良英1，2*

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410128）

開(kāi)花是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，光周期是影響植物開(kāi)花的主要環(huán)境因素。E3泛素連接酶對(duì)光周期依賴型的開(kāi)花起著重要調(diào)控作用。已發(fā)現(xiàn)的光周期調(diào)控開(kāi)花途徑中多種組分均為E3泛素連接酶的靶蛋白，它們能通過(guò)E3泛素連接酶介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)其泛素化降解，從而影響光周期信號(hào)，調(diào)控開(kāi)花。綜述了E3泛素連接酶在參與調(diào)控光受體穩(wěn)定性、生物鐘功能以及開(kāi)花調(diào)控因子CO穩(wěn)定性三個(gè)方面的研究進(jìn)展。

植物；光周期調(diào)控；開(kāi)花；E3泛素連接酶

現(xiàn)已知至少有四條途徑調(diào)控植物開(kāi)花：光周期途徑、春化途徑、自主途徑和赤霉素途徑［1］。光周期途徑通過(guò)光信號(hào)與生物節(jié)律鐘相互作用實(shí)現(xiàn)，包括三個(gè)環(huán)節(jié)：光受體先吸收環(huán)境中的光信號(hào)，然后將其輸入到生物節(jié)律鐘的核心——振蕩器，最后由振蕩器周期性表達(dá)開(kāi)花基因?qū)⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)為開(kāi)花信號(hào)［2］。

在研究擬南芥的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)植物通過(guò)監(jiān)測(cè)日照長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)環(huán)境變化，適時(shí)開(kāi)花。擬南芥是兼性長(zhǎng)日照植物，長(zhǎng)日照條件促進(jìn)其生殖生長(zhǎng)，短日照條件則促進(jìn)其營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)。擬南芥光周期開(kāi)花調(diào)控通路中的信號(hào)組分有CO，GIGANTEA（GI）和FLOWERING LOCUST（FT）等，其中FT被認(rèn)為是成花素，CO和GI則是激活FT的關(guān)鍵因子［3］。將這三個(gè)基因進(jìn)行敲除，擬南芥在長(zhǎng)日照條件下具有晚花表型，但是過(guò)量表達(dá)這些基因后，無(wú)論是在長(zhǎng)日照還是在短日照條件下，植株都表現(xiàn)出明顯的早花［3］。在光周期調(diào)控途徑中，CO是關(guān)鍵的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子。長(zhǎng)日照條件下，CO激活FT的表達(dá)，然后FT蛋白移動(dòng)到莖端分生組織，誘導(dǎo)開(kāi)花［3］。

植物開(kāi)花光周期調(diào)控途徑是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，在植物生長(zhǎng)發(fā)育中普遍存在，E3泛素連接酶在該調(diào)控途徑中發(fā)揮重要作用。光周期調(diào)控開(kāi)花途徑中的多個(gè)組分均為E3泛素連接酶的靶標(biāo)，它們可被泛素化修飾影響光周期信號(hào)進(jìn)而影響開(kāi)花。筆者擬從E3泛素連接酶參與調(diào)控光受體穩(wěn)定性、生物鐘功能以及開(kāi)花調(diào)控因子CO穩(wěn)定性等三個(gè)方面來(lái)闡述它在開(kāi)花光周期調(diào)控途徑中的作用。

1 E3泛素連接酶參與調(diào)控光受體的穩(wěn)定性

E3泛素連接酶COP1參與調(diào)控光受體PHYs蛋白的穩(wěn)定性。在擬南芥中，PHYA促進(jìn)開(kāi)花，而PHYB抑制開(kāi)花［6］。磷酸化后的PHYA會(huì)優(yōu)先被E3泛素連接酶復(fù)合體CUL4-DDB1-COP1-SPA泛素化降解［7］。PHYA信號(hào)途徑中起正調(diào)控植物光形態(tài)建成作用的HFR1、HY5和LAF1蛋白也可以被起開(kāi)花負(fù)調(diào)控作用的COP1泛素化［8］，說(shuō)明COP1是通過(guò)調(diào)控這3個(gè)蛋白的穩(wěn)定性來(lái)負(fù)調(diào)控光形態(tài)建成的。在紅光條件下，擬南芥II型PHYs（PHYB-PHYE）也可與COP1互作，并被其泛素化降解［9］，這說(shuō)明COP1參與調(diào)控?cái)M南芥所有PHYs蛋白的降解。

藍(lán)光受體CRY2在藍(lán)光下被磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)，被泛素化降解［4］，進(jìn)而促進(jìn)擬南芥開(kāi)花。CRY2的泛素化降解需要COP1和SPA兩種蛋白，cop1和spa單突變體中CRY2的泛素化降解明顯降低［10，11］。但是，擬南芥CRY2蛋白在藍(lán)光下被泛素化的具體機(jī)制以及它是否在其它植物中保守還不清楚。

具有U-box結(jié)構(gòu)的E3泛素連接酶PUB13也可以調(diào)控?cái)M南芥開(kāi)花，pub13突變體在長(zhǎng)日照和中日照條件下表現(xiàn)早花，而在短日照條件下沒(méi)有明顯早花表型［12］。PUB13的泛素化靶蛋白HFR1參與光受體PHYA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)［12］。由于pub13的早花表型依賴于光周期，因而PUB13很有可能是通過(guò)泛素化來(lái)調(diào)節(jié)HFR1蛋白的穩(wěn)定性以調(diào)控?cái)M南芥開(kāi)花和光形態(tài)建成。

2 E3泛素連接酶參與調(diào)節(jié)生物節(jié)律鐘的功能

振蕩器是生物鐘的核心部分，決定光周期開(kāi)花基因的日常表達(dá)模式，在光周期開(kāi)花調(diào)節(jié)通路中發(fā)揮重要作用。擬南芥生物鐘的中心循環(huán)涉及3個(gè)核心蛋白：LHY、CCA1和TOC1［13］。具有RING結(jié)構(gòu)域的E3泛素連接酶SINAT5可以介導(dǎo)LHY泛素化降解，而參與抑制光形態(tài)建成的E3泛素連接酶CDD復(fù)合體組分DET1可以抑制SINAT5對(duì)LHY的泛素化活性［14］。

此外，E3泛素連接酶COP1與Early Flowering 3（ELF3）蛋白在控制生物鐘輸出組分方面一起發(fā)揮作用。ELF3蛋白控制著植物夜間生長(zhǎng)的生物節(jié)律。在光周期途徑中，COP1和ELF3可以在藍(lán)光受體CRY2下游、GI上游調(diào)節(jié)日長(zhǎng)信號(hào)［15］。同時(shí)，COP1也能識(shí)別ELF3，調(diào)節(jié)ELF3蛋白豐度，從而影響ELF3的作用［15］。E3泛素連接酶ZTL、LKP2和FKF1是F-box蛋白家族的成員，三者均參與調(diào)控?cái)M南芥的開(kāi)花啟動(dòng)。ZTL和LKP2負(fù)調(diào)控?cái)M南芥光周期途徑的開(kāi)花［16］，而FKF1則正調(diào)控?cái)M南芥光周期途徑的開(kāi)花［17］。ZTL對(duì)重設(shè)生物鐘具有重要作用，它可作為藍(lán)光受體調(diào)節(jié)靶蛋白TOC1和PRR5的降解，是振蕩器產(chǎn)生晝夜節(jié)律很關(guān)鍵的一步［18］。FKF1可以在藍(lán)光下與GI結(jié)合，GI-FKF1復(fù)合體可導(dǎo)致開(kāi)花抑制子CDF1及CDF2的泛素化降解［19］，CDF1能與CO結(jié)合，并調(diào)節(jié)CO的表達(dá)。長(zhǎng)日照條件下，由于CDF1被泛素化降解，CO表達(dá)被誘導(dǎo)，促進(jìn)開(kāi)花；而在短日照條件下，由于GI-FKF1結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，促進(jìn)了CDF1的積累，進(jìn)而CO的表達(dá)被抑制，開(kāi)花被推遲［19］。ztl突變體具有長(zhǎng)周期節(jié)律，而ztl，lkp2，fkf1的三突變體則具有更長(zhǎng)周期，導(dǎo)致一些生物鐘輸出信號(hào)節(jié)律不強(qiáng)，從而使得擬南芥表現(xiàn)晚花。這很有可能是因?yàn)镕KF1、ZTL和LKP2參與調(diào)控CDF蛋白的穩(wěn)定性，使得CO轉(zhuǎn)錄水平下降，進(jìn)而延遲開(kāi)花［20］。

3 E3泛素連接酶參與調(diào)控CO穩(wěn)定性

開(kāi)花因子CO是生物鐘輸出途徑中的重要元件，是監(jiān)測(cè)日照長(zhǎng)度、將光信號(hào)轉(zhuǎn)為開(kāi)花信號(hào)的一個(gè)關(guān)鍵因子，正調(diào)控?cái)M南芥光周期依賴型開(kāi)花［3］。E3泛素連接酶復(fù)合體SPA-COP1在黑暗中可特異降解CO。SPA家族蛋白（SPA1-4）在黑暗條件下抑制光形態(tài)建成，可與CO互作，負(fù)調(diào)控CO蛋白穩(wěn)定性［21］。COP1與CO在植物體內(nèi)體外均可互作，功能缺失的COP1在黑暗中促進(jìn)CO蛋白含量明顯增加，說(shuō)明CO蛋白穩(wěn)定性也受到COP1負(fù)調(diào)控［22］。SPA1也可和DET1一起調(diào)控光形態(tài)建成［23］，因此，SPA和COP1在擬南芥光周期調(diào)控開(kāi)花過(guò)程中起著很重要的作用，可能作為泛素連接酶復(fù)合體通過(guò)促進(jìn)靶蛋白CO在黑暗中的降解來(lái)延遲開(kāi)花。然而，在長(zhǎng)日照條件下，CRYs負(fù)調(diào)控COP1蛋白活性，使得CO蛋白在晚上積累進(jìn)而誘導(dǎo)FT的表達(dá)，促進(jìn)擬南芥開(kāi)花［22］。

擬南芥ESD6基因是光周期調(diào)控開(kāi)花途徑中的一個(gè)新成員，ESD6編碼一個(gè)含有RING-finger結(jié)構(gòu)的E3泛素連接酶HOS1。HOS1／ESD6通過(guò)介導(dǎo)泛素化降解轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子ICE1來(lái)調(diào)控CBFs基因的表達(dá)［24］。hos1／esd6雙突變體具有早花表型，該表型需要一個(gè)活性CO基因［25］。另外，CO與HOS1在體內(nèi)體外均可互作，如果將HOS1突變掉，CO的蛋白含量會(huì)在光照條件下尤其是在早晨大量增加。HOS1和COP1具有協(xié)同作用，無(wú)論是在長(zhǎng)日照還是短日照條件下，hos1cop1雙突變體都具有明顯的早花表型，但是CO的突變會(huì)嚴(yán)重抑制hos1cop1雙突變體的早花表型［25］。因此，HOS1在調(diào)控光周期開(kāi)花反應(yīng)中具有重要作用。

近期研究發(fā)現(xiàn)CO和FKF1能在植物體內(nèi)互作，F(xiàn)KF1的LOV結(jié)構(gòu)域涉及到CO與FKF1的體內(nèi)互作，在藍(lán)光下促進(jìn)FKF1和CO的結(jié)合，長(zhǎng)日照條件下，維持CO在傍晚的穩(wěn)定性，從而促進(jìn)FT的表達(dá)［26］，這與FKF1在降解CDFs時(shí)的作用正好相反，說(shuō)明FKF1在調(diào)控光周期誘導(dǎo)開(kāi)花過(guò)程中具有多重作用。FKF1維持CO的穩(wěn)定性，這為在長(zhǎng)日照條件下有效誘導(dǎo)FT表達(dá)提供了一條新的可靠機(jī)制［26］，說(shuō)明FKF1在擬南芥對(duì)光周期作出反應(yīng)的開(kāi)花轉(zhuǎn)型中占有重要地位。

4 總結(jié)與展望

涉及光周期調(diào)控開(kāi)花的蛋白主要包括光受體蛋白和生物鐘蛋白，近年來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，E3泛素連接酶在光周期調(diào)控開(kāi)花途徑中具有重要作用?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多光周期調(diào)控開(kāi)花途徑中的蛋白是E3泛素連接酶的靶蛋白，能被E3介導(dǎo)實(shí)現(xiàn)泛素化降解，從而影響植物光周期調(diào)控的開(kāi)花。

現(xiàn)已在許多植物體內(nèi)找到擬南芥E3泛素連接酶和涉及光周期調(diào)控開(kāi)花蛋白的同源蛋白，如已在水稻中找到COP1、DDB1、ZTL1、FKF1、SPA和PUB13的同源物，在番茄、洋蔥、二穗短柄草等植物中也發(fā)現(xiàn)了與擬南芥E3泛素連接酶的同源物，此外，光受體蛋白PHYs、CRYs，生物鐘相關(guān)蛋白如CCA1、LHY等，也存在于大量植物中，說(shuō)明E3介導(dǎo)的蛋白的泛素化降解在光周期調(diào)控植物開(kāi)花中發(fā)揮著重要的作用。雖然目前對(duì)E3泛素連接酶參與調(diào)控光周期依賴型開(kāi)花的研究越來(lái)越深入，但是這些研究都還主要集中在擬南芥上，在其它植物中的研究成果大都還只停留在基礎(chǔ)階段，對(duì)其在調(diào)控光周期依賴型開(kāi)花中的分子機(jī)制還知之甚少，這種調(diào)控開(kāi)花的機(jī)制在其它植物中是否高度保守，還有待進(jìn)一步研究。解決這些問(wèn)題，將有利于人們從分子水平上進(jìn)一步理解光周期如何影響植物開(kāi)花，有助于人們控制植物的開(kāi)花，打破氣候條件的限制，增強(qiáng)作物適應(yīng)環(huán)境變化的能力，服務(wù)于生產(chǎn)。

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Regulation of E3 Ubiquitin Ligase in Photoperiod Dependent Flowering

MADa1，LIWei1，2，DAILiang-ying1，2，*

（1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Flowering is very important in the development of plants，and the photoperiod is amain environmental factor affecting plant flowering.The E3 ubiquitin ligases plays an important role in regulation of photoperiod dependent flowering.Some of the components in photoperiod regulated flowering pathway are the targets of E3 ubiquitin ligase，which could be degraded by E3 ubiquitin ligase-mediated pathway to regulate flowering through affecting photoperiod signal.Here，we review the function and molecularmechanism of Arabidopsis E3 ubiquitin ligases in flowering pathway in regulating photoperiod dependent flowering.

Plant；Photoperiod regulation；Flowering；E3 ubiquitin ligase

Q945.4

A

1001-5280（2014）04-0424-04 DOI：10.3969／j.issn.1001-5280.2014.04.23

2014 02 17

馬 達(dá)（1989-），女，湖南龍山人，碩士研究生，Email：princessm2＠126.com。*通信作者：戴良英，教授，主要研究方向：微生物與植物分子互作，Email：daily＠hunau.net。

（20134320110013，20134320120001）；農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)（2013ZX080001-002）。