赤霉素信號轉導及其調控植物生長發(fā)育的研究進展

高秀華 傅向東

（中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所 植物細胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101）

赤 霉 素（gibberellins或 gibberellic acid，GA）是一類屬于雙萜類化合物的植物激素，在植物整個生命周期中都起著重要作用，能促進細胞分裂和伸長、種子萌發(fā)、下胚軸和莖稈伸長、根的生長及開花等［1-3］。20世紀30年代，日本科學家發(fā)現(xiàn)GA能夠促進植物生長。1926年，日本病理學家黑澤英一研究水稻“惡苗病”致病原因時，發(fā)現(xiàn)感染赤霉菌（Gibberella fujikuroi）的水稻植株會出現(xiàn)瘋長現(xiàn)象。將赤霉菌培養(yǎng)基的濾液噴施到健康水稻幼苗上，發(fā)現(xiàn)幼苗雖然沒有感染赤霉菌，但也會出現(xiàn)類似“惡苗病”的過度生長癥狀。1935年，日本藪田貞治郎和住木諭介從赤霉菌培養(yǎng)基的濾液中分離出這種活性物質，鑒定了它的化學結構，并將其命名為赤霉素。1956年，C.A.韋斯特和B.O.菲尼分別證明了高等植物中也普遍存在著類似的萜類化合物。迄今，已從不同維管植物、細菌及真菌中先后鑒定出了136種結構明確的GAs，并按照時間順序將它們命名為GA1-GA136。但是，只有部分GAs具有調節(jié)植物生長的生理效應，如 GA1、GA3、GA4和 GA7等［4-5］。遺傳學的證據(jù)表明，盡管植物中已分離鑒定出GA3，但是在許多植物中GA1和GA4是主要的活性GAs。此外，在擬南芥和水稻中，GA4的活性成分強于GA1［6-8］。赤霉素作為植物生長調節(jié)劑已被廣泛應用于農業(yè)生產中，在促進種子萌發(fā)、莖稈伸長、果實發(fā)育以及提高植物耐逆性等方面發(fā)揮著重要作用。

植物需要產生和積累合適水平的活性GA以確保正常的生長發(fā)育。GA可以從合成位點轉運至生長發(fā)育過程中需要GA的組織或器官中［9］。近來的研究表明，GA轉運蛋白NPF（Nitrate transporter 1/peptide transporter family）家族及SWEET家族成員在GA的運輸過程中起了重要作用［10］。NPF3.1已被證明是植物中獨特的GA轉運體［11］。此外，GTR1（Glucosinolate transporter 1，即NPF2.10）也能夠轉運GA3［12］。目前，SWEET家族成員中僅SWEET13及SWEET14被報道為GA轉運蛋白［13］。有趣的是，SWEET13、SWEET14和NPF3的GA轉運活性并不局限于活性GA或特定的中間形式，而是可以運輸這兩種類型［11，13］。GA轉運蛋白的發(fā)現(xiàn)進一步補充了GA可移動的證據(jù)，表明植物體內存在一種有效的調節(jié)機制來指導GA的分布和在植物中流動，以確保合適的GA信號。

自20世紀60年代起，“綠色革命”中半矮化育種的大規(guī)模推廣大幅度地提高了世界主要糧食作物的產量。水稻和小麥的“綠色革命”都與赤霉素密切相關。水稻“綠色革命”基因sd1（semi-dwarf 1）編碼赤霉素生物合成途徑的一個關鍵酶GA20ox2；小麥“綠色革命”基因Rht1（Reduced height 1）編碼赤霉素信號轉導途徑的關鍵調控元件DELLA蛋白［14-16］。近年來，隨著植物分子生物學和功能基因組學的發(fā)展，有關赤霉素信號轉導以及GA-DELLA與其它激素和環(huán)境因子互作調控植物生長發(fā)育等研究領域取得了突破性進展。

1 赤霉素信號轉導途徑

植物體內存在GA信號轉導的分子網絡。當赤霉素受體感知GA信號后，激活信號傳遞通道，調控下游基因的表達，從而影響植物生長發(fā)育和形態(tài)建成。近年來，隨著擬南芥和水稻功能基因組學、蛋白組學、代謝組學及系統(tǒng)生物學的發(fā)展，人們已經鑒定了多個參與GA信號轉導途徑的正/負調控因子，其中主要包括GA受體GID1蛋白、信號轉導途徑的F-box蛋白及DELLA蛋白等［17-20］，為GA介導DELLA蛋白降解的分子模型的建立和赤霉素作用分子機理的解析奠定了基礎。

1.1 GID1蛋白：可溶性的GA受體

植物是如何感知GA信號并將其傳遞下去，從而引發(fā)一系列的生理學效應的？可溶性GA受體GID1蛋白的發(fā)現(xiàn)可謂是GA信號研究領域取得的突破性進展。2005年，日本科學家Ueguchi-Tanaka等［18］證實水稻GID1蛋白是一種可溶性的赤霉素受體，它能與活性GA結合，感知并傳遞GA信號，從而誘發(fā)一系列下游反應。GID1基因編碼一種類似于激素敏感相關的脂肪酶HSL（Hormone sensitive lipase）蛋白。雖然它含有保守的HSL基序（motif）：HGG和GXSXG，但研究發(fā)現(xiàn)GID1蛋白本身并不具有水解酶活性。GID1蛋白能與水稻的DELLA蛋白SLR1（SLENDER RICE1）直接互作，而這種互作依賴于活性GA的存在［18］。GID1蛋白主要定位于細胞核及細胞質中，目前并沒有發(fā)現(xiàn)GID1在細胞膜上的定位。因此，是否存在質膜定位的GA受體還需進一步研究。

Nakajima等［21-23］從擬南芥中克隆了水稻GID1的3個同源基因：分別是AtGID1a，AtGID1b和AtGID1c。它們對活性GA都具有較強的結合能力，同時在GA存在的條件下均能夠直接與DELLA蛋白相互作用。由于這3個基因在功能上存在冗余，因此單突變體沒有明顯的GA不敏感的表型，而三突變體則對GA信號完全喪失響應且生長發(fā)育受到抑制。但是在不同的生長發(fā)育階段，3個功能基因的表達模式及作用不盡相同，例如，AtGID1a在座果形成中發(fā)揮重要作用，而AtGID1b和AtGID1c分別在種子發(fā)育和果莢伸長等方面具有重要功能［24］。

赤霉素受體GID1蛋白晶體結構的闡述對揭示GID1生物學功能和GA信號轉導途徑的分子機制提供了重要信息。2008年，日本兩個研究小組成功解析了水稻GID1-GA-DELLA復合體以及擬南芥GID1a-GA-DELLA復合體的晶體結構［25-26］。對GID1蛋白晶體結構的解析發(fā)現(xiàn)GID1是一個球狀的單體蛋白，其C端的核心結構形成GA結合的口袋，N端延伸結構形成了蓋住口袋的蓋子。GID1蛋白與活性GA結合后形成類似于HSL的結構：它們都是一種α/β水解酶折疊結構，由中心8條β折疊且β折疊兩側由α螺旋緊密連接組成，GA與GID1的結合位點與HSL的活性位點一致［27］。根據(jù)復合體的晶體結構，科學家們提出了GID1蛋白的“變構學說”?；钚訥A和GID1蛋白C端的核心結構結合后，促使GID1蛋白 N端蓋住GA結合的口袋，并將GA分子包在結合它的口袋中（類似于關閉蓋子），進而誘導GID1蛋白構象轉變，產生可與DELLA蛋白結合的疏水表面，促進GID1-GA-DELLA蛋白復合體的形成［2］。

近來的研究表明，GID1蛋白能夠被E3泛素連接 酶 GARU（GA receptor RING E3 ubiquitin ligase）泛素化并經由蛋白酶體途徑降解［28］。GID1能夠與GARU在體內互作。染料木黃酮（Genistein）是酪氨酸激酶的抑制劑，染料木黃酮處理增強GID1A的泛素化，然而GA處理則抑制其泛素化。植物酪氨酸激酶TAGK2是染料木黃酮的靶標，能磷酸化GARU 321位的酪氨酸（Tyr321）進而抑制GARUGID1A的相互作用。染料木黃酮誘導GID1的降解及DELLA蛋白的積累。相反，garu突變及過表達TAGK2則會促進GID1穩(wěn)定及DELLA蛋白的降解。因此GA的響應受GARU-依賴的GID1泛素化負調控，而TAGK2磷酸化GARU的酪氨酸則能正調控GA的響應［28］。這些研究結果進一步闡明了GID1蛋白的降解途徑。

1.2 DELLA蛋白：GA信號途徑中的調節(jié)子

通過遺傳篩選和生化研究，科學家們分離鑒定了GA信號通路中的關鍵組分DELLA蛋白，它主要起阻遏作用，其N端都含有保守的DELLA結構域。已分離的DELLA蛋白主要有玉米的d8（dwarf 8）、小麥的Rht1、水稻的SLR1、大麥的SLN1（SLENDER1）、 葡 萄 的 VvGAI及 番 茄 中 的PROCERA［29-30］。擬南芥中含有5個DELLA蛋白：GAI（GA insensitive）、RGA（repressor of ga1-3）、RGLl（RGA-Like1）、RGL2 和 RGL3［31-35］。 此 外，GAI和RGA蛋白與擬南芥的SCR（SCARECROW）蛋白在C端同源性較高，屬植物特異的GRAS（GAI、RGA和SCR）蛋白家族成員［36］。

DELLA蛋白的基本結構如圖1所示，其N端具有典型的DELLA和VHYNP結構域，中間是多聚Ser/Thr/Val結構域，C端則是GRAS結構域。進一步的研究表明，DELLA和VHYNP結構域是GA信號響應的功能域，主要介導DELLA與GID1蛋白的相互作用［31，37-38］。多聚 Ser/Thr/Val（多聚 S/T/V），通常作為磷酸化和糖基化的靶位點，是調節(jié)結構域。C端的GRAS結構域主要有兩個亮氨酸重復序列LHR（Leu heptad repeat）及一個核定位信號結構域（nuclear localization signal，NLS）和3個保守的VHIID、PFYRE及SAW等結構域。亮氨酸重復（LHR）介導蛋白-蛋白間相互作用；而VHIID、PFYRE及SAW等結構域是阻遏結構域，介導GID1與F-box蛋白的相互作用［38］。

圖1 DELLA蛋白結構示意圖

DELLA結構域是GRAS蛋白家族中DELLA亞家族蛋白獨有的，該結構域的功能與GA響應有關。擬南芥gai是一個對外源GA處理不敏感的半顯性矮化突變體［39］，它是由于GAI基因的一個51 bp堿基缺失突變，導致DELLA結構域中17個氨基酸丟失而造成。而RGA基因缺失相同的51 bp序列（rga-Δ17），其轉基因擬南芥植株也會產生GA不敏感的嚴重矮化表型［31］。這些研究表明DELLA結構域的突變使gai（或者rga-Δ17）蛋白成為GA響應的組成型抑制子，阻遏GA介導的植物生長發(fā)育。GA促進植物的生長發(fā)育是通過解除DELLA蛋白的阻遏作用實現(xiàn)的，當DELLA蛋白感知GA信號后，DELLA蛋白的阻遏作用被解除，植株表現(xiàn)出正常生長發(fā)育。如果DELLA蛋白的GA響應功能域突變，使之不能感知GA信號，那么DELLA蛋白便組成性地阻遏植物生長發(fā)育，這類突變體表現(xiàn)為植株矮化、葉色深綠和晚花等類似GA缺失突變體表型，但對外源GA處理不敏感［34］。

1.3 DELLA蛋白降解依賴SCFSLY1/GID2/SNE

SCF（Skp1/cullin/F-box）復合體是26S蛋白酶體降解體系中的E3泛素連接酶，其中的F-box蛋白是SCF復合體的一個亞基，它決定了底物識別的特異性。在赤霉素信號轉導中，DELLA蛋白的降解依賴泛素-蛋白酶體降解途徑［40-41］。遺傳學研究表明，擬南芥中的SLY1及水稻中的同源基因GID2編碼F-box蛋白，是GA信號中的正調控因子［42］。

功能喪失的sly1突變體不能降解DELLA蛋白并且表現(xiàn)出GA不敏感的矮化表型［40］。DELLA蛋白能與SLY1蛋白在體內直接互作，表明DELLA蛋白是SLY1蛋白的直接靶標［42-43］。因此，SLY1蛋白作為SCFSLY1/GID2蛋白復合體組分之一，介導了GA誘導的DELLA蛋白的降解。當GA處理或有GA信號時，SLY1能特異地與DELLA蛋白發(fā)生親和反應，通過26S蛋白酶體蛋白降解途徑降解DELLA蛋白，從而去除DELLA蛋白的阻遏作用，實現(xiàn)GA的應答反應。

近來的研究表明，E3類泛素化（small ubiquitinlike modifier，SUMO）連接酶AtSIZ1能夠與SLY1蛋白互作，并通過類泛素化SLY1進而正調控SLY1介導的GA信號［44］。與野生型相比，atsiz1-2突變體中的SLY1蛋白減少而DELLA蛋白增多。此外，GA促進SLY1的類泛素化，且類泛素化的SLY1與DELLA蛋白互作，調控DELLA蛋白的降解。這些研究表明SLY1的類泛素化對于GA介導的DELLA蛋白的降解也非常重要［44］。

擬南芥中SLY1的同源基因為SNEEZY（SNE）或 SLEEPY2（SLY2），全長的SLY1與SNE基因在DNA及氨基酸序列上分別有55%及33%的相似性［45］。與sly1突變體相比，sly1 sne雙突變體表現(xiàn)出嚴重矮化表型，且育性顯著降低，表明SNE也是GA信號通路中功能冗余的正調控子［46］。此外，過量表達SNE（SLY2）能部分恢復sly1突變體的矮化表型，表明 SNE 在功能上能夠替代 SLY1［43，47］。然而，在sly1突變體中過量表達SLY1能夠導致RGA及RGL2蛋白的降解，但是在sly1突變體中過量表達SNE，只能導致RGA蛋白水平的降低，RGL2蛋白水平并不改變，表明SNE與SLY1的功能并不完成相同［45］。盡管AtSIZ1能與SLY1互作，但是AtSIZ1不能與SLY2互作，表明AtSIZ1以SLY1依賴的方式介導GA的響應［44］。

1.4 GID1介導DELLA蛋白降解的分子模型

近年來，隨著GID1、SLY1/GID2及DELLA蛋白功能研究的不斷深入，人們對GA作用機理及其信號轉導途徑有了非常清晰的認識。在GA信號轉導途徑中，DELLA蛋白主要起阻遏作用并抑制植物生長發(fā)育，而GA促進植物生長發(fā)育是通過降解DELLA蛋白實現(xiàn)的。水稻GID2、擬南芥SLY1和SNE蛋白是SCFSLY1/GID2/SNEE3泛素連接酶蛋白復合體中的F-Box蛋白，而植物感知GA信號則依賴于GA受體GID1蛋白。當活性GA分子與受體GID1蛋白結合后，GA-GID1復合體與DELLA蛋白N端結合，導致DELLA蛋白構象改變并允許DELLA蛋白C端與SCFSLY1/GID2/SNE相互作用，GID1-GA-DELLA蛋白復合體的形成增強了DELLA與SCFSLY1/GID2/SNE間的互作，導致DELLA蛋白被泛素化，并經由26S蛋白酶復合體降解，進而解除DELLA蛋白的阻遏作用（圖 2）［19-20，48］。

圖2 DELLA蛋白介導的GA信號轉導模型

1.5 DELLA蛋白修飾在GA信號轉導中的作用

盡管蛋白酶體依賴的DELLA蛋白降解途徑能夠解釋大多數(shù)的GA響應，但是與GA合成缺陷的ga1-3突變體及gid1突變體相比，sly1及gid2突變體積累了更多的DELLA蛋白但并未表現(xiàn)出更加嚴重的矮化表型。研究表明，當存在有功能的DELLA結構域時，單獨的GA和GID1蛋白就能去除DELLA蛋白的阻遏作用，而不需要SLY1/GID2介導的DELLA蛋白的降解［49］。過量表達GID1通過增加GA-GID1-DELLA復合體的形成進而解除了sly1-2突變體的種子休眠表型［50］。因此，可能存在另外一條不依賴于蛋白酶體降解的途徑，這種途徑可能是通過直接的蛋白-蛋白相互作用或者非直接地轉錄后修飾完成的［49，51］。

近年來的研究表明，植物體內還存在磷酸化、糖基化和類泛素化等其他蛋白修飾作用影響DELLA蛋白活性。在水稻中的研究發(fā)現(xiàn)EL1（EARLY FLOWERING1），編碼一種酪蛋白激酶，可以磷酸化SLR1，而SLR1中預測的磷酸化位點突變可以顯著改變其對GA的響應，表明磷酸化的DELLA蛋白對于其活性和生物學功能具有重要的作用［52］。此外，磷酸酶TOPP4作為GA信號中的正調控因子，通過直接去磷酸化DELLA蛋白，進而促進GA介導的DELLA蛋白的降解［53］。糖基化修飾也在GA信號通路中起重要作用。SPY（SPINDLY）是GA信號途徑負調控因子，SPY基因編碼O-連N-乙?；咸烟寝D移酶（O-linked N-acetylglucosamine（O-GlcNAc）transferases，OGTs）， 能 O-GlcNAc 糖 基 化 修 飾DELLA蛋白［54-57］。擬南芥的O-連N-乙?；咸烟寝D移酶SECRET AGENT（SEC）也能夠修飾DELLA蛋白。遺傳學分析表明，SEC和SPY在調控GA信號中發(fā)揮的作用不同。SEC是GA響應的正調控因子，而SPY是負調控因子。在煙草細胞瞬時表達體系中，DELLA蛋白能夠被SEC O-GlcNAc糖基化但不能被SPY O-GlcNAc糖基化。此外，O-GlcNAc糖基化的RGA抑制了其與互作蛋白PHYTOCHROMEINTERACTING FACTOR 3（PIF3）、PIF4、JA ZIM domain protein 1（JAZ1） 及 BRASSINAZOLERESISTANT 1（BZR1）的結合，表明O-GlcNAc糖基化修飾的DELLA蛋白能整合發(fā)育和環(huán)境信號精細調控GA響應［58］。最近研究表明，SPY作為新的O-巖藻糖轉移酶（O-fucosyltransferase）可以O-巖藻糖基化修飾DELLA蛋白，這種O-巖藻糖基化修飾增強了DELLA蛋白的活性，促進了DELLA蛋白與PIF3、PIF4及BZR1互作，然而SEC O-GlcNAc糖基化修飾DELLA蛋白抑制了這種互作［59］。DELLA蛋白的類泛素化修飾（sumoylation）對于其活性和穩(wěn)定性也起了重要作用。DELLA蛋白的羧基端能夠被類泛素化修飾，GID1也含有類泛素化-互作基序。類泛素化的DELLA蛋白能夠以GA非依賴的方式與GID1的類泛素化-互作基序互作，導致非類泛素化的DELLA蛋白積累，阻礙植物生長，以利于植物適應逆境環(huán)境［60］。

綜上所述，磷酸化、糖基化和類泛素化等修飾作用對于DELLA蛋白的活性和穩(wěn)定性具有重要的影響，不同修飾的DELLA蛋白整合發(fā)育和環(huán)境信號精細調控GA響應。

2 GA-DELLA整合其它激素和環(huán)境因子信號調控植物生長發(fā)育的機理

越來越多的研究表明，DELLA蛋白作為GA信號途徑中的調控因子，能夠整合多種激素和環(huán)境信號調控植物的生長發(fā)育。DELLA蛋白缺少DNA結合結構域，且也沒有直接的證據(jù)表明DELLA蛋白能夠直接結合DNA。因此，DELLA蛋白調控靶基因的表達可能通過以下方式：一是，DELLA蛋白與轉錄因子互作，抑制轉錄因子的DNA結合活性，從而抑制靶基因的表達；二是，DELLA蛋白與其它的轉錄因子互作，作為轉錄激活子，調控下游靶基因的表達（圖3）［61-62］。此外，DELLA蛋白還可以作為非轉錄調控因子，調控植物生長發(fā)育。

圖3 DELLA整合其它激素和環(huán)境因子信號調控植物生長發(fā)育

2.1 DELLA作為轉錄抑制子整合激素和環(huán)境信號調控植物的生長發(fā)育

光和GA調控植物生長發(fā)育的多個過程。光誘導光形態(tài)建成，抑制下胚軸的伸長，然而GA促進黃化苗的生長及下胚軸的伸長。DELLA蛋白能夠與bHLH轉錄因子家族的PIF3和PIF4互作，通過結合到這些轉錄因子的DNA結合區(qū)域，抑制PIFs靶基因的表達進而抑制下胚軸的伸長［63-64］。GA誘導DELLA蛋白的降解，釋放出PIFs，促進PIFs激活基因的表達。因此，DELLA與PIFs互作整合GA和光信號進而調控植物的光形態(tài)建成（圖3）。

GA與油菜素內酯BR（Brassinosteroide）在調控植物的生長發(fā)育中也存在互作。在擬南芥中，轉錄因子BZR1及BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 1 EMS-SUPPRESSOR1（BES1）是BR信號途徑中的正調控因子。DELLA蛋白與BZR1的直接互作阻礙了BZR1結合到BR調控基因的啟動子區(qū)，從而抑制靶基因的表達，GA誘導DELLA蛋白降解后，釋放出BZR1，解除了這種抑制［65-67］。此外，DELLA及BZR1能夠與PIF4互作形成DELLA-BZR1-PIF4復合體，從而整合GA、BR及環(huán)境信號共同調控植物的生長發(fā)育［65，68］。進一步研究表明，DELLA蛋白能夠與生長素響應因子ARF6（Auxin response factor 6）互作，與BZR1及PIF4形成BZR1-ARF6-PIF-DELLA復合體，共同調控擬南芥下胚軸細胞的伸長［69］（圖 3）。

GA與乙烯信號在調控擬南芥頂端彎鉤發(fā)育過程中也存在互作。乙烯通過促進下游轉錄因子ETHYLENE INSENSITIVE3（EIN3）及 EIN3-like（EIL）的積累，從而激活乙烯的信號響應。頂端彎鉤形成的重要調控元件HLS1（HOOKLESS 1）是乙烯信號元件EIN3的直接靶基因。DELLA蛋白通過與EIN3/EIL1互 作， 抑 制 HLS1及RAP2.3（RELATED TO APETALA2.3）的表達及頂端彎鉤的形成［70-71］。DELLA蛋白通過與EIN3/EIL1直接互作，抑制EIN3/EIL1的轉錄活性，從而拮抗乙烯的響應。DELLAEIN3互作進一步揭示GA與乙烯共同調控頂端彎鉤發(fā)育的作用機理（圖3）。

近來的研究表明，植物特異的轉錄因子TCP（TEOSINTE BRANCHED1/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTOR）參與獨腳金內酯信號轉導，能夠抑制植物分枝［72-75］。DELLA蛋白能夠與I類的TCP轉錄因子（如TCP14和TCP15）互作，通過結合到TCP的DNA識別區(qū)域而阻礙TCP的功能［76-77］（圖 3）。在酵母中 DELLA 蛋白 SLR1能夠與獨腳金內酯的受體D14（DWARF14）互作，表明GA信號與獨腳金內酯也存在互作［78］。然而，DELLA-D14互作的功能還需要進一步研究。

茉莉酸（Jasmonic acid，JA）也是重要的植物激素，調控植物的生長發(fā)育及脅迫響應。研究表明GA和JA拮抗調控植物的生長發(fā)育及對生物及非生物脅迫的響應。JAZ是茉莉酸信號中的關鍵抑制子，JAZ1在JA信號途徑中能與下游的關鍵正調控因子MYC2（JASMONATE INSENSITIVE1，JIN1/MYC2）相互作用，抑制MYC2對下游基因表達的調控作用。DELLA與JAZ互作抑制了JAZ的活性，增強了MYC2調控的JA介導的根的生長抑制及對病原菌Pst DC3000（Pseudomonas syringae pv tomato DC3000）的敏感性［79-81］。此外，DELLA和JAZ能夠與WD-repeat/bHLH/MYB復合體中的成員GL3/EGL3及GL1互作，協(xié)同GA與JA信號調控毛狀體的發(fā)育［82-84］（圖 3）。

在調控擬南芥開花方面，DELLA蛋白能夠與轉錄因子SPL（SQUAMOSA PROMOTER BINDINGLIKE）互作，SPL通過激活miR172及MADS-box基因的表達進而促進開花。長日照條件下，DELLA蛋白與SPL蛋白互作干擾了SPL的轉錄活性，降低了葉中miR172的表達及頂端分生組織中MADS基因的表達，使得開花延遲［85］（圖3）。在擬南芥中GA通過激活開花決定基因比如LEAFY（LFY）及SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION CONSTANS1（SOC1）進而促進開花。DELLA蛋白通過抑制LFY及SOC1的表達進而抑制短日照條件下的開花［86-89］。近來的研究表明，DELLA蛋白能夠與重要的開花激活子CONSTANS（CO）互作，通過抑制CO的表達進而調控長日照條件下擬南芥的開花［90］（圖3）。此外，DELLA蛋白能夠與bHLH48 及 bHLH60互作，調控長日照條件下的開花［91］。DELLA蛋白也能夠與WRKY12、WRKY13及WRKY75互作，調控擬南芥的開花時間［92-93］。其它DELLA互作蛋白包括BOTRYTIS SUSCEPTIBLE1 INTERACTOR（BOI），BOI-RELATED GENE1（BRG1），BRG2 及 BRG3，統(tǒng)稱為BOIs，屬于RING結構域蛋白家族。DELLA能與BOIs互作形成復合體，結合到GA響應基因的啟動子區(qū)，抑制基因的響應，進而調控種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長到生殖生長的轉變及開花時間等［94］。

此外，在調控果實的發(fā)育方面，DELLA能夠與bHLH家族成員ALCATRAZ（ALC）互作，抑制ALC靶基因的表達，調控離層的分化，進而調節(jié)果實的著生形態(tài)［95］。另有報道指出DELLA蛋白可以與同屬于bHLH家族的SPT（SPATULA）相互作用，共同調控種子的萌發(fā)和子葉的擴張［96，97］（圖3）。

2.2 DELLA作為轉錄激活子整合激素和環(huán)境信號調控植物的生長發(fā)育

除了作為轉錄抑制子，DELLA蛋白也能夠作為轉錄激活子發(fā)揮作用。已有的研究表明，GA和ABA在調控種子的休眠和萌發(fā)中起拮抗作用?；钚訥A促進種子的萌發(fā)，而ABA卻維持種子的休眠［98］。遺傳學的研究表明，ABA信號途徑中的轉錄因子ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3（ABI3）及 ABI5 負調控種子的萌發(fā)［99］。近來研究表明，含有C3H鋅指蛋白SOMNUS基因負調控種子的萌發(fā)，DELLA蛋白能與ABI3和ABI5蛋白互作形成復合體，結合在SOMNUS等基因的啟動子區(qū)，激活這些基因的表達，從而調控逆境下種子的萌發(fā)［100］。DELLA蛋白與ABI3和ABI5互作揭示了GA與ABA互作調控種子萌發(fā)的機制（圖3）。

在擬南芥中SCL3（SCARECROW-LIKE 3）是GA信號中的正調控因子，SCL3的表達受DELLA的誘導但受GA的抑制。SCL3與DELLA蛋白互作通過拮抗DELLA蛋白的活性，進而調控根的生長和種子的萌發(fā)［101-102］。擬南芥的基因組中含有16個含鋅指結構域的INDETERMINATE DOMAIN（IDD）蛋白［103］，其中 IDD1、IDD3、IDD5、IDD9、IDD10 及IDD的同源蛋白GAF1能夠與DELLA蛋白互作，調控GA響應［104-107］。IDD1與DELLA蛋白互作調控種子的休眠［104］；IDD3、IDD5、IDD9及 IDD10不僅與DELLA蛋白互作，也與SCL3互作。DELLA、SCL3及IDDs三個蛋白共同組成“共激活子/共抑制子調控系統(tǒng)”精細調控 GA 響應［61，106］（圖 3）。在該系統(tǒng)中，DELLA蛋白作為共激活子，DELLA與IDD互作增強了SCL3的表達。此外，積累的SCL3作為共抑制子，SCL3-IDD蛋白復合體的增加抑制了SCL3 自身的表達［61，106］。

GA與細胞分裂素在調控植物的多個發(fā)育進程中發(fā)揮拮抗作用［108］。ARR1（Arabidopsis response regulator 1）是細胞分裂素信號通路中重要的轉錄因子，DELLA蛋白能夠與ARR1互作，激活響應基因的表達，調控根的生長及光形態(tài)建成［109-110］（圖3）。DELLA/ARR異二聚體揭示了GA與細胞分裂素互作的新調控機制，這與DELLA/IDD復合體類似，能轉錄激活目標基因的表達［106］。

2.3 DELLA作為非轉錄調控因子調控植物生長發(fā)育

除了作為轉錄激活子或者轉錄抑制子外，DELLA 蛋白還可作為非轉錄調控因子調控細胞的增殖。GA通過PFD（Prefoldin）復合體調控皮質微管Cortical Microtubule（cMT）的排列。PFD3及PFD5是微管蛋白伴侶分子，作用在胞質中協(xié)調細胞增殖過程中微管蛋白的組織及聚合［111］。PFD復合體在細胞核中不能發(fā)揮功能，但是可被轉運至胞質中促進微管蛋白的折疊（tubulin folding）。DELLA蛋白能夠與PFD3及PFD5互作，使PFD被限制在細胞核內并導致其不能在胞質中發(fā)揮功能。當有活性GA存在時，DELLA蛋白被降解，PFDs釋放到胞質中促進微管蛋白二聚化［112］。因此，GA可以通過DELLA-PFD-tubulin folding-cMT聚合級聯(lián)調控皮質微管的排列［113］。

除了調控微管蛋白的折疊外，DELLA蛋白作為非轉錄調控因子還參與到蛋白轉運過程中。Salanenka等［114］的研究表明，GA能平衡蛋白質在液泡降解途徑及返回細胞表面的轉運過程。低GA水平促進轉運物（包括PIN蛋白）向液泡傳遞和降解，而高GA水平促進它們再循環(huán)到質膜。GA的這種效應需要蛋白質逆向運輸復合體（Retromer）組分，例如，Sorting Nexin 1（SNX1）及與它互作的微管相關蛋白CLASP1（the cytoplasmic linker-associated protein 1）。GA調控SNX1及CLASP1的亞細胞分布，且GA在蛋白質轉運中的效應需要完整的微管細胞骨架。如前所述，DELLA蛋白能夠與PFDs互作調控微管蛋白的折疊。因此，DELLA蛋白除了轉錄調控外，還可以通過其互作蛋白PFDs及下游的MT/CLASP1模塊，調控蛋白質逆向運輸復合體的活性及蛋白質從液泡途徑到質膜的雙向轉運。通過這種機制，GA能夠調控諸多轉運蛋白和受體重新定位進出細胞表面，從而調控一系列細胞過程，包括生長過程中細胞的增殖。

綜上所述，DELLA蛋白作為GA信號途徑中的關鍵調控因子，通過與其它不同信號途徑中的轉錄因子及非轉錄因子相互作用，影響下游基因的表達，從而實現(xiàn)對根的生長、下胚軸伸長、頂端彎鉤的發(fā)育、開花、果實發(fā)育、植物光形態(tài)建成和防御反應等多種植物發(fā)育階段和生理反應的調控。目前人們對這個復雜而精細的調控過程的認識還有待進一步闡明。

3 總結與展望

GA-DELLA在調控植物的生長發(fā)育和脅迫反應中扮演了重要的作用。近年來的研究已從分子水平上揭示了GA通過GID1介導的DELLA蛋白的降解來促進植物的生長發(fā)育。盡管可溶性的GA受體GID1也存在細胞質中，但是GA-GID1-DELLA蛋白復合體定位在細胞核中。在谷物的糊粉層細胞中，GA誘導的α-淀粉酶的產生可能需要質膜定位的受體。因此，是否存在膜定位的依賴于GID1但是不依賴于DELLA蛋白的GA信號通路的共受體，還需進一步研究。去阻遏調控機制表明GA促進植物的生長發(fā)育是通過降解DELLA蛋白實現(xiàn)的。然而，對DELLA相關突變體的研究暗示，植物體內可能存在不依賴于DELLA蛋白的GA信號傳遞過程［115］。在Maymon等［116］的研究中，GA能夠抵抗細胞分裂素對莖稈伸長的抑制作用，但是這個過程并不完全依賴于DELLA蛋白，因為DELLA缺失突變體global（缺失 GAI、RGA、RGL1、RGL2及RGL3）對細胞分裂素并沒有表現(xiàn)出完全不敏感的特點，暗示還有DELLA以外的因子參與該信號傳遞過程。此外，在研究global和ga1 global突變體時發(fā)現(xiàn)DELLA蛋白缺失并不等于GA作用完全飽和，global突變體仍然能夠響應GA對單性結實果莢伸長的促進作用［117］。另外研究表明，GA誘導的細胞質中鈣離子（［Ca2+］cyt）的增加不依賴于DELLA蛋白的降解，在DELLA蛋白不能降解的轉基因材料（RGAΔ17）及global突變體中，GA處理仍能快速增加細胞質中鈣離子［118］。這些實驗現(xiàn)象揭示，在已知的GADELLA信號調控模式之外，還可能存在未知的不依賴DELLA蛋白的信號調控模式參與GA響應，目前這種不依賴于DELLA蛋白的GA信號組分還需鑒定。DELLA蛋白的磷酸化、糖基化及類泛素化修飾對于DELLA蛋白的穩(wěn)定性和活性至關重要，但是這些修飾的分子機制并不清楚。越來越多的證據(jù)表明，DELLA蛋白能夠與各種轉錄因子互作，通過GA誘導的DELLA蛋白的降解，整合發(fā)育和環(huán)境信號調控細胞的分裂和分化。然而，GA動態(tài)調控DELLA相關復合體響應發(fā)育和環(huán)境信號的分子機制尚未可知，DELLA蛋白與其互作蛋白動態(tài)結合的調控機制仍需進一步闡述。水稻“綠色革命”基因sd1是赤霉素生物合成途徑的一個關鍵酶，小麥“綠色革命”基因Rht1是赤霉素信號轉導途徑的關鍵成員——DELLA蛋白本身。今后利用遺傳、生化及系統(tǒng)生物學的方法，進一步鑒定GA-DELLA響應的新組分及調控網絡，加強對GA的生物學效應與其信號傳遞途徑的分子機制研究，無論對于我們理解植物生長發(fā)育與GA的作用機理，還是對于赤霉素在農業(yè)生產中的應用，都具有非常重要的意義。