植物生長素響應因子基因的研究進展

方 佳，何勇清，余敏芬，鄭炳松

（浙江農林大學 亞熱帶森林培育省部共建國家重點實驗室培育基地，浙江 臨安 311300）

生長素是植物體重要的生長調節分子，參與植物根和莖的生長和發育、器官的衰老、維管束組織的形成和分化發育，維持頂端優勢，胚胎中軸的建立，植物的向地和向光反應以及刺激花器官生長等生長和發育諸多過程，在植物整個生命周期過程中發揮重要的作用[1-2]。現有的研究[3-6]表明，生長素信號傳導過程涉及了2類轉錄因子：一類是生長素響應因子（ARF）家族，另一類是Aux/IAA轉錄因子家族。作為一類調控生長素響應基因表達的轉錄因子，ARF能夠特異地與生長素響應基因啟動子區域的生長素響應元件（AuxREs）TGTCNC結合，激活或抑制基因的表達。筆者主要對植物生長素響應因子的結構特征、在生長素信號傳導過程中的功能以及調控機制等方面的研究進展進行介紹。

1 植物生長素響應因子的結構特征

植物生長素響應因子（ARF）是調節生長素基因表達的轉錄因子，在植物體內都以家族的形式存在。ARF能和生長素早期誘導基因如Aux/IAA，SAUR，GH3等家族的啟動子響應元件特異結合形成二聚體，起著激活或者抑制基因表達的作用。ARF在植物體中存在一大類復雜的基因家族，隨著全基因組測序分析的完成，許多科學家在擬南芥Arabidopsis thaliana，番茄Solanum lycopersicum，水稻Oryza sativa，玉米Zea mays，高粱Sorghum bicolor，葡萄Vitis vinifera和楊樹Populous trichocarpa等植物中分別發現了23，17，25，35，26，20和39個ARF基因家族成員[7-10]，并分別對ARF基因家族成員的結構特征進行了對比和進化樹分析，如：擬南芥AtARFs和水稻OsARFs[9，11]，玉米ZmARFs和擬南芥AtARFs，玉米ZmARFs和水稻OsARFs，玉米ZmARFs和楊樹PoptrARFs， 玉米ZmARFs和葡萄GsARFs[12]以及擬南芥 AtARFs 和番茄 SlARFs[13]。

所有已知的高等植物ARF由3個結構域組成：1個氨基端的DNA結合結構域（DBD），1個中間結構域（MR），包括激活結構域（AD）和抑制結構域（RD）以及 1 個羥基末端的二聚結構域（CTD）[4]（圖 1）。ARF的激活結構域（AD）富含谷氨酰胺、絲氨酸和亮氨酸殘基，而ARF的抑制結構域（RD）則富含絲氨酸、脯氨酸、亮氨酸和甘氨酸殘基[6]。其中，DBD直接參與了與AuxRE元件的結合；MR結構域決定了這類轉錄因子對靶基因的作用方式：激活或抑制[4]。ARF的CTD結構域與AUX/IAA蛋白的結構域Ⅲ和結構域Ⅳ十分相似，AUX/IAA和ARF可通過這一區域形成二聚體。

圖1 典型ARF和Aux/IAA蛋白結構域[14]Figure1 Domain properties of prototypical ARF and Aux/IAA proteins

通過ARF蛋白質的結構特征分析，發現在23個擬南芥AtARF家族中，AtARF23只有1個氨基端的DNA結構域（DBD），AtARF3，AtARF13和AtARF17缺少1個羥基末端的二聚結構域（CTD），其余的AtARF都包含3個結構域[6]。而在水稻中，只有OsARF20含有2個DBD結構域，其余OsARF都含有1個典型的DBD結構域，大多數OsARF都包含1個CTD結構域[15]。17個番茄SlARFs中，SlARF11缺少1個中間結構域（MR），SlARF2，SlARF 3，SlARF 6，SlARF 7和SlARF 13缺少1個羥基末端的CTD結構域[13]。玉米的31個ZmARF蛋白的N末端都包含1個DBD結構域，ZmARF5和ZmARF31包含多個CTD結構域，其余的ZmARF都包含1個CTD結構域[12]。

全長序列構建的進化樹分析（圖1）結果表明：擬南芥和水稻48個ARF基因可分為3組[9，11]。玉米和擬南芥58個基因可分為5組，18對同源基因。玉米與水稻60個基因可分為4組，玉米和楊樹有64個基因，分為3組。玉米與葡萄的55個基因分為3組[12]。擬南芥和番茄的40個基因分為3組，第1組包括2個SlARFs和1個AtARFs，第2組包括4個SlARFs和4個AtARFs，第3組分為3個亞類，第1亞類包括7個 AtARFs，但無 SlARFs，第 2亞類包括 6個 SlARFs和 6個 AtARFs，第 3亞類包括 5個SlARFs和5個AtARFs，總共14個姊妹對[13]。上述研究表明同一物種的不同ARF成員和不同物種之間的ARF成員都具有一定的同源性。

2 植物生長素響應因子的生物學功能

生長素是重要的植物激素，參與植物維管束組織的形成和分化，維持頂端優勢，胚的發育，側根形成以及刺激花器官生長等生長發育諸多過程。作為一類調控生長素響應基因表達的轉錄因子，ARF在植物生長發育過程中起到非常重要的作用。

研究表明：ARF在生長素信號傳導過程中起著功能性作用。當生長素與其受體結合之后，會活化一些轉錄因子，進入細胞核，促進基因表達。這些轉錄因子分為2類：一類為早期基因或初級反應基因，由原來已有的轉錄基因活化刺激所致；另一類為晚期基因或次級反應基因，對激素是長期反應，由某些早期基因調控。目前，認為生長素信號傳導過程與AUX/IAA蛋白的降解和ARF蛋白的激活有關。在生長素濃度無或較低的情況下，ARF與AUX/IAA蛋白質結合形成不活化的異源二聚體，阻止早期基因的轉錄，所以無生長素響應。而當生長素濃度較高時，AUX/IAA抑制子可以被SCFTIR復合體識別，泛素連接酶被活化，導致AUX/IAA蛋白泛素化，通過26S蛋白酶體將泛素化AUX/IAA蛋白降解，使得2個ARF形成同源二聚體，它與早期基因啟動子的回文生長素響應元件結合，早期基因轉錄便活化，從而調節下游基因的表達，引起一系列與生長素相關的應答反應，繼而表現出生理功能[4，16-17]。

植物中ARF家族成員較多，因此ARF的表達特征也比較復雜。在擬南芥種子發育過程中，AtARF12表達明顯；在胚中，AtARF5，AtARF7和AtARF16表達明顯；在幼苗期，AtARF2，AtARF7，AtARF8和AtARF19都有較明顯的表達；在根系中，AtARF6，AtARF16和AtARF19表達明顯；在葉片中AtARF3，AtARF4和AtARF16表達明顯；在維管組織中，AtARF5和AtARF16表達明顯；而AtARF1，AtARF2，AtARF3，AtARF4，AtARF6和AtARF8則在花及花器官發育時表達明顯；在果實發育期，AtARF3， AtARF4 和 AtARF8 表達明顯[18-23]。

在番茄中，SlARF3，SlARF5，SlARF6，SlARF9，SlARF10，SlARF13，SlARF15和SlARF17功能相似，從幼果到果實成熟階段表達最高；而SlARF1，SlARF9，SlARF11，SlARF15和SlARF16在花的發育階段也有明顯表達，其中SlARF16在花芽中表達最高[13]。在玉米中，ZmARF1，ZmARF18，ZmARF19，ZmARF23，ZmARF24，ZmARF32和ZmARF35在根系、葉片及葉芽中都有表達；而ZmARF12僅在根系中有表達；ZmARF17僅在葉片中有表達；ZmARF3，ZmARF13，ZmARF16和ZmARF31僅在芽中有表達；ZmARF25在葉片和葉芽中都有表達[12]。在水稻中，共有25個OsARFs基因，其中OsARF20在幼苗中檢測到，而其余24個基因則在水稻根、莖、葉和幼穗中都有表達[15]。

在楊樹中，AtARF2的同源基因PoptrARF2.1和PoptrARF2.2與其他組織相比較在木質部、韌皮部表達水平最高；而PoptrARF2.3和PoptrARF2.4在營養芽、花芽及形成層中表達；AtARF3同源基因PoptrARF3.1和PoptrARF3.2在木質部、韌皮部的表達要比在營養芽、花芽的表達水平高；AtARF5同源基因PoptrARF5.1在根中的表達比在莖與葉片中的表達水平稍高，PoptrARF5.2在花芽表達中最高；AtARF6同源基因PoptrARF6.1和PoptrARF6.4在成熟葉片和韌皮部中表達較高，PoptrARF6.2和PoptrARF6.3在大多數的組織和器官中均有表達，尤其是在木質部，韌皮部，營養生長和生殖生長的分生組織內表達最高[8]。

盡管ARF家族成員眾多，但其中成員之一的突變還是能夠造成明顯的表型變化。比如，AtARF3的突變特異地影響雌蕊群的發育，其最明顯的表型為使雌蕊的結構混亂[24]；AtARF7的突變則影響地上組織的分化，其中，nph4-1，nph4-2和nph4-3表現為對下胚軸的向光性，nph4-5和nph4-6表現為NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）的抗性，nph4-101至nph4-109在單側施生長素條件下則表現為下胚軸無彎曲現象。這些結果說明，AtARF7在擬南芥的向性運動中起到重要的功能作用[25-27]；AtARF8的突變體能在去雄和未經授粉的條件下，單行結實產生無籽果實，AtARF8基因編碼閱讀框T-DNA插入突變體arf8-1和arf8-6在上述條件下也能單性結實，而編碼閱讀框上游942 bp處的T-DNA插入突變體arf8-5則未能在上述條件下單性結實，表明AtARF8基因的編碼區域突變功能缺失會導致單性結實，這為生長素調控單性結實提供了有力的證據[28]；AtARF5的突變能夠影響胚胎的早期發育，表現為胚后發育的缺陷，最為明顯的是維管組織結構的混亂，表明AtARF5在胚模式建成和維管束組織的正常發育過程中起到重要作用，有意思的是，擬南芥IAA12的1個突變體（bdl）和AtARF5的1個突變株（mp）的表現型相似，都是在胚胎發育過程中不能夠形成根分生組織。這2個基因的表達方式相互重疊，它們的蛋白質在酵母二元雜交系統中相互作用。在bdl突變株中，IAA12的第2個結構域發生了1個點突變，結果導致這個蛋白質的穩定性上升。這是IAA12功能獲得性突變。相反，在mp突變株中，AtARF5喪失了功能，表明IAA12/AtARF5之間通過特異結合影響根部的發育[21，29-31]。這說明，不同的ARF具有各自獨特的功能。這些功能特異性的產生，既可以來自在時間和空間表達上的不同，也可能是來自對目的基因啟動子的親和性差異。

3 植物生長素響應因子的調控機制

目前，人們對于ARF調控機制的了解主要是基于擬南芥等模式植物突變體的研究。研究表明：植物激素和外界環境因子對ARF功能的發揮具有重要的調控作用。Tian等[32]研究發現：擬南芥AtARF8受光誘導，外源白光、藍光、紅光或遠紅光能夠促進擬南芥AtARF8突變體子葉伸長。但是，Harper等[27]與Li等[33]研究表明：AtARF7和AtARF19受到外源生長素和乙烯的誘導。水稻OsARF1和OsARF23和玉米ZmARF3，ZmARF8，ZmARF13，ZmARF15，ZmARF21，ZmARF27和ZmARF30也受到外源生長素的誘導，但水稻OsARF5，OsARF14和OsARF21及玉米ZmARF5和ZmARF18則受其抑制[9，34-35]。

隨著眾多內源小RNAs的不斷發現以及對其功能的深入研究，基因轉錄后水平的調節、尤其是內源小RNAs對基因轉錄后水平的調控也不可缺少。miRNA和ta-siRNA作為基因表達的一類負調控因子，主要在轉錄后水平上通過介導靶mRNA分子的切割或翻譯抑制來調節植物基因的表達，從而調控植物器官的形態建成、生長發育、信號轉導以及植物對外界環境脅迫因素的應答。越來越多的研究表明，ARF基因的表達也受到非編碼區小RNA（miRNA和ta-siRNA）的轉錄后調控。擬南芥中AtARF10，AtARF16，AtARF17是miR160的靶基因[36-37]，miR160對AtARF10和AtARF16的轉錄后對根冠形成的調控起重要的作用[38]。AtARF6和AtARF8是miR167的靶基因，miR167對AtARF6和AtARF8的調控對花藥和胚珠的成長發育起重要作用[39]。與擬南芥相比，在楊樹基因組中miR160和miR167家族的表達要多2倍，PoptrARF10.1～PoptrARF10.2， PoptrARF16.1～PoptrARF16.5 以及 PoptrARF17.1～PoptrARF17.2 是 miR160 的靶序列， PoptrARF6.1～PoptrARF6.3 和 PoptrARF8.1～PoptrARF8.2 是 miR167 的靶序列[23]。 AtARF2， AtARF3和AtARF4是ta-siRNA的靶基因[40-41]。TAS3 ta-siRNA對AtARF3和AtARF4轉錄后的調控，對擬南芥由幼年期轉變為成年期具有重要作用[42]。據推測，玉米的31個ZmARFs基因中，有18個是小RNA的靶基因。其中miR160的靶基因數目是7個，miR167的靶基因數目是6個，TAS3 ta-siRNA的靶基因數目是 5 個[12]。

4 展望

植物生長素響應因子（ARF）在植物許多生長發育過程，例如從根、莖到花、果的發育，不管在單子葉植物還是雙子葉植物中都起著重要的作用。目前，人們對ARF家族的研究正逐步深入，但它們成員之間的相互關系、功能是否存在冗余以及它們的調控機制還有待進一步探討。因此，明確ARF家族基因表達調控，并聯系它們在植物生長發育過程中的生物學功能是揭示ARF家族的必然途徑。

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