轉(zhuǎn)錄因子MYCs調(diào)控番茄表皮毛萜類化合物的分子機(jī)制研究進(jìn)展

余 蘭，王浩然，張 瑩，邢紅運(yùn)，丁 琪，趙寶珍，崔 娜,2

（1沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，沈陽 110866；2沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110866）

0 引言

表皮毛是植物表面的毛狀突起結(jié)構(gòu)[1]，長(zhǎng)度由幾微米到幾厘米不等，廣泛分布于植物的地上部分，如莖、葉柄、葉片、萼片等表面[2]。研究表明不同物種間表皮毛的形態(tài)、密度和功能都存在顯著差異[3]，且在同一植物的不同發(fā)育時(shí)期，表皮毛的發(fā)生與分布也受到嚴(yán)格的時(shí)空調(diào)控。比如黃時(shí)鐘花不同生長(zhǎng)階段其表皮毛密度不一樣，幼苗生長(zhǎng)期、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期、生殖生長(zhǎng)期表皮毛密度逐漸增加[4]。盡管表皮毛在不同物種間和同一植株的不同時(shí)期的分布和類型有差異，但其作為植物與外界接觸的第一道關(guān)鍵化學(xué)與物理屏障可保護(hù)植物免受外界各種生物脅迫（防御食草動(dòng)物、寄生蟲、真菌感染）[5-10]和非生物脅迫（抗旱保水、抗寒、抗強(qiáng)光輻射）[11-13]。例如對(duì)樺樹的研究發(fā)現(xiàn)，霜凍誘導(dǎo)樺樹表皮毛密度迅速增加，從而增加其對(duì)低溫的適應(yīng)性[14]。研究表皮毛與害蟲之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，以十字花科為食的甲蟲幼蟲在表皮毛密度大的擬南芥葉片上生長(zhǎng)較慢，產(chǎn)卵能力低[15]。這些均說明表皮毛在植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演著重要角色。

研究指出表皮毛由一個(gè)或多個(gè)特化的表皮細(xì)胞發(fā)育形成，根據(jù)成熟表皮毛組成細(xì)胞數(shù)可分為單細(xì)胞表皮毛和多細(xì)胞表皮毛[1]。單細(xì)胞表皮毛為無腺體表皮毛（非腺毛），其表面多有分支；而多細(xì)胞表皮毛可分為無腺體毛和有腺體毛（腺毛），其中腺毛又分為多腺體毛和單腺體毛[16]。

擬南芥表皮毛是典型單細(xì)胞表皮毛的代表，近幾年來其生長(zhǎng)發(fā)育分子調(diào)控機(jī)制已經(jīng)闡述的較為清楚。擬南芥表皮毛生長(zhǎng)發(fā)育主要由WD40-bHLH-MYB復(fù)合體控制，其途徑在單細(xì)胞表皮毛發(fā)育調(diào)控中保守。這種復(fù)合物由3種不同類型的轉(zhuǎn)錄因子組成，R2R3-MYB轉(zhuǎn)錄因子GL1、bHLH蛋白GL3及EGL3、WD40蛋白TTG1[17-19]。當(dāng)形成WD40-bHLH-MYB活性復(fù)合物時(shí)，誘導(dǎo)GL2和細(xì)胞周期相關(guān)基因SIAMESE表達(dá)進(jìn)而激活表皮毛的分化[20-22]。而當(dāng)幾個(gè)R3類MYB轉(zhuǎn)錄因子TRY、CPC、ETC1、TCL與GL1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合W40-bHLH時(shí)，WD40-bHLH-MYB復(fù)合物失活并積累，進(jìn)而抑制表皮毛的形成[18,22-23]。此外，植物激素，如赤霉素、細(xì)胞分裂素和茉莉酸等在擬南芥表皮毛的形成和發(fā)育中也發(fā)揮重要作用[24]。除單細(xì)胞表皮毛外，絕大多數(shù)陸生植物的表皮毛為多細(xì)胞表皮毛，如番茄、煙草、矮牽牛。研究表明WD40-bHLH-MYB復(fù)合物基因在番茄、煙草和矮牽牛中異位表達(dá)不能減少或增加表皮毛的形成，這表明多細(xì)胞表皮毛的形成可能與單細(xì)胞表皮毛的調(diào)控途徑不同[25-28]。

番茄(Solanumlycopersicum)是重要的蔬菜作物，表皮毛是典型的多細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其表皮毛形態(tài)各異且種類豐富，目前已成為研究多細(xì)胞表皮毛發(fā)生機(jī)理的重要模式植物[19,29]。番茄表皮毛分為非腺毛與腺毛，非腺毛可以為植株提供強(qiáng)有力的物理防御，而腺毛則可通過分泌強(qiáng)毒性次生代謝物質(zhì)，如蛋白酶抑制劑、?；恰⑤祁惡蜕飰A等抵御生物和非生物脅迫[6,8-9,11,13,30]。研究表明番茄表皮毛主要受HD-Zip第Ⅳ亞族、C2H2、R2R3-MYB、bHLH等基因家族轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控[31]。屬于R2R3-MYB亞家族的SlMX1下調(diào)降低番茄腺毛的密度，過表達(dá)密度則增加[32]。此外HD-ZIPIV轉(zhuǎn)錄因子woolly(Wo)，可增強(qiáng)I型表皮毛的起始，Wo顯性突變體植株的I型表皮毛密度增加，而沉默株系表皮毛的密度顯著降低[33]。番茄表皮毛除受多種轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控外，還受JA、IAA、GA植物激素信號(hào)的調(diào)控[34-36]。其中特別是茉莉酸(JA)信號(hào)可誘導(dǎo)腺毛的起始，尤其是表皮毛次生代謝物質(zhì)萜類的分泌也受到JA信號(hào)途徑的調(diào)控[37]。雖JA信號(hào)可誘導(dǎo)表皮毛的生長(zhǎng)發(fā)育，但其詳細(xì)的分子調(diào)控機(jī)制仍待深入解析。因此本文綜述了JA信號(hào)通路對(duì)番茄表皮毛次生代謝物質(zhì)萜類調(diào)控的分子機(jī)理，為進(jìn)一步探明番茄表皮毛腺體分泌機(jī)制奠定基礎(chǔ)，對(duì)探究植物防御反應(yīng)有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 番茄表皮毛內(nèi)含物的種類

番茄的表皮毛有兩大類8種類型，分為腺體型表皮毛（腺毛，Ⅰ型、Ⅳ型、Ⅵ型和VII型）和非腺體型表皮毛（非腺毛，II型、III型、V型和VIII型）[38]。不同種番茄具有的表皮毛類型不同，其中普通栽培型番茄(Solanumlycopersicum)主要有Ⅰ、III、V、VI、VII、VIII型等6種類型，多毛番茄(S.hirsutum)則有I、III、IV、V、VI、VII等6種類型[38-41]。

作為番茄植株與外界接觸的第一道關(guān)鍵屏障，表皮毛可以感受外界環(huán)境的細(xì)微壓力并誘導(dǎo)一系列防御反應(yīng)[42-44]。目前研究較多的是腺毛的物質(zhì)代謝在番茄抵抗生物脅迫方面發(fā)揮的作用。I型和IV型表皮毛是酰基糖的來源[45]。VI型表皮毛可產(chǎn)生萜類化合物、黃酮類化合物和甲基酮類化合物，并將產(chǎn)物儲(chǔ)存在中間細(xì)胞和莖頂頭部4個(gè)腺體細(xì)胞的蠟質(zhì)角質(zhì)層下的空腔[8,31,46-47]。在野生番茄中，VI型腺體毛能產(chǎn)生大量的揮發(fā)性單萜和倍半萜，而在栽培番茄中的VI型表皮毛主要積累單萜類[48]。值得注意的是，番茄中的揮發(fā)性萜類，代表最大和最多樣化的植物揮發(fā)性代謝物，對(duì)植物的防御反應(yīng)有極大貢獻(xiàn)，如：對(duì)草食動(dòng)物具有驅(qū)避性或毒性、可吸引攻擊昆蟲的食肉動(dòng)物或寄生蟲等[49]。

有研究指出，番茄葉片的表皮毛內(nèi)有揮發(fā)性內(nèi)含物單萜11種，倍半萜2種；莖表皮毛中含有單萜10種，倍半萜2種。葉片和莖中共有的單萜類有6種，倍半萜類1種[50]（見表1）。所以葉和莖的防御機(jī)制可能存在差異。

表1 番茄葉片和莖部表皮毛內(nèi)揮發(fā)性萜類物質(zhì)的種類

2 MYCs調(diào)節(jié)番茄表皮毛萜類化合物分泌的機(jī)制

植物激素茉莉酸是植物應(yīng)對(duì)非生物（臭氧暴露、物理損傷、缺水）和生物脅迫（病原體和害蟲攻擊）的中樞調(diào)節(jié)因子[51-53]。JA信號(hào)核心激活組分為basic helixloop-helix(bHLH)IIIe亞家族轉(zhuǎn)錄因子MYCs[54-58]，阻遏子則為Jasmonate ZIM結(jié)構(gòu)域蛋白JAZs[59-62]。

近期有研究表明，JA信號(hào)作為番茄表皮毛的正向調(diào)節(jié)途徑，對(duì)表皮毛腺體內(nèi)次生代謝物的積累及相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活都有促進(jìn)作用[63-67]。當(dāng)外施MeJA后，VI型表皮毛數(shù)量顯著增加以及掌控VI型表皮毛化感物質(zhì)合成的萜烯合成酶(SlTPSs)的轉(zhuǎn)錄被激活[56]。與之相反，在JA水平降低或JA受體突變體和JA生物合成突變體中，SlTPSs基因的表達(dá)量顯著下調(diào)[68-71]。在JA誘導(dǎo)后，JA響應(yīng)性標(biāo)記基因Jasmonate-inducible protein-21在莖葉表皮毛中高表達(dá)。很顯然，JA及其衍生物在調(diào)節(jié)VI型腺毛的發(fā)育和內(nèi)含物積累中起著重要的作用。

2.1 SlMYC1對(duì)番茄表皮毛萜類化合物的調(diào)控

SlMYC1作為響應(yīng)JA信號(hào)的轉(zhuǎn)錄因子，對(duì)番茄IV、VII型表皮毛尤其是VI型表皮毛發(fā)育起到了至關(guān)重要的作用[56]。當(dāng)SlMYC1突變后，番茄莖葉IV型和VII型表皮毛數(shù)量顯著升高，VI型表皮毛缺失。而SlMYC1沉默后則不影響莖葉IV型與VII型表皮毛的形態(tài)和數(shù)量，但對(duì)VI型腺毛形態(tài)有顯著影響，如腺體莖縮短、腺體直徑變小、不規(guī)則分裂生成5球，并且VI型表皮毛中β-caryophyllene和α-humulene顯著下降。

SlMYC1對(duì)表皮毛的次級(jí)代謝產(chǎn)物積累和其生物合成基因SlTPSs的轉(zhuǎn)錄激活起至關(guān)重要的作用[56]。SlMYC1通過激活莖中單萜合成酶基因(Monoterpene synthase genes，SlTPS3、SlTPS5、SlTPS20、SlTPS39)和倍半萜合成酶基因(Sesquisterpen Esesquiterpene synthase genes，SlTPS9、SlTPS17、SlTPS31)的轉(zhuǎn)錄和葉中SlTPS5、SlTPS9、SlTPS20的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)莖表皮毛中α-pinene、2-carene、α-phellandrene、α-terpinene、ρcymene、β-ocimene、γ-terpinene、terpinolene、βphellandrene、D-limonene和葉表皮毛中α-pinene、2-carene、α-phellandrene、α-terpinene、β-ocimene、βcaryophyllene和α-humulene的積累。同時(shí)，SlMYC1通過抑制莖表皮毛中β-caryophyllene/α-humulene倍半萜合成酶基因SlTPS12轉(zhuǎn)錄進(jìn)而抑制β-caryophyllene和α-humulene在莖表皮毛中積累。與之相反，SlMYC1則激活葉中SlTPS12的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而促進(jìn)βcaryophyllene和α-humulene在葉中積累。值得注意的是，β-caryophyllene和α-humulene通常產(chǎn)自葉表皮毛，而不是莖表皮毛[52]，這與SlMYC1抑制莖中SlTPS12轉(zhuǎn)錄并激活葉中SlTPS12轉(zhuǎn)錄結(jié)果一致[47]。

在JA誘導(dǎo)后，SlMYC1基因沉默后植株莖的VI型腺毛被誘導(dǎo)增加。但SlMYC1突變后，JA處理無法誘導(dǎo)SlTPS5和SlTPS3的表達(dá)且無法恢復(fù)VI型表皮毛缺失的表型。這說明JA信號(hào)是通過SlMYC1調(diào)節(jié)番茄表皮毛的發(fā)育。SlMYC1的過表達(dá)未改變?nèi)~片VI型腺毛的形態(tài)，這表明SlMYC1是通過蛋白功能（激活靶基因轉(zhuǎn)錄）來促進(jìn)番茄IV、VI、VII型表皮毛的生成和內(nèi)含物萜類的積累。

2.2 SlMYC2對(duì)番茄表皮毛萜類化含物的調(diào)控

同屬bHLH IIIe轉(zhuǎn)錄因子SlMYC2也是表皮毛發(fā)育的重要組分，如VI型腺毛。當(dāng)SlMYC2突變后，VI型腺毛顯著減少，但SlMYC2過表達(dá)卻不能促進(jìn)SlTPSs的表達(dá)和VI型表皮毛發(fā)生[56]。此外，SlMYC2調(diào)控的JA合成基因TomLoxD突變后，番茄葉上的I型和VI型表皮毛密度顯著下降，同時(shí)葉上的VI型表皮毛內(nèi)的單萜類（α-pinene、α-myrecene、2-carene、αphellandrene、α-phellandrene和limonene）和倍半萜（αelemene、α-caryophyllene和α-humulene）顯著減少[56]。由此表明，SlMYC1/2轉(zhuǎn)錄后翻譯修飾的蛋白能正常行使功能才是JA信號(hào)調(diào)節(jié)表皮毛發(fā)育的關(guān)鍵，而不是簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)錄水平積累（調(diào)控機(jī)制模式圖見圖1）。

圖1 SlMYC1/2對(duì)番茄表皮毛萜類化含物調(diào)控機(jī)制的模式圖

3 展望

表皮毛是陸生植物表面廣泛存在的一種結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同分類方式可分為不同的類別。其中具有分泌功能的腺毛是比較特殊且重要的表皮毛，不僅起物理防御作用，還能通過腺體分泌次生代謝物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)防御，此外一些植物腺毛分泌物還有重要的藥用價(jià)值，比如青蒿的表皮毛可以分泌青蒿素用于治療瘧疾[72]。因此對(duì)腺毛的研究尤為重要。但就近年的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多細(xì)胞表皮毛的研究還不夠深入，主要存在以下不清晰的地方。

（1）研究提出JA信號(hào)可以通過SlMYC1和SlMYC2協(xié)同調(diào)節(jié)SGAs的轉(zhuǎn)錄激活，證明SlMYC1和SlMYC2存在著功能重疊[73]，但JA信號(hào)是否通過SlMYC1和SlMYC2協(xié)同激活表皮毛發(fā)生基因，進(jìn)而調(diào)控表皮毛內(nèi)含物的分泌，尤其是萜類內(nèi)含物的分泌和積累，仍有待深入研究。

（2）分泌型表皮毛腺毛在不同類型表皮毛中占據(jù)重要地位，但目前研究認(rèn)為除了SlMYC1只調(diào)控腺毛的生長(zhǎng)發(fā)育外，其余調(diào)控因子影響多細(xì)胞表毛外還會(huì)影響單細(xì)胞表皮毛，因此特異影響多細(xì)胞表皮毛的調(diào)控因子還有待進(jìn)一步探索。

（3）雖然近年來對(duì)多細(xì)胞表皮毛的調(diào)控機(jī)制研究有很多突破，但主要集中在番茄及青蒿上，且還有很多機(jī)制未形成完整的網(wǎng)絡(luò)，所以后期研究可以覆蓋不同的物種多方面探索多細(xì)胞表皮毛的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

（4）表皮毛可保護(hù)植物免受生物與非生物脅迫的影響，但就表皮毛與脅迫之間的關(guān)系研究不夠，表皮毛與脅迫之間關(guān)系的探究對(duì)于選種育種具有重要價(jià)值。