庇蔭反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路研究進展

朱樂音，王昕

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

庇蔭反應(yīng)是一個包括光信號系統(tǒng)和植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路在內(nèi)的級聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)，此領(lǐng)域目前的研究主要集中在模式植物擬南芥中。根據(jù)目前的研究，多種光受體通過影響光敏色素相互作用因子（PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs，PIFs）的活性來調(diào)控庇蔭反應(yīng)[1]。作為諸多下游信號級聯(lián)反應(yīng)的主要開關(guān)，PIFs通過調(diào)控許多下游轉(zhuǎn)錄因子的表達來發(fā)揮功能，這些被調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄因子正向或反向調(diào)控許多生長發(fā)育過程，包括早花、伸長反應(yīng)和分枝等[2]。本文根據(jù)近年來庇蔭反應(yīng)的研究進展，重點對擬南芥庇蔭反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控因子進行了綜述，以期闡明庇蔭信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的分子機制。

1 光受體調(diào)控庇蔭反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機制

在植物中，目前主要有四大類光受體得到了鑒定。這些光受體包括吸收紅光和遠紅光的光敏色素（Phytochromes，Phys）、吸收藍光的隱花色素（Cryptochromes，Crys）、吸收藍光的向光素（Phototropins，Phots）和吸收紫外光B（UV-B）的紫外光受體（UV-B RESISTANCE8，UVR-8）。

光敏色素具有兩種光誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)換模式，即紅光吸收型（Pr）和遠紅光吸收型（Pfr）。在擬南芥中發(fā)現(xiàn)了5個光敏色素基因（PHYA～PHYE）[3]。在調(diào)控庇蔭反應(yīng)的過程中，PHYB發(fā)揮著主要的作用。擬南芥中phyB突變體在正常和高紅光-遠紅光比例的光照條件下都表現(xiàn)出組成型的庇蔭反應(yīng)，這說明PHYB是庇蔭反應(yīng)的負向調(diào)控因子[3]。PHYA的Pfr形式不穩(wěn)定，而PHYB～PHYE的Pfr形式則較穩(wěn)定。PHYB失活所誘導(dǎo)的庇蔭反應(yīng)被PHYA的拮抗作用所抑制，這一拮抗作用被低紅光-遠紅光比例的光照條件強烈地誘導(dǎo)，從而避免了植物過度的伸長反應(yīng)[2]。

在擬南芥中，隱花色素包括CRY1、CRY2和CRY3。在任何光照條件下，CRY1都能在細胞核和細胞質(zhì)中被檢測到，而CRY2則主要分布于細胞核中，并且在藍光下被降解[4]。CRY1和CRY2不僅只在PIF4和PIF5的上游發(fā)揮功能，而且也與PIFs直接相互作用并調(diào)節(jié)其活性，從而在低藍光條件下促進庇蔭反應(yīng)[4]。

2 PIF轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控庇蔭反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子機制

作為基本的螺旋-環(huán)-螺旋（basic Helix-Loop-Helix，b-HLH）家族成員，PIFs的基本功能是通過與光受體相互作用的方式來調(diào)節(jié)光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，例如光形態(tài)建成和庇蔭反應(yīng)[2]。一些PIF蛋白，如PIF1和PIF3，能夠與PHYB和PHYA發(fā)生相互作用；而另一些PIF蛋白，如PIF4、PIF5和PIF7，則更加傾向與PHYB發(fā)生相互作用。與PHYB發(fā)生相互作用后，PIF3、PIF4和PIF5被快速磷酸化，然后通過泛素降解途徑被降解[2]。然而，與其他同類物不同的是，PIF7在光下不能被快速降解。

PIF4和PIF5是庇蔭反應(yīng)的陽性調(diào)節(jié)因子[2]。在庇蔭條件下pif4和pif5單突變體以及pif4/pif5雙突變體的下胚軸都要明顯短于野生型[2]。PIF5的過表達植物即使不在庇蔭條件下也依然具有庇蔭反應(yīng)的表型[3]。在對低紅光-遠紅光比例光條件感知后，光敏色素會促進PIF4和PIF5的積累[2]。PIF1和PIF3也在庇蔭反應(yīng)中發(fā)揮功能，但與PIF4和PIF5相比要弱一些[5]。與PIF1、PIF3、PIF4和PIF5相比，PIF7在PHYB介導(dǎo)的庇蔭反應(yīng)中占主導(dǎo)作用，因為pif7突變體具有更加嚴(yán)重的庇蔭反應(yīng)缺陷表型[6]。然而pif7和pifq突變體依然具有殘存的庇蔭反應(yīng)表型，這說明在庇蔭反應(yīng)中依然有著尚未被發(fā)現(xiàn)的通路或因子。

3 植物激素在庇蔭反應(yīng)中的功能

當(dāng)植物生長在庇蔭環(huán)境中，感受到低紅光-遠紅光比例的PHYB會下調(diào)活性狀態(tài)的PHYB（Pfr）的數(shù)量，導(dǎo)致PIFs轉(zhuǎn)錄因子在細胞核中的積累并促進庇蔭反應(yīng)下游基因的表達。低藍光條件會降低CRY1的活性、增加PIF4和PIF5的積累量，在伴有低紅光-遠紅光比例的條件下這一作用還會被進一步加強。PIFs是諸多信號的整合中樞，它能夠激活很多靶基因，如生長素合成相關(guān)基因，進而控制庇蔭反應(yīng)[7]。在低比例的紅光-遠紅光條件下處理1 h內(nèi)，擬南芥地上部分吲哚-3-乙酸（Indole-3-Acetic Acid，IAA）的含量增加超過50%[8]。除了生長素，赤霉素（Gibberellins，GAs）和油菜素甾醇（Brassinosteroids，BRs）也在庇蔭反應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用[9-10]。

3.1 生長素在庇蔭反應(yīng)中的功能

IAA作為生長素的主要自然形式，在調(diào)控植物生長發(fā)育的過程中發(fā)揮著許多功能，例如保持頂端優(yōu)勢、對光照和重力的應(yīng)答、根和莖的形成、維管束的分化、胚胎發(fā)育和莖的伸長等。基因Shade Avoidance 3（SAV3）和植物擬南芥色氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶1（Tryptophan Aminotransferase of Arabidopsis 1，TAA1）是通過使用正向遺傳學(xué)技術(shù)篩選而得到的庇蔭反應(yīng)應(yīng)答缺陷突變體，SAV3和TAA1突變會導(dǎo)致下胚軸伸長對低紅光-遠紅光比例光條件應(yīng)答的減弱[8]。作為主要在子葉中表達的基因，TAA1編碼一個催化色氨酸（Tryptophan，Trp）轉(zhuǎn)化形成吲哚丙酮酸（Indole-3-Pyruvic，IPA）的關(guān)鍵酶[8]。在IAA生物合成過程中，由IPA到IAA的轉(zhuǎn)化是一個限速步驟，這個步驟由YUCCAs（YUCs）基 因 催 化 完 成[8]。YUC2、YUC5、YUC8和 YUC9被PIF4、PIF5和PIF7直接激活，并且yuc2、yuc5、yuc8、yuc9存在對庇蔭反應(yīng)應(yīng)答的缺陷[8]。

除了生長素合成和轉(zhuǎn)運，生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路也在庇蔭反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。Transport Inhibitor Response 1（TIR1）突變體tir1對低紅光-遠紅光比例的光照條件不敏感；在下胚軸中，PIF4能夠誘導(dǎo)生長素早期應(yīng)答基因IAA19和IAA29的轉(zhuǎn)錄，它們能夠降低生長抑制基因IAA17的表達水平；3個生長素應(yīng)答因子（ARF6、AFR7和ARF8）負責(zé)下胚軸伸長對低紅光-遠紅光比例光照條件的應(yīng)答[7]。進一步的證據(jù)表明，生長素在庇蔭反應(yīng)中的作用分為兩個階段：在庇蔭反應(yīng)發(fā)生最初的幾個小時內(nèi)，生長素含量發(fā)生明顯提升[8]；但在接下來的時間里，PIFs的豐度、部分的生長素受體以及這些受體下游的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子就發(fā)生了促進伸長生長的變化，而生長素的含量則恢復(fù)到了庇蔭反應(yīng)發(fā)生前的水平[7]。

3.2 赤霉素在庇蔭反應(yīng)中的功能

GAs在調(diào)節(jié)多種生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要功能，例如種子萌發(fā)、細胞伸長、開花誘導(dǎo)和果實發(fā)育[9]。在低紅光-遠紅光比例和低藍光光照條件下，phyB突變體誘導(dǎo)的下胚軸伸長被赤霉素合成突變體強烈地抑制，且赤霉素合成抑制劑PAC能夠抑制phyB突變體的長下胚軸表型[8]。GA20ox3是GAs生物合成過程中的關(guān)鍵因子，在低紅光-遠紅光比例條件下，此基因的表達量顯著上升[11]。所以，GAs在庇蔭反應(yīng)誘導(dǎo)的下胚軸伸長生長中發(fā)揮了重要的作用。

目前，PHYB影響GAs含量的確切證據(jù)尚不充足，可能與GAs的活性形式多樣有一定關(guān)系。與野生型相比，phyB突變體中一些GAs活性形式的含量沒有明顯差別，而某些活性形式的含量又低到無法檢測。雖然PHYB是否調(diào)節(jié)GAs生物合成目前尚不明確，但是phyB突變體對GAs的處理卻是不敏感的，這說明PHYB可能并不影響GAs的生物合成。GAs與其受體結(jié)合后，被激活的受體誘導(dǎo)GAs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的生長抑制因子DELLA蛋白降解。在擬南芥中，DELLA蛋白包括5個成員：Repressor of GA（RGA）、Gibberellic Acid Insensitive（GAI）、RGA-LIKE 1（RGL1）、RGA-LIKE 2（RGL2）和RGA-LIKE 3（RGL3）。在低紅光-遠紅光比例的條件下，GAI的轉(zhuǎn)錄水平被抑制，同時這種抑制又被PHYA所減弱[11]。而且，phyB突變體含有組成型低水平的RGA，低紅光-遠紅光比例的光照條件會造成RGA積累量的快速下降[11]。低紅光遠紅光比例條件下，gai/rga/rgl1/rgl2四突變體子葉葉柄長度與野生型相比沒有明顯差異，但是下胚軸卻明顯長于野生型，說明DELLA蛋白的降解對子葉葉柄的伸長是非必需的，但是在下胚軸伸長的調(diào)節(jié)中卻發(fā)揮著重要的作用[9]。DELLA蛋白的積累嚴(yán)重削弱了PIFs轉(zhuǎn)錄因子與靶基因啟動子的結(jié)合，從而抑制了PIFs對下胚軸伸長的調(diào)控[11]。

3.3 油菜素甾醇在庇蔭反應(yīng)中的功能

擬南芥中，幼苗經(jīng)BRs合成突變體（dwarf和rot3）與合成抑制劑處理后沒有庇蔭誘導(dǎo)的下胚軸伸長現(xiàn)象，但BRs在低紅光-遠紅光比例誘導(dǎo)的子葉葉柄伸長中發(fā)揮著重要作用，其受體Brassinosteroid Insensitive 1（BRI1）的表達量顯著提升[10,12]。Brassinazole Resistant 1（BZR1）通過與PIF4相互作用來調(diào)節(jié)它們共有的靶基因，這些靶基因包括被光照抑制的生長素應(yīng)答基因和細胞壁相關(guān)基因；DELLA-BZR1-PIF4模塊通過激活生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的基因和細胞伸長相關(guān)基因來拮抗光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[12]。因此，這一分子模塊也可能在庇蔭反應(yīng)中發(fā)揮類似的功能，但這一可能性還需要進一步的研究來證明。

4 結(jié)語

綜上所述，在庇蔭條件被多種光受體共同感知后，這些光受體對轉(zhuǎn)錄因子PIFs的抑制作用就被削弱了；PIFs具有激活多種植物激素的能力，而這些激素具有促進庇蔭反應(yīng)的功能。這一信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑勾畫出了一個比較完整的庇蔭反應(yīng)調(diào)控過程。

作為一個很好的模型系統(tǒng)，擬南芥可以用來揭示和剖析調(diào)節(jié)庇蔭反應(yīng)的機制，因為其中一些機制在進化過程中可能是保守的。但從其他植物種類的分析中也發(fā)現(xiàn)了一些重要的差異，因此需要在其他植物中獲取更多的實驗證據(jù)。在自然條件下，植物除了庇蔭外還要經(jīng)受其他的脅迫條件，如低R∶FR條件似乎主要抑制了植物對土壤中缺磷、干旱、病原體和有益微生物的適應(yīng)性反應(yīng)[13]；低R∶FR還可以增強抗凍能力，但隨著全球氣溫升高，低R∶FR對某些環(huán)境壓力的影響可能會變得更加嚴(yán)重[13-14]。闡明庇蔭反應(yīng)與其他脅迫（包括生物和非生物脅迫）之間的相互作用，有利于提高植物在高種植密度下的適應(yīng)性和抗逆性。未來，除了進一步探索庇蔭反應(yīng)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)外，還需要關(guān)注耐陰反應(yīng)的機制。盡管耐陰物種的表型可塑性較低（例如在弱光下伸長不足），但在這些植物中某些特征（如優(yōu)化光捕獲的形態(tài)特征）的可塑性很高[15]。長須小豆蔻是擬南芥的近親，有人認(rèn)為長須小豆蔻缺乏遮陰誘導(dǎo)的下胚軸伸長反應(yīng)是光敏色素a光受體阻劑活性增強造成的[16]。

在我國人均耕地面積嚴(yán)重低于世界人均耕地面積的情況下，人們通常希望通過密植來提高單位面積的糧食產(chǎn)量。但密植會引起庇蔭反應(yīng)并降低單株農(nóng)作物的產(chǎn)量，從而威脅到單位面積產(chǎn)量。因此，通過研究庇蔭反應(yīng)的調(diào)控機制為培育耐陰農(nóng)作物提供理論依據(jù)，對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有廣泛的應(yīng)用價值。