泛素-蛋白酶體系統(tǒng)影響植物農(nóng)藝性狀的研究進展

王翠翠 傅達奇

（1.北京電子科技職業(yè)學院生物工程學院，北京 100176；2.中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083）

當前人口、環(huán)境、氣候、生態(tài)平衡等問題層出不窮，改良植物農(nóng)藝性狀，提高產(chǎn)量，增強品質(zhì)，維持植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。目前一些研究已經(jīng)揭示了植物蛋白質(zhì)分子的識別和分子作用機制?；罴毎麅?nèi)的蛋白質(zhì)通過調(diào)節(jié)特定的生化或代謝途徑控制細胞活動和生理過程。構(gòu)象的改變，亞細胞定位或穩(wěn)定性變化都會影響蛋白質(zhì)的活性。蛋白質(zhì)的降解與合成一樣重要。除了線粒體和細胞質(zhì)中的蛋白酶及溶酶體，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（UPS）是蛋白質(zhì)降解的主要途徑，負責細胞中大多數(shù)蛋白質(zhì)的降解（80%-90%）［1］。UPS 提供了一種有效和快速的方法來選擇性降解蛋白達到廣泛調(diào)節(jié)哺乳動物和植物細胞的細胞學和生理過程的目的。近年來，遺傳和細胞生物學方法揭示了UPS 在植物內(nèi)穩(wěn)態(tài)的幾乎所有方面的作用，包括植物生長發(fā)育、對植物激素的反應以及對非生物和生物刺激的信號傳遞［2-4］。本文主要討論了近年來UPS 調(diào)控農(nóng)藝性狀方面的研究進展和未來的發(fā)展方向。

1 E2 結(jié)合酶的功能

成千上萬的蛋白質(zhì)參與泛素化、識別和處理泛素化蛋白質(zhì)以及26S 蛋白酶體的調(diào)控，表明泛素在植物細胞生理學和植物對環(huán)境條件的反應中具有廣泛的作用［5］。泛素通過泛素激活酶（E1）、一種或多種泛素結(jié)合酶（E2）和泛素連接酶（E3）附著在底物蛋白上［6］。E1 啟動共軛級聯(lián)，對靶標特異性影響不大。擬南芥中只有兩種E1 亞型，其中一種可能是核定位的［7］。相比之下，在擬南芥基因組中，E2 亞型是一個由至少37 個E2 基因組成的大家族，這些基因分為12 個亞家族和8 個E2-like 基因［8］。有趣的是，許多E2 編碼基因是應激誘導的。如大豆GmUBC2（Ub conjugating enzyme E2）、花生AhUBC2和擬南芥AtUBC32在干旱或鹽脅迫下轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)［9-11］。atubc32突變體植株更耐鹽脅迫，超表達AtUBC32使植株對鹽脅迫敏感［9］。此外，在擬南芥中過表達豇豆Vignaradiata UBC1（VrUBC1）、AhUBC2或GmUBC2植株具有更強的干旱耐受性［12］。Pan 等［13］還發(fā)現(xiàn)擬南芥中AtUBC27 正向調(diào)控ABA信號轉(zhuǎn)導和抗旱性，AtUBC8 和AtUBC24 分別是應對氮限制或磷缺乏所必需的［14］。最近研究發(fā)現(xiàn)，OsUBC26，一種水稻泛素結(jié)合酶，可以防御稻瘟病菌。通過接種稻瘟病菌和茉莉酸甲酯處理可以誘導OsUBC26的表達。OsUBC26基因沉默的水稻對稻瘟病菌的抗性減弱［15］。

2 E3 連接酶的功能

蛋白質(zhì)降解在植物生長發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。越來越多的研究表明，UPS 也是植物適應環(huán)境脅迫的一個組成部分，如干旱、鹽度、寒冷、營養(yǎng)剝奪和病原體。根據(jù)植物E3 連接酶的結(jié)構(gòu)組成和激活的泛素（Ub）片段的結(jié)合過程，可以將植物E3 連接酶分為三大類：PUB（plant U-box）、HECT（homologous to the E6-AP carboxyl terminus），以及RING-type E3 連接酶［16-19］。與PUB 和RINGs 連接酶不同，HECT E3s 是E3 酶中唯一一組在識別并催化底物泛素化之前被E2 -泛素結(jié)合酶泛素化的酶。在擬南芥中，7 種HECT 酶已被鑒定［20］。PUB 蛋白與HECT 酶類似，在非植物真核生物中構(gòu)成一個小型E3 連接酶家族，如人類中含2 個和酵母中含21個［21］。然而，它們在植物中數(shù)量更多［22］。例如，對番茄進行全基因組分析發(fā)現(xiàn)，62 種E3 連接酶含有一個U-box 結(jié)構(gòu)域［23］。RING E3 連接酶是植物基因組中最復雜、最神秘的一組蛋白質(zhì)。它由單亞基和多亞基E3 酶組成。一個單亞基RING 型E3 連接酶包含一個RING 基序，用于與E2 泛素結(jié)合酶相互作用，以及一個底物識別區(qū)域來招募底物。多亞基RING 型E3 酶可分為大組CRL E3（Cullin（Cul）-RING）連接酶［24-25］和小組后期促進酶復合物APCs（anaphase-promoting complexes）［26-27］。植物CRL E3連接酶可以根據(jù)底物受體的不同進一步分為3 個主要的亞組：（1）Skp1-Cul1-F-box（SCF）復合物，其中大量的F-box 蛋白作為底物受體；（2）Broad complex-Tramtrack-Bric a brac（BTB）-Cul3a/b 復合體，利用其BTB 蛋白識別底物；（3）DDB1-binding/WD40-Cul4 復合物，通過DDB1-binding/WD40 蛋白引導蛋白泛素化［28］。2019年有研究表明RING 型E3 連接酶基因在單子葉和雙子葉植物基因組中都有編碼（表1）［29］。植物基因組中如此大的E3 連接酶擴展群，為植物應對各種環(huán)境挑戰(zhàn)提供了必要的基因組資源，如病原體響應、干旱敏感性、營養(yǎng)平衡和耐熱性等。

表1 在選定的14 個植物基因組中預測的E3 連接酶數(shù)量Table 1 Number of E3 ligases predicted in 14 selected plant genomes

2.1 E3連接酶影響植物對干旱和鹽度的響應調(diào)控

蘋果中RING-type E3 連接酶MIEL1（MYB30-interaction E3 ligase）可以通過26S 蛋白酶體途徑介導MdBBX7（B-BOX 7）的泛素化降解，是干旱脅迫響應的負調(diào)控因子。MdBBX7的過表達增強了其抗旱性，而敲除MdBBX7則降低了其抗旱性［30］。RING-type E3 連接酶DRIP1 和DRIP2 功能冗余，通過泛素介導的蛋白水解，降解DREB2A（dehydrationresponsive element binding protein 2A），一種調(diào)控干旱和鹽脅迫誘導基因表達的轉(zhuǎn)錄因子，負向調(diào)節(jié)干旱脅迫響應［31-32］。drip1、drip2雙突變體表現(xiàn)出比單突變體更好的干旱耐受性。在雙突變體中增加DREB2A基因的表達，導致干旱響應基因的表達量進一步升高［32］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，DREB2A 中一個30-aa 的負調(diào)控域（NRD）的缺失會使DREB2A 轉(zhuǎn)化為一種穩(wěn)定的、組成性的活性形式，Cullin3（CUL3）E3 連接酶的作用底物BPM（BTB/POZ and math domain proteins），可與DREB2A 的NRD 相互作用。因此BPM 表達的缺失增強了DREB2A 的穩(wěn)定性使擬南芥耐熱性提高［33］。3 個RING 型E3 連接酶擬南芥RGLG1、RGLG2 和水稻OsDIS1 的功能缺失也能提高植物的抗旱性［34-35］。目前RGLG1 和RGLG2 影響植物抗旱性的作用機制包括兩點：RGLG1 和RGLG2介導了AtERF53（ethylene response factor 53）的蛋白酶體降解，AtERF53 是調(diào)控干旱誘導的基因表達的轉(zhuǎn)錄因子；泛素連接酶RGLG1 和RGLG2 在賴氨酸殘基K32 和K154 處泛素化MAPKKK18（mitogen activated protein kinase kinase kinase 18），并促進其降解，負向調(diào)控MAPKKK18 介導的擬南芥的耐旱性［36］。OsDIS1 通過調(diào)節(jié)蛋白OsNek6（一種與微管蛋白復合物相關(guān)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶）的數(shù)量，從而影響與干旱脅迫相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。氣孔運動的調(diào)節(jié)是植物適應環(huán)境脅迫的關(guān)鍵。擬南芥中的泛素E3連接酶MREL57（microtubule- related E3 ligase 57）和微管穩(wěn)定蛋白WDL7（wave-dampened2-like7）相互互作，泛素化并降解WDL7，MREL57-WDL7 模塊通過調(diào)節(jié)微管的分解來調(diào)節(jié)氣孔在干旱脅迫和ABA處理下的關(guān)閉［37］。

在辣椒中，最近幾項研究表明CaATBZ1，一個負調(diào)控脫落酸（ABA）信號轉(zhuǎn)導的bZIP 轉(zhuǎn)錄因子，受RING E3 連接酶CaASRF1（Capsicum annuumABA sensitive RING finger E3 ligase 1）［38］和CaATIR1（Capsicum annuumATBZ1-interacting RING finger protein 1）的調(diào)節(jié)，正向調(diào)控脫落酸信號通路和干旱響應［39］。CaASRF1 也可通過調(diào)節(jié)CaAIBZ1（Capsicum annuumASRF1-interacting bZIP transcription factor 1）的穩(wěn)定性，正向調(diào)控ABA 信號轉(zhuǎn)導和干旱脅迫響應［40］。

由于鹽脅迫和滲透脅迫與耐旱性密切相關(guān)，許多E3s，如AtPUB18/19/22/23、SDIR1、AtAIRP3/LOG2、AtATL61 和TaPUB1 等參與ABA 介導的鹽、滲透和干旱響應［41-46］。UPS 組件調(diào)節(jié)ABA 生物合成或ABA 信號轉(zhuǎn)導。脫落酸（ABA）在干旱情況下可以激活植物抗旱性［47］。除干旱外，ABA 還與各種不利的鹽度和溫度條件導致的非生物脅迫相關(guān)［48］。ABA 在幼苗發(fā)育和植物開花中也發(fā)揮著重要作用［49］。UPS 通過調(diào)節(jié)ABA 信號通路，在很大程度上影響應激的感知和轉(zhuǎn)導［50］。E3 Ub 連接酶靶向不同的ABA 信號傳導核心組分，即ABA 受體、PP2C、SNRK2 和ABFs/ABI5 等轉(zhuǎn)錄因子。

2.2 E3連接酶影響植物對寒冷、營養(yǎng)缺乏的響應調(diào)控

植物對冷脅迫的反應有些是由轉(zhuǎn)錄級聯(lián)介導的。轉(zhuǎn)錄因子ICE1 及相關(guān)蛋白促進CBFs（C-repeat（CRT）-binding factors）的表達，導致下游效應基因表達增加。過表達RING-type E3 連接酶AtHOS1（osmotically responsive gene），介導ICE1 的降解，使擬南芥植株對溫度波動更加敏感［51］。E3 泛素連接酶在泛素介導的熱相關(guān)蛋白降解途徑中起重要作用。C3HC4 鋅指泛素E3 連接酶AtPPRT1 過表達株系增強了幼苗的基礎(chǔ)和獲得性耐熱性，且熱處理后AtPPRT1 和幾個熱相關(guān)基因（AtZAT12、AtHSP21和AtHSFA7a）的轉(zhuǎn)錄水平大幅上調(diào)［52］。而atpprt1突變體在高溫脅迫下的萌發(fā)率和存活率降低。辣椒U-box E3 泛素連接酶CaPUB1（Capsicum annuumputative U-box protein 1）增強了轉(zhuǎn)基因水稻的抗寒性，降低了其抗旱性［53］。另外還有一些具有非蛋白水解功能的E3 連接酶，如AtCHIP、OsHCI1。在低溫條件下，過表達PUB E3 連接酶AtCHIP 的植物中可以觀察到較高的磷酸酶活性，AtCHIP 介導的蛋白磷酸酶2A（PP2A）泛素化具有非蛋白水解功能［54］。另一個在溫度脅迫信號轉(zhuǎn)導過程中具有非蛋白水解功能的E3 連接酶是OsHCI1（Oryza sativaheat and cold induced 1），OsHCI1 介導的核蛋白（如OsbHLH065）重新定位促進了植物對高溫脅迫的耐受性［55］。熱誘導的OsHIRP1（Oryza sativaheat-induced RING finger protein 1）在熱處理后定位于細胞核，并直接泛素化OsAKR4（主要在細胞核中）和OsHRK1（主要在胞質(zhì)中）并將其降解［56］。

除了干旱、鹽、冷脅迫，植物還能感知營養(yǎng)缺乏引起的脅迫。RING-type E3 連接酶NLA（nitrogen limitation adaptation）是植物對低氮響應的正調(diào)控因子。在擬南芥nla突變體中，NLA 亞細胞定位的改變破壞了NLA 與泛素共軛酶8（AtUBC8）的相互作用。與野生型相比，突變型植株對氮素缺失和衰老具有超敏感性［14］。具有泛素E3 連接酶活性的SDEL1 和SDEL2 的生化功能一致，SDEL1 或SDEL2的過表達導致無機磷酸鹽（Pi）的過度積累，即使在Pi 充足的條件下也會誘導Pi 饑餓信號。相反，功能缺失的突變體則表現(xiàn)出Pi 積累減少和Pi 饑餓信號減弱。研究表明SDEL1 和SDEL2 促進SPX4（SPX-domain-containing protein 4）的降解，從而調(diào)節(jié)PHR2（phosphate starvation response protein 2）活性，調(diào)節(jié)Pi 穩(wěn)態(tài)和Pi 信號，以響應外源Pi 的有效性［57］。碳（C）和氮（N）的利用比例對植物生長至關(guān)重要。碳/氮（C/N）比值，但C/N 平衡和C/N 信號轉(zhuǎn)導的感知機制仍不清楚。FERONIA（FER）是一種受體激酶，F(xiàn)ER 的突變導致擬南芥對高碳氮比過敏。FER 磷酸化E3 泛素連接酶ATL6，通過調(diào)節(jié)14-3-3蛋白的穩(wěn)定性響應碳氮比［58］。

2.3 E3連接酶影響植物對生物脅迫響應的調(diào)控

在自然環(huán)境中，植物經(jīng)常暴露于各種病原體，包括細菌、病毒、真菌和昆蟲。植物已經(jīng)進化出多種機制來保護自己免受病原體和昆蟲的入侵，特別是通過茉莉酸（JAs）和水楊酸（SA）等激素介導的途徑。與CSN（COP9 signalosome）相互作用的CRL-type E3 泛素連接酶包括SCFTIR1［59］和SCFCOI1，它們分別作用于生長素和JA 信號通路。CSN 在依賴JA 的植物防御反應中發(fā)揮重要作用，正調(diào)控植物對草食性煙草天蛾幼蟲和壞死性真菌病原菌葡萄孢屬灰霉菌的抗性［60］。SCFCOI1是茉莉基-I-異亮氨酸受體（JA-Ile）［61］，JA-Ile 促進COI1-JAZ 相互作用并觸發(fā)JAZ 的降解，釋放結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子（如MYC2），激活下游防御基因的轉(zhuǎn)錄［62-63］。擬南芥coronatine insensitive1（coi1）突變體無法表達保護性病原體誘導的基因，導致對昆蟲和病原體攻擊的敏感性增加［64］。COI1 還與組蛋白去乙?；窻PD3b（reduced potassium dependency 3b）相互作用，通過去乙?；{(diào)節(jié)靶基因的轉(zhuǎn)錄［65］。

NPR1（nonexpressor of pathogenesis-related geges 1）組裝到BTB E3 連接酶中，通過SA 介導對病原體的系統(tǒng)獲得性抗性（SAR）［66］。NPR1 是免疫應答的正向調(diào)節(jié)因子。而NPR1 的兩個類似序列NPR3和NPR4 負向調(diào)節(jié)對病原體的應答［67］。NPR3/NPR4作為轉(zhuǎn)錄共抑制因子，SA 通過抑制其活性促進下游免疫調(diào)節(jié)因子的表達。U-box- E3 泛素連接酶CMPG1在宿主免疫相關(guān)PCD 中發(fā)揮積極作用。研究發(fā)現(xiàn)煙草中超表達NtCMPG1增強對黃分枝霉的抗性［68］。小麥親緣種Haynaldia villosaL.中CMPG1-V，是CMPG1 的同源物，具有對白粉病的廣譜抗性［69］，表明CMPG1 也參與了單子葉植物先天免疫的調(diào)控。最新研究發(fā)現(xiàn)泛素E3 連接酶SINAT4基因超表達可削弱干旱誘導的對丁香假單胞菌Pseudomonas syringaepv.Tomato DC3000（Pst-DC3000）的免疫［70］。非生物脅迫和生物脅迫的相互作用，干旱誘導免疫的分子機制在很大程度上仍需進一步研究。

2.4 E3連接酶對植物生長發(fā)育的影響

2.4.1 泛素化是激素介導的植物生長發(fā)育的前提條件 Skp1-Cullin-F-box（SCF）E3 連接酶參與激素感知。生長素與F-box TIR1 結(jié)合形成一個活性復合物，靶向轉(zhuǎn)錄抑制因子Aux 和IAA 降解［71］。在相同的模式下，JA 作為氨基酸結(jié)合COI1 導致轉(zhuǎn)錄抑制因子JAZ 家族的降解［72］。GA（gibberellic acid）與GID1 結(jié)合導致構(gòu)象改變，從而與DELLA 結(jié)合，該復合物隨后被SCFSLY檢測，引導DELLA 蛋白降解，釋放對下游轉(zhuǎn)錄因子的抑制［73］。乙烯途徑通過一個非常有趣的新基因（RING）- E3 連接酶，即SDIR1，它正調(diào)控乙烯的反應，并促進EIN3 的積累。研究表明，SDIR1 通過介導溫度誘導的EBF1/EBF2 降解和EIN3 積累，調(diào)控乙烯對溫度變化的響應［74-75］。

2.4.2 泛素化影響花發(fā)育的晝夜節(jié)律 花的發(fā)育是一個受多重調(diào)控的復雜過程，在過去的幾十年里吸引了大量的研究。本文著重對近幾年的研究進行綜述。F-box 蛋白ZTL、FKF1 和LKP2 在晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，并存在功能重疊［76］。這些F-box蛋白都包含一個獨特的光-氧-電壓域，使它們能夠檢測藍光［77］。作為SCF 復合體的一部分，ZTL 導致組分TOC1 降解［78］。ZTL 也調(diào)控PRR5［79］。PRR5通過影響TOC1 磷酸化和定位對晝夜節(jié)律鐘有調(diào)節(jié)作用［80］，并調(diào)節(jié)開花時間［81］。

RING E3 連接酶SINAT5 促進LHY 的降解，在開花過程中發(fā)揮了不可或缺的作用［82］。而另一種蛋白質(zhì)DET1，保護LHY 免受SINAT5 的降解［83］，但DET1 的作用機制尚不清楚。這3 種蛋白之間的相互作用似乎在決定開花時間方面很重要，因為sinat5突變體和LHY超表達植株都表現(xiàn)為開花延遲［84］。FLC（flowering locus C）的抑制是擬南芥從營養(yǎng)階段過渡到生殖階段的關(guān)鍵。FLC 抑制數(shù)個參與花誘導的基因的表達，研究發(fā)現(xiàn)SINAT5 通過泛素介導的FLC 蛋白水解來調(diào)控開花時間［85］。FLC 位點組蛋白H2B 的單泛素化和去泛素化都是FLC 適當表達所必需的。在一些作物物種中，HUB（histone monoubi quitination）同源基因在組蛋白H2B 泛素化過程中發(fā)揮了類似的作用。番茄的同源基因SlHUB1和SlHUB2在體外分離得到了單硫喹酸H2B［86］。FRRP1（flowering-related RING protein 1） 是HUB2在水稻中的同源基因，它能單泛素化H2B 并影響水稻的開花［87］。

FRIGIDA（FRI）是一個轉(zhuǎn)錄激活復合物中的支架蛋白，通過促進FLC的表達來抑制開花。FRI同樣影響油料作物甘藍型油菜、芥菜葉類蔬菜和蕓薹類作物的花期［88-89］。水稻RING E3 連接酶HAF1（heading date-associated factor 1）負向調(diào)節(jié)ELF3（early flowering 3），這是一個在長日照下促進開花的轉(zhuǎn)錄因子。HAF1 在體外泛素化ELF3 并促進其在水稻中的降解［90］。另外haf1突變體在短日和長日條件下均表現(xiàn)出較晚的開花抽穗期，haf1主要通過調(diào)控Hd1（heading date 1）決定抽穗期［91］。泛素系統(tǒng)調(diào)節(jié)許多其他影響開花時間的蛋白質(zhì)的豐度，特別是與調(diào)節(jié)晝夜節(jié)律時鐘和激素合成有關(guān)的蛋白質(zhì)［92］和調(diào)節(jié)開花信號的激素，尤其是赤霉素［93］。

2.4.3 泛素化影響果實品質(zhì) 泛素化對果實成熟，品質(zhì)等方面的研究目前還較少。葡萄中U-Box E3泛素連接酶VlPUB38 通過促進脫落醛氧化酶降解負調(diào)控果實成熟［94］。AtARRE，環(huán)型E3 泛素連接酶，通過控制蠟類生物合成酶ECERIFERUM1 和ECERIFERUM3 蛋白水平，負調(diào)控擬南芥表皮蠟質(zhì)合成［95］。這為果實的品質(zhì)調(diào)控提供一些參考。植物的角質(zhì)層的主要組分為角質(zhì)和蠟質(zhì)。果實的角質(zhì)層對果實的生理和品質(zhì)具有重要的影響，它能夠影響果實的外觀（色澤、質(zhì)地、均一性），采后處理效果，貯藏、運輸和貨架期等。乙烯激活的U-box 型E3 泛素連接酶MdPUB24 直接與MdBEL7 相互作用并泛素化MdBEL7。MdBEL7 的降解導致MdCLH、MdPPPH2和MdRCCR2的表達增強，從而導致葉綠素在蘋果果實貯藏過程中的降解。研究表明，Ethylene- MdPUB24 - MdBEL7 模塊在蘋果果實貯藏過程中通過翻譯后修飾調(diào)控葉綠素降解［96］。

2.4.4 泛素化影響種子發(fā)育 種子在脂質(zhì)體中積累淀粉、三酰基甘油酯和蛋白質(zhì)，以維持幼苗生長，直到它們能夠通過光合作用產(chǎn)生自己的能量。除了為幼苗提供能量外，種子也是包括人類在內(nèi)的動物的主要營養(yǎng)來源。種子大小是一個重要的農(nóng)藝性狀。首次發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)參與決定種子大小是在一個水稻的數(shù)量性狀位點上，該位點編碼環(huán)型E3 連接酶Grain WIDTH 2（GW2），GW2 負向調(diào)節(jié)種子大小和產(chǎn)量［97］。隨后的研究表明，泛素系統(tǒng)調(diào)控多種影響種子大小的蛋白質(zhì)［98-99］，主要路徑有3 條：（1）E3連接酶UPL3（ubiquitin-protein ligase 3）路徑。在甘藍型油菜中，HECT E3 連接酶UPL3 負向調(diào)控種子大小，并以LEC2（leafy cotyledon 2）蛋白為降解目標［100］。（2）DA1 路徑。擬南芥最近的研究表明，泛素特異性蛋白酶UBP12 和UBP13 將DA1、DAR1和DAR2 去泛素化，降低了它們的肽酶活性。同樣，組蛋白去泛素酶OTU1（ovarian tumor domain（OTU）-containing dub 1）也可以抑制DA1 和DA2 的表達［101］。小麥DA1 抑制細胞增殖，并與擬南芥DA2 的同源E3 連接酶GW2 相互作用［102］。研究發(fā)現(xiàn)，泛素特異性蛋白酶OsUBP15 促進水稻的大粒化，也與DA1密切相關(guān)［103］。DA1 路徑通過抑制細胞增殖負向調(diào)節(jié)種子大小，但確切機制尚不清楚。（3）F-box 蛋白SAP 路徑。擬南芥中SAP 靶向轉(zhuǎn)錄因子PPD1 和PPD2（PEAPOD 1 和2）進行降解；在豆科植物中，SAP（sterile petala）的同源基因SLB1（small leaf and bushy 1），是E3 連接酶復合體的一個組成部分，靶向BS1（big seeds 1）降解影響種子大?。?04］。

3 26S 蛋白酶體對植物農(nóng)藝性狀的影響

3.1 蛋白酶體亞基在環(huán)境脅迫耐受性中的作用

26S 蛋白酶體功能的缺失或抑制也會改變植物的農(nóng)藝性狀。26S 蛋白酶體是由20S CP 和19S RP 組成的復合體。19S RP 亞基的突變導致復合物積累減少，靶蛋白依賴泛素化的蛋白水解速率降低，從而影響植物對非生物或生物脅迫的響應［105-106］。例如，擬南芥rpn10-1突變體植株對鹽脅迫和熱休克的耐受性較差，對紫外線輻射和DNA 損傷劑過敏［107］。RPN10 調(diào)節(jié)ABA 誘導的對環(huán)境環(huán)境脅迫的響應［106］。20S CP 既以泛素依賴的方式降解蛋白質(zhì)也通過不依賴泛素化的蛋白質(zhì)降解［105］。如氧化蛋白的降解是不依賴泛素化的［108］，這與rpt2a，rpn10和rpt12a突變體對氧化應激的耐受性增強觀點相一致［105，109］。

對20S CP 亞基的研究表明，α2 亞基OgTT1 有助于提高非洲水稻的耐熱性和適應性［110］。與水稻OsTT1 相比，OgTT1 似乎在去除熱應激變性的細胞毒性蛋白方面更有效，這與OgTT1 有不同的SNP（單核苷酸多態(tài)性）位點有關(guān)。ars5編碼α6 亞基，基因敲除的擬南芥突變體在砷脅迫下，砷和巰基化合物積累增加，但ARS5 抑制轉(zhuǎn)錄反應的靶向蛋白仍有待鑒定［111］。最新研究表明，砷誘導的蛋白毒性脅迫導致擬南芥同源PUB22 和PUB23 U-box E3 泛素連接酶上調(diào)，pub22、pub23雙突變體表現(xiàn)出砷敏感性種子萌發(fā)和根生長表型。PUB22/PUB23 通過負調(diào)控26S 蛋白酶體完整性在亞砷酸鹽誘導的蛋白毒性應激反應中發(fā)揮關(guān)鍵作用［112］。

β1、β2 和β5 亞基分別具有半胱天冬酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶活性［113］。外源病原菌信號增強了這3 個亞基的活性，參與植物對細菌感染的抗性，擬南芥中β1 負調(diào)控內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激導致的程序性細胞死亡［114］。然而，這些表型背后的分子機制尚不清楚。最近的一項研究報道，β5 亞基PBE1 的缺失影響了鹽脅迫下蛋白酶體的組裝，表明PBE1 對完整的蛋白酶體組裝至關(guān)重要［115］。此外，研究發(fā)現(xiàn)PBE1 可以減少轉(zhuǎn)錄因子ABI5 的蛋白積累，從而調(diào)節(jié)ABA 介導的植物鹽脅迫信號。

除了蛋白水解活性，20S 蛋白酶體也被證明具有核糖核酸酶（RNase）活性，可在體外降解萵苣花葉病毒（LMV）和煙草花葉病毒衍生的RNAs，例如擬南芥α5 亞基敲除突變體對LMV 感染的易感性顯著增強［116］。

3.2 蛋白酶體亞基在植物正常生長發(fā)育中的作用

在擬南芥中，19S RP 中RPT2a 亞基，對植物細胞大小、抗氧化脅迫能力、芽尖及根尖分生組織的維持有十分重要的作用。同源基因RPT2b 在基尖及根尖分生組織中也有表達，但是突變體卻沒有任何表型上的變化［117］。rpt2a，rpt2b雙突變體會造成雄配子和雌配子的死亡［118］。單個rpn5b突變體表現(xiàn)為野生型，而單個rpn5a突變體則表現(xiàn)出大量的形態(tài)缺陷，包括胚胎發(fā)生異常、在黑暗條件下去黃化發(fā)育、在光照下生長時出現(xiàn)嚴重的侏儒表型以及不育［119］。在擬南芥中過表達RPN5a 則會引起植株提前衰老。在rpn12a突變體中，兩個細胞分裂素誘導基因CYCD3和NIA1被上調(diào)，使植株對細胞分裂素的響應敏感，影響植株根系的延長和葉子的形成［120］。rpn10-1突變體除了改變植物環(huán)境脅迫耐受性，還會導致種子萌發(fā)率降低、生長速率降低、生殖發(fā)育不良［121］。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥RPN10 還可以作為一種選擇性自噬受體，通過與泛素化的蛋白酶體亞基/靶標和包裹自噬膜的脂化ATG8（autophagyrelated protein 8）同時相互作用，靶向失活的26S 蛋白酶體［122］。細胞內(nèi)成分的自噬轉(zhuǎn)換對于真核生物的細胞管理、營養(yǎng)循環(huán)和生長發(fā)育的各個方面都是至關(guān)重要的［123］。RPN11 與去泛素化有關(guān)，從蛋白酶體的靶向底物上去除泛素鏈是底物加工的先決條件，由去泛素酶Rpn11 完成。在蓋子與蛋白酶體結(jié)合之前，Rpn11 去泛素酶活性被抑制，以防止多泛素化蛋白的非必要去泛素化［124］，對植物正常生長發(fā)育至關(guān)最重要。

4 總結(jié)與展望

泛素-蛋白酶系統(tǒng)在植物生長發(fā)育和響應環(huán)境脅迫中起著關(guān)鍵作用。這里我們總結(jié)了泛素化影響的農(nóng)藝性狀包括：誘導開花、種子大小、果實品質(zhì)和病原體反應等。

鑒于大量基因參與泛素系統(tǒng)，剖析具體的相互作用和這些相互作用的后果，這仍然是一個重大挑戰(zhàn)。迄今為止編碼UPS 組件的基因數(shù)量非常多，但只有少數(shù)基因及其功能得到了闡明。進一步鑒定E2s，不同的E3 底物，單亞基E3 連接酶和多亞基E3 連接酶，蛋白酶體亞基和蛋白酶體調(diào)節(jié)器將有助于闡明植物在蛋白質(zhì)水平上影響植物農(nóng)藝性狀的調(diào)控機制，并為提高作物育種、對生物和非生物脅迫的耐受性提供有用策略。

基于異體或同源基因表達的遺傳操作可以提高作物的農(nóng)藝性狀。UPS 中與種子大小相關(guān)的正調(diào)節(jié)因子，如SLB1 和OsUBP15 等，可以嘗試通過超表達轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高水稻、玉米和小麥等作物的產(chǎn)量［103］。相反，GW2 和UPL3 等負向調(diào)控種子大小，可以通過基因敲除等手段提高作物產(chǎn)量［97，100］。此外，最近發(fā)展起來的基因組編輯技術(shù)（TALENs、Crispr/Cas9 等）允許相關(guān)蛋白酶體亞基基因的新等位基因的創(chuàng)建，這可能賦予更強的酶活性或促進蛋白酶體組裝。新的等位基因可以用于分子育種，改進植物基因型。例如，與OsTT1 相比，OgTT1 在去除熱應激變性的細胞毒蛋白方面的功能更有效，OsTT1 的SNP 位點與OgTT1 不同，因此，用CrispR/Cas9 替代水稻中的SNP 位點，可能有助于培育出更耐熱的水稻。