溫度形態建成信號轉導通路研究進展

付祥 韓俊艷 王昕

摘要 在非逆境高溫中，高等植物會發生一系列的形態變化以適應這種環境條件，這種變化被稱為溫度形態建成。研究溫度形態建成的分子機制可為抗熱育種提供理論依據，在全球變暖的大背景下該領域的研究就顯得尤為重要。高等植物已經進化出一套較為復雜的溫度形態建成信號轉導通路，以幫助植物對高溫做出正確的響應。綜述了溫度形態建成上游信號轉導通路的分子機制，并探討了未來的研究方向。

關鍵詞 溫度形態建成;phyB;COP1;PIF4;HY5

Abstract In nonstress high temperature，higher plants will undergo a series of morphological changes to adapt to such environmental conditions，which is called thermomorphogenesis.The study of thermomorphogenesis molecular mechanism can provide theoretical basis for heatresistant breeding，which is particularly important in the context of global warming.Higher plants have evolved a complex set of signal transduction pathway of thermomoerphogenesis for correctly responding to high temperature.In this paper，the molecular mechanism of upstream signal transduction pathway of thermomoerphogenesis was reviewed，and the future research direction was also discussed.

Key words Thermomorphogenesis;phyB;COP1;PIF4;HY5

在人類1萬多年的耕作歷史中氣溫一直相當穩定，處于當前水平或比現在略微低一些，植物也非常適應這種氣候模式。然而隨著全球變暖的持續加劇，這一氣候模式正發生著顯著的改變。氣候專家表示，全球平均氣溫在21世紀可能升高0.8～4.8? ℃[1]，這會使全球農作物面臨嚴重的減產威脅[2-5]。一項分析總結了1 700多項關于氣候變化和適應性對農作物產量影響的研究，結果顯示在21世紀下半葉，氣候變暖可能會對重要主食作物的產量產生負面影響[3]。

研究表明，培育作物水平的熱適應性可能逆轉這一負面趨勢[2-5]。在許多植物物種中，已經進化出了適應溫度升高的生長發育機制。溫度形態建成就是植物的一種適應溫度升高的生長發育機制，是指在溫和高溫范圍內，植物所發生的全部有利于適應高溫環境條件的形態變化。溫和高溫是指高于正常生長溫度且低于脅迫生長溫度的溫度范圍。在幼苗期溫度形態建成的主要表現為下胚軸伸長生長和子葉葉柄伸長及偏下性生長。下胚軸伸長使敏感的分生組織和光合活性組織遠離吸熱的土壤，同時也使這2部分更好地進入空氣流動性更強的環境中，從而實現更好的冷卻效果[6]。對溫度形態建成分子機制的研究，將為農作物抗熱育種提供理論指導和育種線索。鑒于此，筆者分析了前人對溫度形態建成上游信號轉導通路的研究成果，并探討了此領域未來可能的研究方向。

1 phyB溫度受體

1.1 phyB參與調控溫度形態建成 phytochrome B （phyB）是一種典型的光受體，以2種可以相互轉化的形式存在：一種是遠紅光吸收型Pfr（生理活性狀態），一種是紅光吸收型Pr（鈍化狀態）。紅光或白光照射可使Pr轉變為Pfr，抑制使下胚軸伸長;遠紅光照射或黑暗生長條件下Pfr轉變為Pr，促進下胚軸伸長。

目前的研究發現，phyB不但是一種光受體，同時還是一種溫度受體[7-8]。phyB 功能缺失型突變體phyB-1與phyabcde具有組成型溫度形態建成表型，在22 ℃條件下下胚軸依然劇烈伸長[7]。為了檢驗phyB-1與phyabcde的組成型溫度形態建成表型是由生長調節紊亂造成的，還是由溫度形態建成信號轉導途徑影響造成的，有研究者使用了轉錄組分析實驗來回答這一問題[7]。試驗使用phyabcde五突變體和YHB植物（這種植物中phyB被組成性激活，phyB被鎖定在Pfr活性狀態之中），檢測了這2種植物在溫度形態建成中與野生型的基因表達差異。結果顯示，在高溫激活的野生型擬南芥基因中，有大量基因在常溫生長的phyabcde中被激活;在常溫抑制的野生型擬南芥基因中，有大量基因在高溫生長的YHB中被抑制[7]，這說明phyB-1與phyabcde的組成型溫度形態建成表型是由溫度形態建成信號轉導通路受到影響造成的。染色質免疫共沉淀試驗證明，phyB能夠與溫度形態建成調控基因啟動子區結合，并且溫度升高會降低結合強度和被結合基因的數目[7]。phyB與高溫誘導基因ATHB2的啟動子區結合，并且結合區域與PIF1/3/4/5的結合區域重合[7]。因為phyB不具備DNA結合序列，轉錄因子PIFs能夠與phyB相互作用，并且PIFs中的PIF4/5參與溫度形態建成，所以phyB與溫度調控基因啟動子區的結合很可能是通過PIF4/5招募來實現的[7]。結合到靶基因的啟動子區后，phyB可能通過介導PIF4/5降解和將某些轉錄因子的轉錄激活活性轉變為轉錄抑制活性，來抑制植物的溫度形態建成[7]。

1.2 phyB對溫度的應答 與光類似，溫度也能夠使phyB在Pfr和Pr之間進行可逆轉換，這說明phyB具有響應溫度的能力[7-8]。溫度的提升能夠使phyB由生理活性狀態Pfr轉變為非生理活性狀態Pr，并且這種轉化既可以在黑暗中進行，也可以在光照下進行[7-8]。雖然溫度提升和光照對phyB存在狀態的影響是相反的，但是在光照條件下溫度提升依然能夠將Pfr轉變為Pr[8]。

綜上所述，溫度受體phyB執行功能的分子機制可能如下：溫度降低時，phyB由鈍化狀態Pr向活性狀態Pfr轉化，在轉錄因子PIF4/5的招募作用下結合到高溫誘導基因的啟動子區，并發揮轉錄抑制作用，植物的溫度形態建成受到抑制;溫度升高時，phyB由活性狀態Pfr向鈍化狀態Pr轉化，并從高溫誘導基因啟動子區脫落，phyB介導的轉錄抑制減弱，從而促進植物的溫度形態建成。

2 COP1與溫度形態建成

2.1 COP1參與調控溫度形態建成 COP1是一種非常重要的光形態建成負向調控因子，處于擬南芥光信號轉導途徑的中心位置，具有誘導光形態建成正向調控因子降解的功能。研究發現COP1突變體cop1-4喪失了高溫誘導的下胚軸伸長，這說明COP1溫度形態建成中的正向調控因子[9]。為了解析COP1在溫度形態建成中是如何發揮作用的，應研究COP1是如何響應溫度變化的，以及響應溫度變化以后COP1是如何將溫度信號向下游傳遞的。

2.2 COP1對溫度變化的應答 COP1的基因表達和蛋白質豐度都不受溫度變化的影響[9]。但是前人的研究表明，多種環境條件的變化能夠改變COP1的核質分布[10-11]。溫度也通過這種方式對COP1施加影響，即高溫能夠促進COP1的入核，提高COP1在細胞核中的豐度[9]。轉錄因子HY5是COP1的底物，而且也在溫度形態建成中發揮著重要作用[12]。所以在溫度形態建成過程中，HY5很有可能也是COP1的底物。研究表明，溫度升高加快了HY5的降解，并且此過程受到COP1的調控[12]。此外，COP1入核后還能促進另外一種溫度形態建成調控因子PIF4的積累，使PIF4蛋白質更加穩定[13]，但是精確的分子機制目前尚不清楚。

綜上所述，COP1執行功能的分子機制可能如下：溫度升高時細胞質中的COP1向細胞核中轉移，細胞核中的COP1豐度上升，這樣COP1在核中降解HY5蛋白以及促進PIF4蛋白積累的能力和強度得到了提升，從而促進了溫度形態建成的進行。

3 PIF4與溫度形態建成

3.1 PIF4參與調控溫度形態建成 PHYTOCHROME-INTERACTI-NG FACTORs（PIFs）是光信號轉導途徑中的負向調控因子，定位于細胞核，是一種bHLH轉錄因子，在黑暗中抑制光形態建成。目前發現的PIF共有6個，分別為PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF6、PIF7。在這6種PIFs轉錄因子中，PIF4和PIF5參與了溫度形態建成，并且互為冗余基因，其中PIF4占據優勢地位并執行主要功能[13]。PIF4是溫度形態建成中的正向調控因子，pif4突變體不具備野生型高溫誘導的下胚軸伸長表型[13]。

3.2 PIF4通過調控植物激素來發揮功能 PIF4在溫度信號轉導途徑途徑中的靶標主要是植物激素合成和信號轉導基因[3]。生長素和生長素信號轉導途徑是PIF4介導的下胚軸伸長溫度形態建成現象的必要組成部分[6，14-16]。當環境溫度上升時，擬南芥地上部分的自由生長素水平上升[6，14-15]。研究表明，這種上升可能是溫度升高促進了PIF4與靶標啟動子的結合，從而提高了生長素合成基因的表達量，這些基因包括YUCCA 8 （YUC8）、CYTOCHROME P450 FAMILY79B （CYP79B）和TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS 1 （TAA1）[14-15]。與此研究結果相對應，pif4突變體的自由生長素水平并未隨著環境溫度的升高而升高[6，14-15]。

除了生長素，油菜素內脂（brassinosteroids，BR）和赤霉素（gibberellins，GA）也在高溫誘導的下胚軸伸長生長中發揮重要的功能[6，13，16-21]。例如，BR信號轉導途徑中的轉錄因子BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）通過與PIF4的直接相互作用參與了高溫誘導的下胚軸伸長生長[17]。而且，BR生物合成突變體det2-1展現出了溫度形態建成應答缺失的表型[6]，抑制BR信號轉導途徑的藥物處理也能夠抑制溫度形態建成反應[16]。前人的研究表明，IAA與BR在分子層面協同發揮功能，這一模式在溫度形態建成中也有所體現。被高度激活的BR信號轉導途徑，可以使幼苗對高溫誘導的生長素水平提升更加敏感[16]，這種現象可能是通過對轉錄因子活性的調控實現的[22]。

在光信號轉導途徑中，GA的存在導致抑制PIF活性的DELLA蛋白降解[23-24]。溫度的升高會使擬南芥中主要的GA生物合成基因AtGA20ox1 和AtGA3ox1轉錄本豐度快速上升，會使主要的GA分解基因 AtGA2ox1轉錄本豐度快速下降[16]。而且，GA生物合成途徑及GA信號轉導途徑的突變體都出現了溫度形態建成反應異常的現象[16]。這些結果說明，GA生物合成途徑和GA信號轉導途徑都是溫度形態建成反應正常進行所必需的。

4 溫度形態建成研究領域有待解決的問題

目前，距離完全解析溫度形態建成調控機制還有一段距離，這一領域仍有很多懸而未決的問題有待解決。

第一，溫度形態建成信號轉導途徑中很可能還有許多仍未被發現的調控因子。溫度形態建成過程中依然有很多尚未被闡明分子機理的生理現象，使用目前已發現的調控因子無法給出滿意的解釋。這就需要我們去尋找新的調控因子來填補這些空白。

第二，已被鑒定的溫度形態建成調控因子之間的關系還有待研究。例如，PIF4與溫度受體phyB的關系已被初步闡明[7]，但是溫度信號是如何傳遞到COP1的目前還不清楚。在光信號轉導途徑中多種光受體能夠將光信號傳遞給COP1，可以根據此思路來尋找這一問題的答案。

第三，與溫度形態建成相互沖突的信號轉導途徑是如何與其整合在一起的。以溫度形態建成和光形態建成為例，在29 ℃光照條件下擬南芥進行溫度形態建成，下胚軸伸長被促進;同時，還要進行光形態建成，下胚軸伸長被抑制。這2種形態建成策略就出現了矛盾，會給植物發出完全相反的調控信號。該研究所闡述的phyB、COP1、PIF4和HY5就都是被溫光信號互逆調控的重要因子。在短日照培養條件下，植物一般會避開光照在黑暗中進行下胚軸的生長，以此方式解決這一矛盾。在持續光照培養條件下，如果光強較低擬南芥還能夠促進下胚軸伸長;如果光強較高則基本不能促進下胚軸的伸長。雖然科學家們對這一現象已經進行了一定的研究，但是對于植物解決這種矛盾的分子機制目前還不太清楚。

研究溫度形態建成的信號轉導通路既有重要的理論意義，也有重大的應用潛力。因此，深入解析溫度形態建成的分子機制將會得到越來越多科學家的關注，并且其重要性也會穩步上升。

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