BZR-ARF-PIF模塊轉(zhuǎn)錄調(diào)控植物伸長生長的分子機制的研究進展

高夢影，王昕

（沈陽大學(xué) 生命科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044）

大多數(shù)植物一生的大部分時間都處于固著的生長狀態(tài)，無法通過移動自身來趨利避害。在此限制條件下，植物進化出了高度的發(fā)育可塑性，即根據(jù)環(huán)境條件的變化來不斷地改變自身的生長發(fā)育策略，植物體的各種趨性（趨光性、趨化性和趨水性等）就是一個很好的例子。為了實現(xiàn)這些趨性生長，植物就必須進行伸長生長。在植物眾多的伸長生長中，下胚軸的伸長生長是一個很好的研究模型。三類轉(zhuǎn)錄因子耐蕓苔素唑因子（BZRs）、生長素應(yīng)答因子（ARFs）和光敏色素相互作用因子（PIFs）組成了BZR-ARF-PIF（BAP）模塊，這一模塊是下胚軸伸長生長的關(guān)鍵正向調(diào)控因子。在發(fā)現(xiàn)這三類轉(zhuǎn)錄因子相互依賴地促進下胚軸伸長之前，它們在不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中被發(fā)現(xiàn)和研究[1-2]。本文首先分別介紹這三類轉(zhuǎn)錄因子如何在各自的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮功能，再介紹三者相互依賴地促進基因轉(zhuǎn)錄進而促進下胚軸伸長的分子機制，最后介紹DELLA蛋白調(diào)控這三類轉(zhuǎn)錄因子的分子機制。

1 BZRs轉(zhuǎn)錄因子

BZR1和油菜素內(nèi)酯受體抑制因子（BES1）/BZR2是油菜素類固醇（Brassinosteroids，BRs）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的正向調(diào)控因子。BZR1和BES1既具有促進轉(zhuǎn)錄的功能，又具有抑制轉(zhuǎn)錄的功能：在調(diào)控應(yīng)答B(yǎng)R的促進伸長的基因時，它們展現(xiàn)出促進轉(zhuǎn)錄的功能，而在調(diào)控BR生物合成基因時，它們發(fā)揮抑制轉(zhuǎn)錄的功能[1-2]。BR通過降低轉(zhuǎn)錄因子BZR1和BES1的磷酸化水平來激活BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[3]。葡萄糖合成激酶3（Glycogen Synthase Kinase 3，GSK3）對BZR1和BES1的磷酸化抑制了這兩個轉(zhuǎn)錄因子與靶DNA的結(jié)合，并且促進了它們由細胞核到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)運和在細胞質(zhì)中的滯留[4]。BZR1和BES1在細胞質(zhì)中的滯留依賴于它們的磷酸化形式與14-3-3蛋白質(zhì)的相互作用，GSK3介導(dǎo)的BZR1的磷酸化通過引起B(yǎng)ZR1的降解進一步降低了這個轉(zhuǎn)錄因子的活性[4]。

2 ARFs轉(zhuǎn)錄因子

在擬南芥的23個ARF成員中，ARF5、ARF6、ARF7、ARF8和ARF19很可能主要負責(zé)應(yīng)答生長素的轉(zhuǎn)錄激活[5]。這些負責(zé)轉(zhuǎn)錄激活的ARFs組成性地結(jié)合于其下游基因啟動子區(qū)的生長素應(yīng)答元件上，然而在缺乏生長素的條件下，吲哚-3-乙酸誘導(dǎo)（AUX/IAA）蛋白會與這些ARFs結(jié)合并抑制它們與下游基因啟動子區(qū)的結(jié)合，從而導(dǎo)致生長素應(yīng)答基因轉(zhuǎn)錄的減弱[6]。生長素受體轉(zhuǎn)運抑制應(yīng)答因子1（TIR1）/生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)F盒蛋白（AFB）與生長素結(jié)合后會將AUX/IAA蛋白招募到Skp1-Cullin-F-box（SCF）TIR1/AFB E3泛素連接酶復(fù)合體上，導(dǎo)致AUX/IAA蛋白的泛素化和降解，從而解除發(fā)揮轉(zhuǎn)錄激活功能的ARFs的受抑制狀態(tài)，并開始促進生長素應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄[7]。在這些ARFs中，ARF6、ARF7和ARF8被證明在生長素應(yīng)答的下胚軸伸長中發(fā)揮重要作用，而短下胚軸因子2（SHY2）、IAA7/生長素抑制因子2（AXR2）和IAA17/AXR3很可能是拮抗它們生長促進功能的關(guān)鍵 AUX/IAAs蛋白[2]。

3 PIFs轉(zhuǎn)錄因子

PIF家族轉(zhuǎn)錄因子是光形態(tài)建成（Photomorphogenesis）的重要抑制因子，光敏色素的遠紅光吸收構(gòu)象（Pfr）與其發(fā)生直接的相互作用并發(fā)揮抑制功能[8]。PIF3是PIF家族第一個被發(fā)現(xiàn)的成員，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)PIF3和其他的PIFs更傾向與光敏色素的遠紅光吸收構(gòu)象發(fā)生相互作用，該相互作用會依次引起大多數(shù)PIFs蛋白質(zhì)的磷酸化、泛素化和降解[9]。在PIF家族中PIF7是一個例外，因為它在光照條件下是穩(wěn)定的，并且光敏色素介導(dǎo)的PIF7磷酸化主要引起它在細胞質(zhì)中的滯留，這種滯留依賴于PIF7與14-3-3蛋白質(zhì)的相互作用[10]。遺傳學(xué)的研究表明，PIF家族中的PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF7和PIF8 6個成員具有促進下胚軸伸長生長的作用[9]。

4 BZR-ARF-PIF模塊

BZRs、ARFs和PIFs以相互依賴的方式共同調(diào)控下胚軸的伸長生長[1-2]。PIFs活性的下降和BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的打斷都會使下胚軸對生長素的生長促進作用變得不敏感[2]。同樣，在PIFs和ARFs活性下降的條件下，bzr1-1D對下胚軸伸長的促進作用被嚴重的削弱[1-2]。另外，PIF4過表達植物的長下胚軸表型在BR受體突變體bzr1的背景下幾乎被完全消除[1]。

BZRs、ARFs和PIFs調(diào)控下胚軸伸長的這種相互依賴的方式與它們在靶基因轉(zhuǎn)錄上的協(xié)同作用密切相關(guān)[1-2]。BAP轉(zhuǎn)錄因子相互依賴地促進一些基因的轉(zhuǎn)錄，例如生長素上調(diào)的小RNA 15（SAUR15）、IAA19和多效唑抑制因子1（PRE1），這些基因都具有促進下胚軸伸長生長的作用[1-2]。染色質(zhì)免疫共沉淀耦聯(lián)高通量測序（ChIP-Seq）實驗表明，BZR1同時與PIF4和ARF6結(jié)合于類光敏色素相互作用因子1（PIL1）啟動子區(qū)的G-box基序中，ARF6對SAUR15啟動子區(qū)的結(jié)合被bzr1-1D、PIF4-OE和外源施加的BR所促進[1-2]。綜上所述，PIFs、BZRs和ARFs通過相互作用形成了一個復(fù)合體，這個復(fù)合體能夠高效地誘導(dǎo)促進生長的基因的轉(zhuǎn)錄，進而促進下胚軸的伸長生長。

5 DELLA蛋白調(diào)控BZR-ARF-PIF模塊的分子機制

DELLA蛋白是植物赤霉素（Gibberellins，GAs）信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的負向調(diào)控因子，它包括5個成員，分別是赤霉素抑制因子（RGA）、赤霉酸抑制因子（GAI）、類赤霉素抑制因子1（RGL1）、類赤霉素抑制因子2（RGL2）和類赤霉素抑制因子3（RGL3）。其中，RGA和GAI主要負責(zé)抑制下胚軸的伸長生長[11]，這種抑制作用主要是通過與PIFs、BZRs和ARFs相互作用阻止它們與DNA的結(jié)合[11]。具體來說，RGA能夠干擾ARF6和BZR1與SAUR15和IAA19啟動子區(qū)的結(jié)合，還能夠抑制ARF6與PIF4的相互作用[12]。另外，RGA和GAI都能夠促進26S蛋白酶體介導(dǎo)的PIF3的降解[11]?？偟膩碚f，DELLA蛋白介導(dǎo)的對BAP轉(zhuǎn)錄因子的抑制可能會通過多種分子機制來實現(xiàn)。

GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑通過促進DELLA蛋白的降解來解除BAP模塊的抑制狀態(tài)，結(jié)合了GA受體的GA矮化不敏感因子1（GID1）與DELLAs發(fā)生蛋白相互作用，進而促進了DELLAs的降解[13]。很多研究都表明GA誘導(dǎo)的DELLAs蛋白水平的下降都是通過對BAP模塊活性的去抑制作用來促進生長的。一方面，BR水平下降或BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)強度減弱的植物幾乎都無法應(yīng)答GA促進生長的作用，但黑暗中生長的PPZ（一種BR合成抑制劑）處理的幼苗下胚軸對GA的敏感性能夠被bzr1-1D所恢復(fù)；另一方面，GA介導(dǎo)的對下胚軸的促進作用很可能同時需要BZR1和PIFs，因為PPZ處理的bzr1-1D下胚軸在低PIFs水平的條件下對GA幾乎不敏感，不論這種低水平是光照造成的還是pifq四突變體造成的，而光照下PPZ處理幼苗的GA應(yīng)答能力被bzr1-1D和PIF4-OE所恢復(fù)[12]。以上數(shù)據(jù)說明DELLAs通過抑制BAP模塊轉(zhuǎn)錄激活能力來抑制下胚軸的伸長生長，而GA能夠解除這種抑制作用。

6 結(jié)語

細胞伸長作為植物的主要生長過程涉及許多信號通路的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，但目前尚不清楚這些通路是作用于參與伸長的獨立細胞組分，還是由某個中央控制系統(tǒng)將多條信號通路處理成一個統(tǒng)一的細胞發(fā)育決策體系。BAP模塊的發(fā)現(xiàn)展示了一個信號整合模型，解釋了多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是如何被整合在一起的，在不斷變化的環(huán)境中，植物會感受到多種環(huán)境線索并啟動多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。根據(jù)目前的研究結(jié)果，這些信號將被某些分子模塊整合為統(tǒng)一的細胞發(fā)育決策，從而為植物爭取更好的生存環(huán)境。