溫度形態(tài)建成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究進(jìn)展

付祥 韓俊艷 王昕

摘要 在非逆境高溫中，高等植物會(huì)發(fā)生一系列的形態(tài)變化以適應(yīng)這種環(huán)境條件，這種變化被稱為溫度形態(tài)建成。研究溫度形態(tài)建成的分子機(jī)制可為抗熱育種提供理論依據(jù)，在全球變暖的大背景下該領(lǐng)域的研究就顯得尤為重要。高等植物已經(jīng)進(jìn)化出一套較為復(fù)雜的溫度形態(tài)建成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，以幫助植物對(duì)高溫做出正確的響應(yīng)。綜述了溫度形態(tài)建成上游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的分子機(jī)制，并探討了未來(lái)的研究方向。

關(guān)鍵詞 溫度形態(tài)建成;phyB;COP1;PIF4;HY5

Abstract In nonstress high temperature，higher plants will undergo a series of morphological changes to adapt to such environmental conditions，which is called thermomorphogenesis.The study of thermomorphogenesis molecular mechanism can provide theoretical basis for heatresistant breeding，which is particularly important in the context of global warming.Higher plants have evolved a complex set of signal transduction pathway of thermomoerphogenesis for correctly responding to high temperature.In this paper，the molecular mechanism of upstream signal transduction pathway of thermomoerphogenesis was reviewed，and the future research direction was also discussed.

Key words Thermomorphogenesis;phyB;COP1;PIF4;HY5

在人類(lèi)1萬(wàn)多年的耕作歷史中氣溫一直相當(dāng)穩(wěn)定，處于當(dāng)前水平或比現(xiàn)在略微低一些，植物也非常適應(yīng)這種氣候模式。然而隨著全球變暖的持續(xù)加劇，這一氣候模式正發(fā)生著顯著的改變。氣候?qū)＜冶硎?，全球平均氣溫?1世紀(jì)可能升高0.8～4.8? ℃[1]，這會(huì)使全球農(nóng)作物面臨嚴(yán)重的減產(chǎn)威脅[2-5]。一項(xiàng)分析總結(jié)了1 700多項(xiàng)關(guān)于氣候變化和適應(yīng)性對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量影響的研究，結(jié)果顯示在21世紀(jì)下半葉，氣候變暖可能會(huì)對(duì)重要主食作物的產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。

研究表明，培育作物水平的熱適應(yīng)性可能逆轉(zhuǎn)這一負(fù)面趨勢(shì)[2-5]。在許多植物物種中，已經(jīng)進(jìn)化出了適應(yīng)溫度升高的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制。溫度形態(tài)建成就是植物的一種適應(yīng)溫度升高的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制，是指在溫和高溫范圍內(nèi)，植物所發(fā)生的全部有利于適應(yīng)高溫環(huán)境條件的形態(tài)變化。溫和高溫是指高于正常生長(zhǎng)溫度且低于脅迫生長(zhǎng)溫度的溫度范圍。在幼苗期溫度形態(tài)建成的主要表現(xiàn)為下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和子葉葉柄伸長(zhǎng)及偏下性生長(zhǎng)。下胚軸伸長(zhǎng)使敏感的分生組織和光合活性組織遠(yuǎn)離吸熱的土壤，同時(shí)也使這2部分更好地進(jìn)入空氣流動(dòng)性更強(qiáng)的環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果[6]。對(duì)溫度形態(tài)建成分子機(jī)制的研究，將為農(nóng)作物抗熱育種提供理論指導(dǎo)和育種線索。鑒于此，筆者分析了前人對(duì)溫度形態(tài)建成上游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究成果，并探討了此領(lǐng)域未來(lái)可能的研究方向。

1 phyB溫度受體

1.1 phyB參與調(diào)控溫度形態(tài)建成 phytochrome B （phyB）是一種典型的光受體，以2種可以相互轉(zhuǎn)化的形式存在：一種是遠(yuǎn)紅光吸收型Pfr（生理活性狀態(tài)），一種是紅光吸收型Pr（鈍化狀態(tài)）。紅光或白光照射可使Pr轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr，抑制使下胚軸伸長(zhǎng);遠(yuǎn)紅光照射或黑暗生長(zhǎng)條件下Pfr轉(zhuǎn)變?yōu)镻r，促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)。

目前的研究發(fā)現(xiàn)，phyB不但是一種光受體，同時(shí)還是一種溫度受體[7-8]。phyB 功能缺失型突變體phyB-1與phyabcde具有組成型溫度形態(tài)建成表型，在22 ℃條件下下胚軸依然劇烈伸長(zhǎng)[7]。為了檢驗(yàn)phyB-1與phyabcde的組成型溫度形態(tài)建成表型是由生長(zhǎng)調(diào)節(jié)紊亂造成的，還是由溫度形態(tài)建成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑影響造成的，有研究者使用了轉(zhuǎn)錄組分析實(shí)驗(yàn)來(lái)回答這一問(wèn)題[7]。試驗(yàn)使用phyabcde五突變體和YHB植物（這種植物中phyB被組成性激活，phyB被鎖定在Pfr活性狀態(tài)之中），檢測(cè)了這2種植物在溫度形態(tài)建成中與野生型的基因表達(dá)差異。結(jié)果顯示，在高溫激活的野生型擬南芥基因中，有大量基因在常溫生長(zhǎng)的phyabcde中被激活;在常溫抑制的野生型擬南芥基因中，有大量基因在高溫生長(zhǎng)的YHB中被抑制[7]，這說(shuō)明phyB-1與phyabcde的組成型溫度形態(tài)建成表型是由溫度形態(tài)建成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路受到影響造成的。染色質(zhì)免疫共沉淀試驗(yàn)證明，phyB能夠與溫度形態(tài)建成調(diào)控基因啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，并且溫度升高會(huì)降低結(jié)合強(qiáng)度和被結(jié)合基因的數(shù)目[7]。phyB與高溫誘導(dǎo)基因ATHB2的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，并且結(jié)合區(qū)域與PIF1/3/4/5的結(jié)合區(qū)域重合[7]。因?yàn)閜hyB不具備DNA結(jié)合序列，轉(zhuǎn)錄因子PIFs能夠與phyB相互作用，并且PIFs中的PIF4/5參與溫度形態(tài)建成，所以phyB與溫度調(diào)控基因啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合很可能是通過(guò)PIF4/5招募來(lái)實(shí)現(xiàn)的[7]。結(jié)合到靶基因的啟動(dòng)子區(qū)后，phyB可能通過(guò)介導(dǎo)PIF4/5降解和將某些轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄激活活性轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)錄抑制活性，來(lái)抑制植物的溫度形態(tài)建成[7]。

1.2 phyB對(duì)溫度的應(yīng)答 與光類(lèi)似，溫度也能夠使phyB在Pfr和Pr之間進(jìn)行可逆轉(zhuǎn)換，這說(shuō)明phyB具有響應(yīng)溫度的能力[7-8]。溫度的提升能夠使phyB由生理活性狀態(tài)Pfr轉(zhuǎn)變?yōu)榉巧砘钚誀顟B(tài)Pr，并且這種轉(zhuǎn)化既可以在黑暗中進(jìn)行，也可以在光照下進(jìn)行[7-8]。雖然溫度提升和光照對(duì)phyB存在狀態(tài)的影響是相反的，但是在光照條件下溫度提升依然能夠?qū)fr轉(zhuǎn)變?yōu)镻r[8]。

綜上所述，溫度受體phyB執(zhí)行功能的分子機(jī)制可能如下：溫度降低時(shí)，phyB由鈍化狀態(tài)Pr向活性狀態(tài)Pfr轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)錄因子PIF4/5的招募作用下結(jié)合到高溫誘導(dǎo)基因的啟動(dòng)子區(qū)，并發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用，植物的溫度形態(tài)建成受到抑制;溫度升高時(shí)，phyB由活性狀態(tài)Pfr向鈍化狀態(tài)Pr轉(zhuǎn)化，并從高溫誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子區(qū)脫落，phyB介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制減弱，從而促進(jìn)植物的溫度形態(tài)建成。

2 COP1與溫度形態(tài)建成

2.1 COP1參與調(diào)控溫度形態(tài)建成 COP1是一種非常重要的光形態(tài)建成負(fù)向調(diào)控因子，處于擬南芥光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的中心位置，具有誘導(dǎo)光形態(tài)建成正向調(diào)控因子降解的功能。研究發(fā)現(xiàn)COP1突變體cop1-4喪失了高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)，這說(shuō)明COP1溫度形態(tài)建成中的正向調(diào)控因子[9]。為了解析COP1在溫度形態(tài)建成中是如何發(fā)揮作用的，應(yīng)研究COP1是如何響應(yīng)溫度變化的，以及響應(yīng)溫度變化以后COP1是如何將溫度信號(hào)向下游傳遞的。

2.2 COP1對(duì)溫度變化的應(yīng)答 COP1的基因表達(dá)和蛋白質(zhì)豐度都不受溫度變化的影響[9]。但是前人的研究表明，多種環(huán)境條件的變化能夠改變COP1的核質(zhì)分布[10-11]。溫度也通過(guò)這種方式對(duì)COP1施加影響，即高溫能夠促進(jìn)COP1的入核，提高COP1在細(xì)胞核中的豐度[9]。轉(zhuǎn)錄因子HY5是COP1的底物，而且也在溫度形態(tài)建成中發(fā)揮著重要作用[12]。所以在溫度形態(tài)建成過(guò)程中，HY5很有可能也是COP1的底物。研究表明，溫度升高加快了HY5的降解，并且此過(guò)程受到COP1的調(diào)控[12]。此外，COP1入核后還能促進(jìn)另外一種溫度形態(tài)建成調(diào)控因子PIF4的積累，使PIF4蛋白質(zhì)更加穩(wěn)定[13]，但是精確的分子機(jī)制目前尚不清楚。

綜上所述，COP1執(zhí)行功能的分子機(jī)制可能如下：溫度升高時(shí)細(xì)胞質(zhì)中的COP1向細(xì)胞核中轉(zhuǎn)移，細(xì)胞核中的COP1豐度上升，這樣COP1在核中降解HY5蛋白以及促進(jìn)PIF4蛋白積累的能力和強(qiáng)度得到了提升，從而促進(jìn)了溫度形態(tài)建成的進(jìn)行。

3 PIF4與溫度形態(tài)建成

3.1 PIF4參與調(diào)控溫度形態(tài)建成 PHYTOCHROME-INTERACTI-NG FACTORs（PIFs）是光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的負(fù)向調(diào)控因子，定位于細(xì)胞核，是一種bHLH轉(zhuǎn)錄因子，在黑暗中抑制光形態(tài)建成。目前發(fā)現(xiàn)的PIF共有6個(gè)，分別為PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF6、PIF7。在這6種PIFs轉(zhuǎn)錄因子中，PIF4和PIF5參與了溫度形態(tài)建成，并且互為冗余基因，其中PIF4占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位并執(zhí)行主要功能[13]。PIF4是溫度形態(tài)建成中的正向調(diào)控因子，pif4突變體不具備野生型高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)表型[13]。

3.2 PIF4通過(guò)調(diào)控植物激素來(lái)發(fā)揮功能 PIF4在溫度信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑途徑中的靶標(biāo)主要是植物激素合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因[3]。生長(zhǎng)素和生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是PIF4介導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)溫度形態(tài)建成現(xiàn)象的必要組成部分[6，14-16]。當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，擬南芥地上部分的自由生長(zhǎng)素水平上升[6，14-15]。研究表明，這種上升可能是溫度升高促進(jìn)了PIF4與靶標(biāo)啟動(dòng)子的結(jié)合，從而提高了生長(zhǎng)素合成基因的表達(dá)量，這些基因包括YUCCA 8 （YUC8）、CYTOCHROME P450 FAMILY79B （CYP79B）和TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS 1 （TAA1）[14-15]。與此研究結(jié)果相對(duì)應(yīng)，pif4突變體的自由生長(zhǎng)素水平并未隨著環(huán)境溫度的升高而升高[6，14-15]。

除了生長(zhǎng)素，油菜素內(nèi)脂（brassinosteroids，BR）和赤霉素（gibberellins，GA）也在高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)中發(fā)揮重要的功能[6，13，16-21]。例如，BR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的轉(zhuǎn)錄因子BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）通過(guò)與PIF4的直接相互作用參與了高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[17]。而且，BR生物合成突變體det2-1展現(xiàn)出了溫度形態(tài)建成應(yīng)答缺失的表型[6]，抑制BR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的藥物處理也能夠抑制溫度形態(tài)建成反應(yīng)[16]。前人的研究表明，IAA與BR在分子層面協(xié)同發(fā)揮功能，這一模式在溫度形態(tài)建成中也有所體現(xiàn)。被高度激活的BR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，可以使幼苗對(duì)高溫誘導(dǎo)的生長(zhǎng)素水平提升更加敏感[16]，這種現(xiàn)象可能是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錄因子活性的調(diào)控實(shí)現(xiàn)的[22]。

在光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，GA的存在導(dǎo)致抑制PIF活性的DELLA蛋白降解[23-24]。溫度的升高會(huì)使擬南芥中主要的GA生物合成基因AtGA20ox1 和AtGA3ox1轉(zhuǎn)錄本豐度快速上升，會(huì)使主要的GA分解基因 AtGA2ox1轉(zhuǎn)錄本豐度快速下降[16]。而且，GA生物合成途徑及GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的突變體都出現(xiàn)了溫度形態(tài)建成反應(yīng)異常的現(xiàn)象[16]。這些結(jié)果說(shuō)明，GA生物合成途徑和GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑都是溫度形態(tài)建成反應(yīng)正常進(jìn)行所必需的。

4 溫度形態(tài)建成研究領(lǐng)域有待解決的問(wèn)題

目前，距離完全解析溫度形態(tài)建成調(diào)控機(jī)制還有一段距離，這一領(lǐng)域仍有很多懸而未決的問(wèn)題有待解決。

第一，溫度形態(tài)建成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中很可能還有許多仍未被發(fā)現(xiàn)的調(diào)控因子。溫度形態(tài)建成過(guò)程中依然有很多尚未被闡明分子機(jī)理的生理現(xiàn)象，使用目前已發(fā)現(xiàn)的調(diào)控因子無(wú)法給出滿意的解釋。這就需要我們?nèi)ふ倚碌恼{(diào)控因子來(lái)填補(bǔ)這些空白。

第二，已被鑒定的溫度形態(tài)建成調(diào)控因子之間的關(guān)系還有待研究。例如，PIF4與溫度受體phyB的關(guān)系已被初步闡明[7]，但是溫度信號(hào)是如何傳遞到COP1的目前還不清楚。在光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中多種光受體能夠?qū)⒐庑盘?hào)傳遞給COP1，可以根據(jù)此思路來(lái)尋找這一問(wèn)題的答案。

第三，與溫度形態(tài)建成相互沖突的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是如何與其整合在一起的。以溫度形態(tài)建成和光形態(tài)建成為例，在29 ℃光照條件下擬南芥進(jìn)行溫度形態(tài)建成，下胚軸伸長(zhǎng)被促進(jìn);同時(shí)，還要進(jìn)行光形態(tài)建成，下胚軸伸長(zhǎng)被抑制。這2種形態(tài)建成策略就出現(xiàn)了矛盾，會(huì)給植物發(fā)出完全相反的調(diào)控信號(hào)。該研究所闡述的phyB、COP1、PIF4和HY5就都是被溫光信號(hào)互逆調(diào)控的重要因子。在短日照培養(yǎng)條件下，植物一般會(huì)避開(kāi)光照在黑暗中進(jìn)行下胚軸的生長(zhǎng)，以此方式解決這一矛盾。在持續(xù)光照培養(yǎng)條件下，如果光強(qiáng)較低擬南芥還能夠促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng);如果光強(qiáng)較高則基本不能促進(jìn)下胚軸的伸長(zhǎng)。雖然科學(xué)家們對(duì)這一現(xiàn)象已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究，但是對(duì)于植物解決這種矛盾的分子機(jī)制目前還不太清楚。

研究溫度形態(tài)建成的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路既有重要的理論意義，也有重大的應(yīng)用潛力。因此，深入解析溫度形態(tài)建成的分子機(jī)制將會(huì)得到越來(lái)越多科學(xué)家的關(guān)注，并且其重要性也會(huì)穩(wěn)步上升。

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