植物乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及其相關(guān)基因的研究進(jìn)展

史慶玲, 李忠峰, 董永彬*, 李玉玲

1.河南省種子站, 鄭州 450016;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 鄭州 450046

乙烯是一種具有生物活性的簡(jiǎn)單氣態(tài)激素，植物可以通過(guò)乙烯的生物合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)節(jié)其體內(nèi)的生理過(guò)程，協(xié)調(diào)乙烯信號(hào)途徑與其他信號(hào)途徑互作，完成各種生理活動(dòng)和應(yīng)答反應(yīng)，如果實(shí)成熟、器官衰老、植物開花、種子休眠、種子萌發(fā)、根毛發(fā)育以及對(duì)生物和非生物脅迫反應(yīng)等生理過(guò)程[1]。目前對(duì)乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究主要集中在雙子葉模式植物擬南芥中，單子葉模式植物水稻特殊的半水生生活環(huán)境與其他單子葉植物小麥、玉米等，對(duì)乙烯的反應(yīng)不同，這暗示著不同單子葉植物可能存在著不同的乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)新機(jī)制，梳理這些研究成果，對(duì)深入理解植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及生物和非生物脅迫中乙烯的調(diào)控機(jī)理，及對(duì)乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的解析具有重要的意義。

1 乙烯的生物合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

在模式植物擬南芥中，乙烯的生物合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑已基本研究清楚，如圖1所示，首先在銅離子作用下乙烯分子與位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的乙烯受體(ETR1、ERS1、ETR2、ERS2和EIN4)結(jié)合，導(dǎo)致負(fù)調(diào)控組分受體CTR1(constitutive triple response1)復(fù)合體失活；失活后的受體CTR1復(fù)合體不再磷酸化下游信號(hào)組分EIN2 (ethylene-insensitive2)，而EIN2 因不被降解而激活；然后EIN2 蛋白羧基端(EIN2 CEND)被切割而游離并進(jìn)入細(xì)胞核；EIN2 CEND可能通過(guò)抑制EBF1/2 (EIN3-Binding F-Box 1/2)蛋白介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子EIN3 (Ethylene-insensitive3)/EIL1 (Ethylene-insensitive-like1)的泛素化降解過(guò)程而促進(jìn)EIN3/EIL1在細(xì)胞核內(nèi)積累，進(jìn)而EIN3/EIL1轉(zhuǎn)錄激活ERF1 (Ethylene-responsive factor1)等下游靶基因表達(dá)從而產(chǎn)生乙烯反應(yīng)[2]。雙子葉植物具有相對(duì)一致的“三重反應(yīng)”，典型的乙烯反應(yīng)是雙子葉植物黃化幼苗的三重反應(yīng)，表現(xiàn)為上胚軸和根伸長(zhǎng)被抑制，橫向生長(zhǎng)，縮短變粗，頂勾彎曲增大等[3]。擬南芥乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的大多數(shù)組分在水稻中已找到同源序列，包括5個(gè)乙烯受體、OsCTR1、OsEIN2、OsEIL1和OsERFs等[4]。但是單子葉植物黃化苗對(duì)乙烯的反應(yīng)表現(xiàn)出不同的情況，當(dāng)用乙烯處理單子葉植物小麥、高粱、玉米以及模式植物二穗短柄草時(shí)，黃化苗根和胚芽鞘的生長(zhǎng)都受到明顯抑制，這與乙烯對(duì)雙子葉植物生長(zhǎng)的影響相似，而對(duì)于水稻，胚芽鞘的生長(zhǎng)受乙烯促進(jìn)，根的生長(zhǎng)受乙烯抑制[5,6]。

圖1 擬南芥乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)線性模型Fig.1 Schematic diagram of ethylene signal transduction in Arabidopsis.

乙烯在植物體內(nèi)的生物合成前體為蛋氨酸(即甲硫氨酸)，經(jīng)由一系列酶催化過(guò)程合成，其中ACC合酶(1-aminoacyclopropane 1-carboxylate synthase，ACS)是乙稀生物合成途徑中的關(guān)鍵酶和限速酶，對(duì)乙烯生物合成具有重要的調(diào)控作用[7]。在植物體內(nèi)，ACS是一個(gè)多基因家族，如擬南芥和番茄分別有12個(gè)和9個(gè)ACS基因[8,9]。利用基因工程技術(shù)在番茄、西葫蘆等植株中導(dǎo)入 ACS 反義 RNA 或 RNAi 基因，可以使果實(shí)成熟延遲，而外施乙烯又可以使其恢復(fù)成熟[10～12]。將反義ACS基因轉(zhuǎn)入煙草中，會(huì)明顯增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因煙草植株對(duì)非生物脅迫的耐受能力[13]。玉米ACC合酶基因ZmACS6突變體能延緩葉片衰老，同時(shí)能抑制干旱誘導(dǎo)的衰老，突變體還影響植株根系在土壤中的正常生長(zhǎng)[14,15]。通過(guò)基因沉默方法降低ACC合成酶基因的轉(zhuǎn)錄水平，能使玉米乙烯釋放量降低約50%；多個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)基因事件的雜交種和對(duì)照種植鑒定表明，下調(diào)乙烯生物合成通路基因顯著提高了干旱脅迫條件下的玉米產(chǎn)量[16,17]。

2 乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑相關(guān)基因

2.1 乙烯受體

乙烯受體能夠感知乙烯信號(hào)，并與其識(shí)別結(jié)合，進(jìn)一步傳遞乙烯信號(hào)。在擬南芥中已發(fā)現(xiàn)5 個(gè)乙烯受體家族成員，包括 ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4，均位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上[3]。水稻乙烯受體家族各成員在功能上表現(xiàn)出不同于擬南芥的特異性，可能存在著新的信號(hào)傳遞組分或新機(jī)制[4]。擬南芥的大多數(shù)單個(gè)受體的功能缺失突變體表型與野生型類似，只有etr1-7突變體表現(xiàn)輕微的乙烯過(guò)敏反應(yīng)[18]。擬南芥乙烯受體ETR1基因功能缺失導(dǎo)致rdo3突變體種子休眠[19]。水稻Osetr2、Osetr3或Osers2的單個(gè)受體功能缺失突變體可導(dǎo)致乙烯過(guò)敏感和早花表型，而OsETR2過(guò)表達(dá)水稻呈現(xiàn)乙烯敏感性降低和晚花表型[20]。OsETR2蛋白具有絲/蘇氨酸激酶活性而非組氨酸激酶活性，且N-box突變可使其激酶活性完全喪失，而擬南芥乙烯受體的N-box突變只能部分抑制其激酶活性[21]。目前玉米中僅鑒定出了ZmERS1和ZmETR1兩個(gè)乙烯受體家族基因，玉米乙烯信號(hào)通路相關(guān)基因的功能研究相對(duì)擬南芥、水稻等明顯滯后[22]。

2.2 負(fù)調(diào)控因子CTR1

CTR1位于乙烯受體下游，介導(dǎo)乙烯受體的信號(hào)負(fù)調(diào)控乙烯反應(yīng)，其功能缺失突變體表現(xiàn)出組成型乙烯反應(yīng)。在缺少乙烯的情況下，CTR1能與乙烯受體家族成員結(jié)合，抑制乙烯信號(hào)的傳遞；當(dāng)乙烯與受體結(jié)合時(shí)，CTR1失去活性，乙烯信號(hào)能夠進(jìn)一步被傳遞到下游組分[2,3]。在擬南芥過(guò)表達(dá)CTR1的氨基端可以造成組成型乙烯反應(yīng)表型。ctrl-10是一個(gè)弱的組成型乙烯反應(yīng)突變體，其組成型乙烯反應(yīng)主要表現(xiàn)為主根縮短。在擬南芥中只有一個(gè)CTR1基因，而番茄中是由 4 個(gè)基因構(gòu)成的CTR1-like家族[23]。番茄LeCTR1的mRNA會(huì)隨著果實(shí)成熟上升表達(dá)，且會(huì)受到外源乙烯誘導(dǎo)，但擬南芥AtCTR1表達(dá)不會(huì)受到乙烯明顯的影響[24]。

2.3 轉(zhuǎn)錄因子EIN2

EIN2是乙烯信號(hào)通路中起正調(diào)控作用的關(guān)鍵因子。在擬南芥25個(gè)ein2等位突變體中，除了ein2-9，其他24個(gè)突變體在形態(tài)學(xué)、生理學(xué)以及分子水平都對(duì)乙烯處理不敏感。當(dāng)沒有乙烯時(shí)，ETP1/ETP2(EIN2 targeting protein2)蛋白積累，通過(guò)泛素化途徑降解EIN2蛋白，關(guān)閉乙烯信號(hào)途徑；而有乙烯時(shí)，ETP1/ETP2蛋白含量減少，EIN2蛋白穩(wěn)定性增強(qiáng)，被切割入核，激活下游乙烯信號(hào)[25]。擬南芥ein2-1突變體的器官與野生型相比顯著增大，EIN2通過(guò)控制細(xì)胞膨大抑制器官過(guò)度生長(zhǎng)[26]。水稻MHZ3可與OsEIN2互作，mhz3功能喪失后OsEIN2豐度降低，乙烯誘導(dǎo)OsEIN2積累減少，而過(guò)表達(dá)MHZ3可以提高OsEIN2的豐度；MHZ3可以通過(guò)與OsEIN2的Nramp-like結(jié)構(gòu)域與OsEIN2穩(wěn)定結(jié)合，并阻止其泛素化[27]。

2.4 轉(zhuǎn)錄因子EIN3/EIL1

EIN3/EIL1是高等植物基因組中的一個(gè)較小轉(zhuǎn)錄因子家族，在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[28]。在高鹽脅迫下，擬南芥EIN3功能缺失突變體的發(fā)芽率、幼苗成活率均低于野生型，且表現(xiàn)出細(xì)胞質(zhì)滲透較高等鹽敏感表型[29,30]。EIN3/EIL1能直接結(jié)合HOOKLESS1(HLS1)的啟動(dòng)子序列并激活其表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)擬南芥頂端彎鉤的形成[31,32]。單個(gè)番茄LeEIL基因的反義抑制沒有明顯降低乙烯敏感性，而抑制多個(gè)LeEILs基因表達(dá)則導(dǎo)致乙烯反應(yīng)，如葉偏上生長(zhǎng)、花衰老及脫落、果實(shí)延遲成熟等[33]。水稻MHZ6編碼一個(gè)與擬南芥EIN3同源的轉(zhuǎn)錄因子OsEIL1，該基因突變會(huì)導(dǎo)致水稻黃化苗的根對(duì)乙烯不敏感，從而干擾其家族基因OsEIL2的表達(dá)，導(dǎo)致胚芽鞘對(duì)乙烯不敏感；MHZ6/OsEIL1和OsEIL2通過(guò)直接結(jié)合并激活OsHKT2;1在水稻幼苗根中的表達(dá)，從而促進(jìn)對(duì)鈉離子的吸收，導(dǎo)致對(duì)鹽敏感[34]。水稻MHZ4編碼一個(gè)定位于葉綠體的膜蛋白，而MHZ5編碼一個(gè)類胡蘿卜素異構(gòu)酶，均參與ABA合成；在mhz4和mhz5突變體中，ABA合成均減少，而乙烯合成增加；在根中MHZ4和MHZ5介導(dǎo)ABA通路作用于乙烯信號(hào)下游，抑制根伸長(zhǎng)；在胚芽鞘中它們介導(dǎo)ABA通路作用于乙烯信號(hào)上游，通過(guò)抑制EIN2表達(dá)，進(jìn)而抑制胚芽鞘生長(zhǎng)[35,36]。玉米乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的EIN3/EIL家族基因ZmEIL1的表達(dá)受外源乙烯的影響，在玉米葉片和根中可以被乙烯利誘導(dǎo)表達(dá)，在葉片中被1-MCP抑制表達(dá)[37]。

2.5 轉(zhuǎn)錄因子ERFs

乙烯響應(yīng)因子ERFs是植物特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，位于乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑下游，通過(guò)與GCC-box等啟動(dòng)子互作，對(duì)下游相關(guān)基因進(jìn)行調(diào)控，在植物的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝和逆境適應(yīng)性等方面起著不可替代的重要作用。擬南芥AtERF15和AtERF96是ABA響應(yīng)的正調(diào)控因子，過(guò)表達(dá)株系表現(xiàn)出對(duì)ABA的超敏反應(yīng)，影響種子萌發(fā)、幼苗發(fā)育和根的伸長(zhǎng)[38,39]。在土壤中乙烯可激活擬南芥下胚軸中的ERF1信號(hào)通路而減慢細(xì)胞伸長(zhǎng)[40]。擬南芥ERF12在ETR1下游發(fā)揮作用并參與調(diào)控種子休眠，且與TPL蛋白互作一起發(fā)揮功能；ERF12和TPL蛋白能夠結(jié)合到DOG1啟動(dòng)子上抑制其表達(dá)，通過(guò)乙烯與DOG1通路聯(lián)合調(diào)控種子休眠[19]。在番茄中過(guò)表達(dá)Sl-ERF2能激活編碼甘露聚糖酶的基因Sl-Man2，從而導(dǎo)致未成熟種子提前萌發(fā)[41]，抑制番茄花柄脫落區(qū)特異表達(dá)基因SlERF52，并會(huì)影響纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶的合成，從而延遲花蕾脫落[42]。玉米基因ZmEREB94在籽粒胚乳中表達(dá)量較高，能直接作用于淀粉合成基因ZmSSI啟動(dòng)子，間接調(diào)控淀粉合成基因ZmSh2和ZmGBSSI的表達(dá)，是玉米淀粉合成中的關(guān)鍵調(diào)控因子[43]。在玉米自交系N04胚乳發(fā)育早期和晚期，乙烯響應(yīng)因子ZmERF1基因及其蛋白的表達(dá)量均較高，與不同發(fā)育時(shí)期籽粒的乙烯釋放量相一致，該基因可能與玉米種子早期灌漿及后期脫水成熟有關(guān)[44,45]。

ERF家族基因的表達(dá)還受激素或環(huán)境因素的影響，調(diào)節(jié)植物對(duì)各種逆境脅迫的應(yīng)答反應(yīng)。水稻OsERF4a和OsERF10a的基因過(guò)表達(dá)提高了植株對(duì)干旱脅迫的耐性，并脅迫抗性相關(guān)基因的表達(dá)發(fā)生改變[46]。在水淹條件下，乙烯能促進(jìn)水稻Sub1A基因表達(dá)，而Sub1A可以增加GA信號(hào)抑制子SLR1和SLRL1的表達(dá)量，導(dǎo)致植株對(duì)GA不敏感，無(wú)法伸長(zhǎng)，從而減少碳水化合物代謝，增加無(wú)氧呼吸能力，增強(qiáng)水稻的耐淹性[47,48]；與Sub1A基因不同，水稻SNORKEL1和SNORKEL2通過(guò)響應(yīng)水淹條件下的乙烯信號(hào)來(lái)直接或間接影響GA途徑，導(dǎo)致細(xì)胞伸長(zhǎng)，從而促進(jìn)莖稈和葉片伸長(zhǎng)，避免水淹[49]。玉米乙烯響應(yīng)因子基因ZmEREB180能夠增強(qiáng)漬害脅迫后植株的存活能力；玉米過(guò)表達(dá)株系根系系統(tǒng)發(fā)育顯著增強(qiáng)，尤其是漬水脅迫后不定根的生長(zhǎng)發(fā)育顯著增強(qiáng)；ZmEREB180通過(guò)影響內(nèi)源激素生長(zhǎng)素和乙烯的合成調(diào)控漬水脅迫下不定根的發(fā)育，并通過(guò)調(diào)控ROS水平增強(qiáng)漬水脅迫下的植株抗性[50]。玉米EREB58蛋白能與萜類合成酶基因TPS10啟動(dòng)子的順式作用元件GCC-box結(jié)合，激活TPS10基因表達(dá)并誘導(dǎo)產(chǎn)生法尼烯和(E)-α-香柑油烯，間接參與玉米對(duì)生物逆境的防御[51]。

3 乙烯與其他植物激素的相互作用

植物生長(zhǎng)發(fā)育及生物與非生物脅迫應(yīng)急反應(yīng)受多種植物激素調(diào)控，如脫落酸、細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素、水楊酸、茉莉酮酸脂等，這些激素之間相互影響，協(xié)調(diào)整個(gè)植物生長(zhǎng)發(fā)育的復(fù)雜過(guò)程。隨著人們認(rèn)知水平的提高，逐漸理解這些激素間的互做方式、互做節(jié)點(diǎn)及互做機(jī)制研究的重要性。之前的研究將EIN3/EIL1鑒定為一類新型的JAZ互作蛋白，并進(jìn)一步證明了在植物防御反應(yīng)和根毛發(fā)育中整合了茉莉酸-乙烯協(xié)同作用，需要茉莉酸和乙烯信號(hào)通路同時(shí)反應(yīng)，激活EIN3/EIL1表達(dá)[52]。研究人員進(jìn)一步證明了茉莉酸和乙烯拮抗作用的分子機(jī)理[53,54]。在彎鉤發(fā)育過(guò)程中HLS1基因是JA-ET拮抗的必要組成部分。茉莉酸通過(guò)抑制EIN3/EIL1活性降低了HLS1的表達(dá)，降低了在乙烯存在下的彎鉤曲率角。茉莉酸處理促進(jìn)EIN3/EIL1蛋白水解，該蛋白水解依賴于SCFEBF1。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，這種拮抗作用需要堿性/螺旋-環(huán)-螺旋轉(zhuǎn)錄因子MYC2，而茉莉酸通過(guò)直接與啟動(dòng)子綁定激活MYC2，正向調(diào)控EBF1表達(dá)。除此之外，MYC2還可以與EIN3發(fā)生作用，直接抑制其轉(zhuǎn)錄活性[54]。水楊酸和茉莉酸這兩種主要的防御激素之間的拮抗作用以及乙烯對(duì)茉莉酸信號(hào)通路在植物脅迫反應(yīng)中的調(diào)控作用已研究清楚。研究發(fā)現(xiàn)EIN3和EIL1這兩種轉(zhuǎn)錄因子的拮抗作用，在水楊酸介導(dǎo)下抑制和茉莉酸介導(dǎo)下激活PDF1.2基因，這種功能的二元性是通過(guò)它們對(duì)蛋白質(zhì)的影響而介導(dǎo)的[55]。此外，有研究報(bào)道乙烯和赤霉素可以通過(guò)誘導(dǎo)HLS1的表達(dá)共同作用于頂端彎鉤的形成，此研究發(fā)現(xiàn)HLS1是EIN3/EIL1的直接目標(biāo)，而DELLA蛋白通過(guò)他們的DNA綁定區(qū)域抑制EIN3/EIL1的功能[56]。

4 展望

乙烯幾乎參與了植物生長(zhǎng)發(fā)育直至衰老死亡的全部過(guò)程，其內(nèi)源產(chǎn)生以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。盡管內(nèi)源乙烯的生物合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在擬南芥、番茄等中已基本研究清楚，但已有研究表明水稻等乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)表現(xiàn)出不同于擬南芥的功能特異性[50,51]。目前在小麥、玉米等農(nóng)作物中，乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)基因的功能研究仍較少，乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控機(jī)理及其與其他激素信號(hào)通路間的關(guān)系還需更深入的研究。隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)、基因編輯技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合基因的生物學(xué)特性以及相關(guān)生物技術(shù)，全面挖掘乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相關(guān)基因，揭示其在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的功能及其分子調(diào)控機(jī)制顯得尤其重要。