光敏色素互作因子參與生長(zhǎng)素調(diào)控的植物生長(zhǎng)發(fā)育

錢靜潔 林蘇夢(mèng) 張冬平 高勇

（揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州225009）

光是植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵的環(huán)境因素，一方面為植物提供能量；另一方面作為一種信號(hào)，被植物感知并進(jìn)行信號(hào)傳遞。為了能夠更好地感知光信號(hào)，植物進(jìn)化出了感知光的受體蛋白——光受體（photoreceptor）［1］。 光 敏 色 素（phytochromes，PHYS）是紅光和遠(yuǎn)紅光受體，在紅光條件下，從非活性形式（Pr）轉(zhuǎn)化為活性形式（Pfr），進(jìn)入細(xì)胞核并調(diào)控下游基因轉(zhuǎn)錄，在遠(yuǎn)紅光條件下，可緩慢從Pfr轉(zhuǎn)化為Pr，在細(xì)胞質(zhì)中積累。光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factor，PIF）屬于轉(zhuǎn)錄因子堿性螺旋-環(huán)-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）家族中第15亞家族，是光敏色素下游的轉(zhuǎn)錄因子，能在細(xì)胞核內(nèi)與活性形式的光敏色素相互作用并被降解［2-3］。

PIFs作為胞內(nèi)信號(hào)的“樞紐”［4］，參與環(huán)境信號(hào)和植物激素信號(hào)傳導(dǎo)，調(diào)控種子萌發(fā)、下胚軸伸長(zhǎng)、光/暗形態(tài)建成和避蔭反應(yīng)等過(guò)程［5］。生長(zhǎng)素是一種植物激素，參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)階段，促進(jìn)莖伸長(zhǎng)、葉片伸展，以及高溫條件下生長(zhǎng)所需的細(xì)胞伸長(zhǎng)，并抑制側(cè)芽的生長(zhǎng)，促進(jìn)側(cè)根的形成。研究發(fā)現(xiàn)PIFs能夠參與生長(zhǎng)素的合成、運(yùn)輸以及信號(hào)通路調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育。

1 光敏色素互作因子調(diào)控生長(zhǎng)素合成

吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）是一種天然的生長(zhǎng)素，由色氨酸（Trp）依賴途徑和色氨酸非依賴途徑共同合成［6-8］。吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvic acid，IPyA）途徑是色氨酸依賴途徑中的主要生長(zhǎng)素合成路徑。在IPyA途徑中，Trp首先被色氨酸轉(zhuǎn)氨酶家族基因（tryptophan aminotransferase of Arabidopsis，TAA）催化為IPyA［9-10］，然后通過(guò)限速酶 YUCCA（YUC）將 IPyA 催化為 IAA［11-12］。PIFs主要通過(guò)調(diào)控IPyA途徑影響生長(zhǎng)素的合成。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅光/遠(yuǎn)紅光比值較低和高溫時(shí)，PIF4積累，促進(jìn)TAA1表達(dá)，將Trp催化形成IPyA，提高IPyA的含量，從而促進(jìn)生長(zhǎng)素的合成。PIF4、PIF5和PIF7也會(huì)直接調(diào)控YUC8、YUC9等基因的表達(dá)，將IPyA催化為IAA，促進(jìn)生長(zhǎng)素合成（圖1-A）［13-15］。最新研究發(fā)現(xiàn)，除了YUC對(duì)IPyA進(jìn)行調(diào)控外，一種尿苷二磷酸-糖基轉(zhuǎn)移酶（uridine diphosphateglycosyltransferases，UDP-GTs）UGT76F1 也會(huì)對(duì) IPyA產(chǎn)生影響，促進(jìn)IPyA糖基化形成IPyA-葡萄糖結(jié)合物IPyA-Glc，拮抗YUC催化IPyA形成IAA來(lái)控制內(nèi)源生長(zhǎng)素水平，參與生長(zhǎng)素動(dòng)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)UGT76F1的轉(zhuǎn)錄受到光信號(hào)的調(diào)控，在pif4突變體中，UGT76F1表達(dá)量上調(diào)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，PIF4直接與UGT76F1啟動(dòng)子結(jié)合負(fù)調(diào)控UGT76F1轉(zhuǎn)錄，影響生長(zhǎng)素的合成（圖1-A）［16-17］。在高溫條件下，PIF4也會(huì)調(diào)控色氨酸依賴途徑中的另一條生長(zhǎng)素合成途徑——色胺（tryptamine，TAM）途徑。PIF4促進(jìn)色胺途徑中的催化酶基因CYP79B2表達(dá)，將色氨酸催化形成吲哚-3-乙醛肟（indole-3-acetaldoxime，IAOx），促進(jìn)生長(zhǎng)素的合成（圖1-A）［13］。研究發(fā)現(xiàn)低比例紅光/遠(yuǎn)紅光和高溫使PIFs積累，促進(jìn)生長(zhǎng)素合成，導(dǎo)致植物下胚軸伸長(zhǎng)，與之相反，紫外光能通過(guò)降低PIFs的蛋白含量，抑制生長(zhǎng)素的合成，使植株下胚軸伸長(zhǎng)減弱。在紫外線B（UVB）輻射下，UV-8抑制PIFs表達(dá)，拮抗在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光下導(dǎo)致的下胚軸伸長(zhǎng)。紫外光受體UVR8（UV resistance locus 8）會(huì)被UV-8激活，與組成型光形態(tài)建成蛋白1（constitutive photomorphogenic 1，COP1）相互作用，上調(diào)光形態(tài)建成正調(diào)控因子HY5（LONG HYPOCOTYL 5）及其同源物HYH（HY5 HOMOLOG）的轉(zhuǎn)錄，抑制赤霉素（gibberellins，GAs）的合成，導(dǎo)致DELLA蛋白的濃度升高，進(jìn)一步抑制PIF4和PIF5的表達(dá)，從而抑制生長(zhǎng)素的合成。同時(shí)，UVR8也會(huì)直接與PIF4和PIF5結(jié)合，抑制生長(zhǎng)素的合成，下胚軸伸長(zhǎng)減弱（圖1-B）［18-19］。

2 光敏色素互作因子調(diào)控生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)

生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸（polar transport，PAT）是植物光受體傳遞信息所必需的［20］。在PAT中，生長(zhǎng)素可以質(zhì)子化后被動(dòng)內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞，或通過(guò)生長(zhǎng)素內(nèi)輸載體AUX/LAX（AUXIN1/LIKE AUX1）內(nèi)流進(jìn)入細(xì)胞［21］，并通過(guò)極性定位的外輸載體PIN（PIN-formed）運(yùn)輸?shù)较噜徏?xì)胞［22-23］。生長(zhǎng)素通過(guò)PIN進(jìn)行的極性運(yùn)輸是光受體介導(dǎo)的生長(zhǎng)反應(yīng)必不可少的，包括下胚軸伸長(zhǎng)、頂端彎曲等。研究發(fā)現(xiàn)，PIF7在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光時(shí)積累，促進(jìn)PIN3和PIN4的表達(dá)，將子葉中的生長(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)较屡咻S，促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)（圖1-C）［24］。PIFs不僅在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光下調(diào)控生長(zhǎng)素運(yùn)輸，在高溫下也被調(diào)控。在高溫下，PIF4積累，提高葉片中的生長(zhǎng)素濃度，并將生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)至葉柄，隨后PIN3將葉柄中生長(zhǎng)素運(yùn)輸至表皮。同時(shí)PIF4也會(huì)激活蛋白激酶PID（PINOID）的基因的表達(dá)，增強(qiáng)PIN3磷酸化，使PIN3定位在細(xì)胞外膜上，促進(jìn)生長(zhǎng)素流向靶組織（圖1-E）［25］。

3 光敏色素互作因子調(diào)控生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

生長(zhǎng)素抑制因子生長(zhǎng)素/吲哚乙酸（AUX/IAA）與生長(zhǎng)素響應(yīng)因子（auxin response factor，ARF）是生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中關(guān)鍵的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，AUX/IAA能與ARF結(jié)合，并抑制ARF活性，進(jìn)一步抑制生長(zhǎng)素下游基因的轉(zhuǎn)錄［26］。PIFs通過(guò)調(diào)控AUX/IAA以及ARF的表達(dá)參與生長(zhǎng)素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。低比例紅光/遠(yuǎn)紅光時(shí)，PIF4在下胚軸組織表皮中積累。PIF4的積累激活了AUX/IAA家族基因IAA19、IAA29等的表達(dá)，IAA19和IAA29的表達(dá)抑制生長(zhǎng)抑制因子IAA17和 ARF6的表達(dá)，促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)［27］。PIF4也會(huì)抑制生長(zhǎng)素響應(yīng)抑制因子AFR18的表達(dá)，從而增強(qiáng)下胚軸的伸長(zhǎng)（圖1-B）［28］。最新的研究發(fā)現(xiàn)，IAA3會(huì)與PIF4相互作用，抑制PIF4與下游基因的結(jié)合，抑制下胚軸的伸長(zhǎng)（圖1-B）［29］。研究還發(fā)現(xiàn)，在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光時(shí)，bHLH家族中的轉(zhuǎn)錄因子，如HFR1（long hypocotyl in far-red）和PARs（phytochrome rapidly regulated）等作為避蔭反應(yīng)中的負(fù)調(diào)控因子，會(huì)與PIFs形成異源二聚體，減少PIFs與生長(zhǎng)素相關(guān)基因啟動(dòng)子的結(jié)合，抑制下胚軸的伸長(zhǎng)（圖1-C）［30］。

圖1 光敏色素互作因子參與生長(zhǎng)素的合成、運(yùn)輸和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育Fig.1 PIFs participate in auxin synthesis，transport and signaling to regulate plant growth and development

PIFs不僅在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光下調(diào)控生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，在藍(lán)光和高溫下也會(huì)對(duì)生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下，PIF4積累并促進(jìn)生長(zhǎng)素合成，提高生長(zhǎng)素濃度，生長(zhǎng)素濃度提高會(huì)促進(jìn)生長(zhǎng)素上調(diào)小RNA（small auxin upregulated RNA，SAUR）家族中的SAUR19表達(dá)，使下胚軸伸長(zhǎng)（圖1-E）［13］。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，PIFs能夠直接調(diào)控SAURs的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物lirSAUR，并使其在子葉和下胚軸中差異表達(dá)，影響植物不同部位的生長(zhǎng)。在光照條件下，PIFs被降解，釋放被其抑制的lirSAUR，使lirSAUR轉(zhuǎn)錄積累，促進(jìn)子葉擴(kuò)展。而在下胚軸中，PIFs降解，游離的生長(zhǎng)素降低，抑制lirSAUR的表達(dá)，因此下胚軸伸長(zhǎng)減緩（圖1-F）［31］。研究還發(fā)現(xiàn)，在藍(lán)光下CRY1通過(guò)調(diào)控PIF4的表達(dá)拮抗高溫導(dǎo)致的下胚軸伸長(zhǎng)。CRY1能夠直接與PIF4相互作用，抑制PIF4的表達(dá)，同時(shí)CRY1也可以與COP1相互作用，使PIFs抑制因子HFR1的蛋白保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，抑制PIF4表達(dá)，從而影響IAA19、IAA29、YUC8等基因的轉(zhuǎn)錄（圖1-D），抑制下胚軸伸長(zhǎng)［32-33］。

生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)也能受到PIFs和其他激素的協(xié)同調(diào)控。在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光和高溫條件下，生長(zhǎng)素濃度會(huì)迅速增加。然而，生長(zhǎng)素濃度迅速增加影響生長(zhǎng)素響應(yīng)通常是短暫的，很快會(huì)消失［24，27，34］。因此，需要提高生長(zhǎng)素的敏感性，以便在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光中維持較長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)素信號(hào)。在低比例紅光/遠(yuǎn)紅光下，赤霉素合成基因GA20氧化酶（GA-20 oxidase，GA20ox）和GA3氧化酶（GA-3 oxidase，GA3ox）的催化能力增強(qiáng)，促進(jìn)GA的合成［34-36］，GA濃度的增加導(dǎo)致DELLA蛋白的降解。DELLA蛋白是一種轉(zhuǎn)錄阻遏因子，可以抑制許多轉(zhuǎn)錄因子的活性，包括油菜素內(nèi)酯（brassinosteroid，BR）反應(yīng)生長(zhǎng)促進(jìn)劑BZR1（brassinazole-resistant 1）及其同源基因 BES1（bri1-ems-suppressor 1）、ARF和PIFs等［37-40］。這些轉(zhuǎn)錄因子與DELLA抑制子一起構(gòu)成BZR-ARF-PIF/DELLA（BAP/D）蛋白復(fù)合體。BZR1/ARF6/PIF4通過(guò)誘導(dǎo)許多共同的靶基因來(lái)刺激細(xì)胞生長(zhǎng)，并且它們相互作用增強(qiáng)了彼此在這些靶基因上的活性，提高了生長(zhǎng)素的敏感性，影響植物生長(zhǎng)發(fā)育（圖1-C）［40-41］。

4 展望

PIFs能夠調(diào)控種子萌發(fā)、光形態(tài)建成和避蔭反應(yīng)等生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，在植物整個(gè)生長(zhǎng)周期中發(fā)揮作用。PIFs通過(guò)參與生長(zhǎng)素的合成、運(yùn)輸和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，將光信號(hào)和生長(zhǎng)素信號(hào)串聯(lián)起來(lái)。由于PIFs家族基因的多樣性，使得解析PIFs調(diào)控生長(zhǎng)素的機(jī)制變得復(fù)雜。目前，PIFs調(diào)控生長(zhǎng)素的研究主要集中在擬南芥PIF4、PIF5和PIF7中，對(duì)PIF1、PIF2、PIF3和PIF6的研究較少，因此，開展擬南芥其他PIFs的研究可以完善PIFs家族與生長(zhǎng)素之間的調(diào)控關(guān)系，使調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更加完整。同時(shí)PIFs調(diào)控生長(zhǎng)素的研究多集中在擬南芥中，進(jìn)一步探索農(nóng)作物，如水稻、玉米和小麥中PIFs的作用機(jī)制，將更具有應(yīng)用價(jià)值。其次，PIFs參與生長(zhǎng)素合成路徑，主要集中在參與了色氨酸依賴途徑中的吲哚-3-丙酮酸途徑和色胺途徑，對(duì)于PIFs是否參與其他色氨酸依賴路徑如吲哚-3-乙腈途徑（3-Indoleacetonitrile，IAN）和色氨酸非依賴途徑還有待于研究。生長(zhǎng)素信號(hào)路徑中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PIF4與IAA17/19和ARF18等相互作用，抑制下胚軸伸長(zhǎng)。在擬南芥中，AUX/IAA家族有34個(gè)成員，ARF家族中有23個(gè)成員，因此PIFs是否會(huì)與其他IAAs和ARFs相互作用，最終會(huì)如何調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育仍然需要探索。之前的研究還發(fā)現(xiàn)，PIF4在高溫下可以促進(jìn)生長(zhǎng)素的合成、運(yùn)輸和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控下胚軸生長(zhǎng)，表明PIFs與溫度相關(guān)。因此，將溫度-光信號(hào)-生長(zhǎng)素串聯(lián)起來(lái)，探索它們之間的協(xié)同調(diào)控關(guān)系也是今后的研究方向。隨著研究方法和技術(shù)的深入，PIFs參與生長(zhǎng)素調(diào)控的植物生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制將被闡述的更加清晰，可為植物的遺傳改良提供理論支持。