F-box蛋白參與植物逆境脅迫研究進展

許濤 夏冬健 萬菁 姜書涵 宋江華

（安徽農業大學園藝學院，合肥 230036）

植物逆境脅迫包括非生物脅迫和生物脅迫，非生物脅迫包括干旱脅迫、鹽脅迫、溫度脅迫、重金屬脅迫等；生物脅迫包括病原菌脅迫和昆蟲脅迫等。逆境脅迫不僅嚴重影響植物的生長發育，還對農作物生產造成巨大損失。因此，植物抗逆性的加強對環境和農業的可持續發展十分重要。植物為應對這些逆境須具有快速感知并適應周圍環境的能力，因此逐漸形成了多種復雜的調節機制來提高其抗逆能力［1-2］。大量研究表明，F-box蛋白家族成員廣泛參與植物對逆境脅迫的響應［3］。由F-box蛋白、Skp1、Cullin及Rbx1形成的 SCF（Skp-cullin-f-box）蛋白復合物參與泛素介導的蛋白質降解途徑，是最重要的生物調節體系之一。參與泛素-蛋白酶途徑（ubiquitin-proteasome pathway，UPP）通過調節功能蛋白或調節因子的豐度，從而調控生物體對逆境脅迫的響應［4-5］。

1 F-box蛋白結構及作用途徑

F-box蛋白的F-box基序位于N端，一般由40-50個氨基酸組成，與C端的其他基序相結合共同發揮作用［6-8］。許多F-box蛋白在C末端具有一個或多個變異度較大的蛋白質-蛋白質相互作用的結構域，該結構域通常是F-box蛋白亞家族分類的依據。例如，富含亮氨酸的重復序列（leucinte-rich repeat，LRR）、WD40重復序列、四倍體重復序列（tetraploid repeat，G-TPR）或Kelch重復序列，而這些結構域也賦予了F-box蛋白對底物泛素化的特異性［9-10］。在植物中，超過半數的F-box蛋白C末端為未知的保守結構域，除上述結構域外，蛋白質其他區域是非保守的［11］。

F-box蛋白序列差異性使得其功能更趨于多樣化，其作用途徑主要包括兩種方式：形成 SCF 復合體和非 SCF 復合體。SCF蛋白復合體（泛素連接酶E3）是由Skp1、Cul1、Rbx1和F-box蛋白家族中的某個成員組成，在參與的蛋白質降解途徑中，它們能使底物蛋白通過磷酸化的方式被蛋白酶體降解［12］。被降解的逆境相關蛋白為正調節蛋白或負調節蛋白。在正常條件下，SCF復合體降解抗逆反應中的正調節蛋白，而負調節蛋白處于活性狀態，抗逆反應關閉。在逆境條件下，SCF復合體降解抗逆反應中的負調節蛋白，解除抗逆反應的抑制，啟動抗逆反應；或使原本參與降解正調節蛋白的F-box蛋白不再表達，正調節蛋白不被降解，從而激發抗逆反應［13］。然而，也有少數功能未知的F-box蛋白是通過非SCF復合體方式發揮作用，目前對這類蛋白研究較少［14］。兩種蛋白復合體差異一般在于，非SCF型F-box蛋白N端F-box結構域無法與Cul1、Rbx1形成SCF復合物。但其可依賴F-box基序與Skp1結合形成復合體，或獨自行使功能［15］。這種作用模式在動物中有較多發現，而在植物中鮮有報道［16］。

2 F-box蛋白參與植物非生物脅迫

2.1 F-box蛋白與植物干旱脅迫

干旱脅迫下，植物各組織間水分分配受阻，生物膜受到損傷，進而導致光合作用減弱，滲透勢下降，影響植物正常生長。在干旱脅迫反應中，多數F-box蛋白通過影響植物激素脫落酸（abscisic acid，ABA）信號轉導來調控植物對干旱脅迫的響應。FOF2和FOL1在ABA介導的種子萌發和幼苗早期發育及干旱脅迫響應中發揮了重要作用［17］。屈麗娜［18］構建了擬南芥（Arabidopsis thaliana）雙突變體fof2fol1，在ABA不敏感突變體abi2-1中，ABA含量低于野生型，干旱或ABA對FOF2基因表達的誘導作用消失。而在過表達植株中，多個響應干旱和ABA相關基因：AT2G40170、AT247770、AT1G32560和 AT2G30580在轉錄水平表達量升高，表明FOF2通過ABA信號通路正向調節植物的耐旱性。安潔［19］研究表明，小麥（Triticum aestivum）F-box基因TaFBA1在ABA調控的氣孔關閉中是負調控因子，通過酵母雙雜實驗獲得了兩個與TaFBA1互作的蛋白，ABA的受體RCAR1和轉錄因子ABI5，其中TaFBA1與RCAR1的互作位置可能在細胞膜上。過表達TaFBA1使轉基因煙草（Nicotiana tabacum）植株氣孔開度增大，光合效率提高，與野生型相比耐旱性增強。

有些F-box蛋白在植物干旱脅迫中起負調控作用。大豆（Glycine max）F-box蛋白GmFBX176負調控ABA對干旱脅迫的響應，過表達GmFBX176基因的擬南芥植株成活率較低，且與野生型相比，失水率較高，脯氨酸、蔗糖和葉綠素含量降低，對干旱脅迫更敏感［20］。AtDIF1主要分布于細胞核內，AtDIF1過表達會促進擬南芥的幼苗生長，降低Na+含量和K+損失，增強植物對鹽脅迫的耐受性。干旱或ABA會誘導擬南芥AtDIF1的表達，過表達AtDIF1基因的植株對干旱脅迫的耐受性降低，而dif1突變體對干旱脅迫的耐受性更高，說明該基因在干旱脅迫中起負調控作用［21］。Chunthong等［22］在3個耐旱和2個干旱敏感的不育水稻（Oryza sativa）的品種中，篩選出了OsO2g51350基因，該基因在3個耐旱品種中均含有F-box結構域，而在2個干旱敏感型品種中則不存在，具有該結構域的水稻品種在干旱脅迫下的產量高于不含該結構域的水稻品種。因而OsO2g51350的F-box結構域對于干旱條件下維持作物產量起著非常重要的作用。擬南芥（Arabidopsis thaliana）中SAGL1基因介導了生物合成酶CER3的降解，負調控表皮蠟質的生物合成。因此，SAGL1的抑制表達導致植株生長遲緩，增加莖、葉和根的蠟質積累，從而增強植株的抗旱性［23］。

2.2 F-box蛋白與植物鹽脅迫

隨著設施農業的發展，土壤鹽漬化問題愈加嚴重，抑制了農業的生產。因此，鹽脅迫逐步成為影響農業生產最重要的環境脅迫因子之一。楊傳平等［24］研究了NaHCO3脅迫下紫桿怪柳（Tamarix androssowii）中F-box基因的表達情況，發現兩個F-box基因響應NaHCO3脅迫。葉武威等［25］在棉花（Gossypium spp）以及Luo等［26］在花生（Arachis hypogaea）中也相繼發現了與鹽脅迫相關的F-box蛋白。有研究表明干旱和鹽脅迫具有協同性，一些響應干旱脅迫的F-box蛋白也同時響應鹽脅迫，但調節方式會有所不同［14］。F-box蛋白TaFBA1通過ABA途徑提高轉基因煙草的耐旱性［18］。在鹽脅迫下，過表達TaFBA1基因煙草植株與野生型相比在根和葉中具有更低的Na+含量和更高的K+含量，質膜上的H+-ATPase和液泡膜中V-ATPase、PPase的活性也更高。由此推測TaFBA1的過表達提高了轉基因植株的鹽脅迫耐受性［27］。擬南芥F-box蛋白AtPP2-B11與AtLEA14為互作蛋白，干旱條件下，AtPP2-B11過表達植株的AtLEA14轉錄水平下降。AtPP2-B11為干旱脅迫負調節因子［28］，而在擬南芥鹽脅迫中為正調節因子［29-30］。F-box蛋白FOF2正調控植物耐旱，而在鹽處理下，FOF2基因過表達植株與野生型相比對鹽脅迫更敏感，fof2突變體對鹽脅迫的敏感性有明顯的下降。鹽脅迫反應相關基因SOS1、SOS2和SOS3均受鹽脅迫誘導，但在過表達植株中的表達水平低于野生型，fof2突變體中的表達水平則高于野生型。結果表明，FOF2在植物抗鹽脅迫響應中起負調控作用［31］。

2.3 F-box蛋白與植物溫度脅迫

溫度是制約植物生長的一種非生物因素，熱害、冷害和凍害都會影響植物正常生長發育。目前，關于F-box蛋白家族成員參與植物溫度脅迫反應方面的研究仍然較少。Liu等［32］發現辣椒（Capsicum annuum）中的兩個F-box基因為sy-2候選基因，可能導致了辣椒的溫度敏感表型。擬南芥F-box蛋白CPR1與UBC13相互作用以響應低溫脅迫［33］。在溫度脅迫中，不同的F-box基因表達模式不盡相同，這可能與F-box基因在植物中不同的作用機制有關。TaFBA1的過表達增強了轉基因煙草的熱脅迫耐受性，與野生型相比，轉基因煙草的生長抑制作用降低且光合作用增強。此外，TaFBA1的過表達上調了非生物脅迫反應基因：NtHSP101，NtHSP90，NtHSP82等的表達，并廣泛參與活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除和脯氨酸的生物合成［34］。microRNAs可通過抑制其靶基因的表達參與許多與植物抗逆性相關的分子機制和信號轉導途徑［35］，近年來研究發現一些F-box基因充當了microRNAs的靶基因這一角色。Tang等［36］研究發現，OsmiR528通過靶向F-box基因Os06g06050來調控應激反應相關轉錄因子OsMYB30的表達以提高水稻的耐低溫性。

2.4 F-box蛋白與植物重金屬脅迫

重金屬如鉻（Cr）、鎘（Cd）和鋁（Al）等對植物生長有害且影響正常生命活動。在重金屬脅迫下，植物體一般通過在細胞內或細胞間形成螯合肽和金屬硫蛋白，從敏感部位清除金屬離子［37］。在Cr處理的油菜（Brassica napus）籽長成的植株根系中，生長素信號 F-box3 蛋白高度表達［38］。Chen 等［39］從辣椒“P70”品種中克隆得到一個F-box基因CaF-box，進一步研究發現，CaF-box的表達在重金屬脅迫和滲透脅迫中均受到了抑制，推測它可能在重金屬應激反應中起負調控作用。Fang等［40］對耐Cd和Cd敏感的水稻品系進行磷酸化分析發現，F-box蛋白在水稻對Cd脅迫響應和抗性的磷酸化途徑中具有重要作用。擬南芥通過AtALMT1轉運蛋白分泌蘋果酸，以螯合Al并使Al解毒。C2H2型轉錄因子STOP1通過誘導包括AtALMT1在內的一系列基因的表達，在降低Al毒性積累中起著至關重要的作用［41］。Zhang等［42］在擬南芥中分離鑒定了一個F-box蛋白RAE1，STOP1可以結合RAE1啟動子并上調其表達，STOP1和RAE1之間存在反饋調節機制，并通過泛素-26S蛋白酶體途徑促進STOP1的泛素化和降解，從而調控植物對Al脅迫的抗性。

3 F-box蛋白與植物生物脅迫

大量研究表明隨著全球溫室效應不斷積累，高濃度CO2和UV-B輻射增強使病原菌繁殖力不斷提高，可能加速病原菌種群的進化，使其致病性和抗宿主免疫能力得到增強；冬季氣溫升高將降低害蟲越冬死亡率，春季氣溫升高將使越冬害蟲提前活動［43］。因此，提高農作物的抗生物脅迫性就顯得尤為重要。

Paquis等［44］利用差減雜交技術在葡萄（Vitis vinifera）中克隆得到了F-box基因BIG-24.1，發現BIG-24.1是一種調控葡萄防御灰霉菌的F-box基因，當葡萄受到灰霉菌（Botrytis cinerea）感染時，BIG-24.1 表達量顯著上升。當擬南芥受到丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）感染時，At2g02360（F-box-Nicta）基因的表達增強；超表達F-box-Nicta 的擬南芥能夠抑制 PstDC3000定植，減少葉片損傷［45］。水稻中的 F-box 基因 OsDRF1 能夠上調防御相關基因（PR1a、Sar8.2b）的表達來增強植株的抗病性，超表達 OsDRF1 的轉基因煙草對番茄花葉病毒（Tomato mosaic virus）和丁香假單胞菌的抗性增強，在接種番茄花葉病毒4 d 后和接種丁香假單胞菌7 d 后，轉基因植株的病害程度明顯弱于野生型［46］。F-box 蛋白MAX2是一種多功能蛋白，在植物各種應激和信號轉導過程中發揮重要作用［47-49］。氣孔閉合功能是植物抵抗細菌先天免疫反應中一個重要的組成部分，當病原體細菌接觸植物葉片時，植物能夠通過關閉氣孔來進行防御［50］。研究顯示，擬南芥 F-box 蛋白MAX2 能夠通過誘發氣孔關閉提高植物對細菌的抗性，而max2 突變體植株的氣孔導度增強，氣孔閉合受損，導致病原菌易于侵染［51］。

在植物防御昆蟲脅迫的系統中，脂質衍生的茉莉酮酸植物激素起著至關重要的作用。植物感知昆蟲侵襲，在局部和系統上會引起茉莉酮酸的快速合成，合成過程被F-box蛋白COI1所感知，從而進一步招募JAZ阻遏蛋白并進行泛素化降解，釋放出轉錄因子，隨后激活植物防御昆蟲侵襲的能力［52］。Balachiranjeevi等［53］在水稻中篩選了 71個與褐飛虱（Nilaparvata lugens）抗性相關的基因，其中Os01g37260是具有LRR結構域的F-box蛋白，該蛋白質可以提高水稻對生物脅迫的抗性（表1）。

表1 參與植物逆境脅迫的F-box蛋白Table 1 F-box proteins involved in plant stress

4 結語和展望

F-box蛋白家族成員眾多，在不同植物中的數量和種類不盡相同，大多數F-box蛋白主要是以SCF復合體形式參與泛素-蛋白酶體途徑發揮調節作用。近年來隨著研究的深入，該蛋白家族的功能被逐步鑒定出來。

然而，關于F-box蛋白在植物響應逆境中發揮的作用仍存在一些問題需要深入研究。（1）目前關于 F-box蛋白在逆境響應過程中的功能研究多集中于模式植物，如擬南芥、水稻等，在其他重要作物中的報道有限。（2）盡管發現了很多逆境相關F-box基因，但關于 F-box 蛋白的作用機制尚不明確，如參與植物抗病反應的 OsDRF1、ACIF1 和 SON1 的作用底物還未知，其靶基因及互作蛋白也不明確［55］。（3）有些F-box蛋白只對一種逆境產生響應，還有些可對多個逆境產生響應。如FBS1可調控茉莉酸（JA）和ABA信號響應基因，這些基因在植物對抗干旱、低溫等逆境脅迫中發揮重要作用［54］。目前，關于不同逆境交叉互作相關F-box蛋白的研究還比較少，今后可以利用蛋白質互作等技術進一步研究F-box蛋白在逆境脅迫中的交互作用。對F-box蛋白響應植物逆境的機制進行深入地研究，不僅可以篩選作物新的抗逆分子標記，而且對于培育作物抗逆新品種和促進作物增產增收等方面具有重要意義。