談乙烯訊號轉導及其在植物逆境響應中的作用論文
談乙烯訊號轉導及其在植物逆境響應中的作用論文
乙烯是一種結構簡單的小分子化合物，作為一種重要的氣態植物激素，參與調節植物生長髮育的多個過程;此外，乙烯也在植物響應生物和非生物脅迫過程中起重要的調控作用。典型的乙烯反應是黑暗條件下幼苗生長呈特別的“三重反應”，在擬南芥中表現為下胚軸變粗變短，主根生長受到抑制，並且頂端彎鉤加劇。
依據“三重反應”表型，在模式植物擬南芥中鑑定了一系列乙烯反應的突變體。透過對突變體進行分子遺傳學研究，在擬南芥中建立了從內質網膜上對乙烯訊號感知到細胞核內轉錄調控的一條線性乙烯訊號轉導模型。擬南芥乙烯受體家族由5 個成員構成，ETR1、ERS1、ETR2、ERS2 和EIN4，正常情況下，乙烯受體處於啟用狀態，與一個Raf 類的Ser/Thr 蛋白激酶CTR1 結合並定位在內質網膜上，當乙烯結合到受體上時會改變其構象，使其進入無活性或關閉狀態，處於關閉狀態的受體無法與CTR1 結合;失活後的受體-CTR1複合體不再磷酸化下游組分EIN2，此時EIN2 因不被降解而啟用，使得乙烯訊號得以向下遊傳遞。EIN2 定位於細胞的內質網膜，EIN2 的C端可以發生剪下並進入細胞核啟用乙烯的下游訊號分子。位於EIN2 下游的是EIN3/EILs 轉錄因子，啟用的乙烯訊號會阻斷F-box 蛋白成員EBF1 和EBF2 介導的EIN3 降解;EIN3/EIL1 作為乙烯訊號傳遞中的初級轉錄因子啟用ERFs、EBF2、PORA 和PORB 等下游基因表達，完成乙烯應答反應。本文主要以模式植物擬南芥為例，對乙烯受體、乙烯訊號轉導途徑的關鍵組分及其分子調控的最新研究進展進行綜述;同時對乙烯訊號轉導在植物響應逆境脅迫反應中的作用進行探討。
1 乙烯受體及其調控因子
乙烯訊號的感知開始於乙烯分子與其受體的相互識別和結合，乙烯與其受體的高度親和需要銅離子(Cu+)作為輔助因子。在模式植物擬南芥中共發現5 個乙烯受體蛋白，包括ETR1、ERS1、ETR2、ERS2 和EIN4 ;乙烯受體定位於內質網膜上，以負反饋形式控制乙烯訊號的輸出。根據乙烯受體蛋白氨基酸序列的相似性，5 個受體成員又進一步分為了兩個亞族，亞族1 包括ETR1 和ERS1，亞族2 包括ETR2、ERS2 和EIN4。乙烯受體蛋白結構比較保守，與細菌和真菌中存在的雙組分蛋白激酶結構類似，N 末端為結合乙烯的疏水性跨膜域;中部有1個保守的GAF 域;C 末端有一個與下游訊號組分蛋白互作相關的組氨酸激酶訊號輸出域。研究發現，進化上保守的RTE1(REVERSIONTO-ETHYLENE SENSITIVITY1)能夠與乙烯受體互作並且負調控乙烯反應。RTE1 在真核生物中普遍存在，已從不同物種中克隆了RTE1 同源基因，例如番茄的SlGR 和SlGR1 等。遺傳分析表明，擬南芥RTE1 特異性地作用於乙烯受體ETR1，對其它的乙烯受體沒有顯著影響。為了深入瞭解RTE1的分子調控作用，Chang 等透過Split-Ub 篩選得到了RTE1 的互作蛋白細胞色素b5 和一個脂類轉運蛋白分子LTP1，初步分析表明細胞色素b5 和LTP1 參與乙烯受體ETR1 訊號轉導的分子調控。2 乙烯訊號轉導中的內質網- 核橋接通路CTR1 是乙烯受體下游的另一個負調控因子。CTR1 的N 端可以與內質網上的乙烯受體相結合。利用Co-IP 分析在體內與CTR1 結合蛋白髮現，可以從內質網組分中純化得到ETR1 蛋白，直接證明CTR1 存在於內質網並與ETR1 形成複合物。CTR1 的C 端具有類似於哺乳動物Raf 的絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶的結構，體外磷酸化實驗表明CTR1具有絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶活性，活性特徵類似於Raf1，但是CTR1 與Raf 相比，缺少鋅指結構和結合Ras 蛋白的結構域，說明CTR1 與MAPKKK 還存在一定的不同。
EIN2 是位於CTR1 下游的乙烯訊號轉導組分，EIN2 的功能缺失突變體對乙烯完全不敏感，是乙烯訊號轉導中的正調控組分。EIN2 基因編碼一個定位於內質網膜的跨膜蛋白。研究結果表明，EIN2 的N端作為一個跨膜結構接受上游的.訊號，而C 端參與了乙烯的訊號轉導並將訊號向下轉導，即EIN2 啟用下游乙烯訊號的“剪下、穿梭”模型。當細胞內乙烯濃度較高時，EIN2 被啟用且其C 端(CEND)被蛋白酶剪下而脫離內質網進入細胞核並以某種方式啟用EIN3/EIL1 和乙烯反應。Li 等發現細胞質中的EIN2 識別並結合EBF1/2 mRNA 的3'-UTR，並透過招募EIN5 等相關調節因子形成點狀結構P-body，進而抑制EBF1/2 mRNA 的翻譯，導致EBF1/2 蛋白含量急劇減少，使得EIN3/EIL1 在細胞核內大量積累，從而啟用下游乙烯反應。3 乙烯訊號下游的轉錄調控因子EIN3 編碼一個細胞核內的轉錄因子蛋白，在乙烯訊號轉導途徑中位於EIN2 下游。擬南芥中有5 個EIN3 的類似蛋白EILs(EIN3-like proteins)，分別為EIL1-EIL5，對擬南芥EIN3/EILs 家族6 個成員的研究發現，其中EIL1 與EIN3 的相似度最高，正調控擬南芥乙烯反應。EIN3/EIL1s 作為轉錄因子直接結合下游的ERF 基因啟動子上的特定DNA 序列，來誘導ERF 基因的轉錄。屬於泛素連線酶類的SCF 複合體中的兩種F-box 蛋白EBF1/EBF2 位於EIN3/EILs 上游，可以在細胞核內直接與之發生互作。EBF1 和EBF2 調控EIN3/EIL1 蛋白的積累和穩定性，間接對乙烯反應起負調控作用。同時EIN3/EIL1可作為連線乙烯訊號和茉莉酸訊號調控植物發育和逆境脅迫。
4 乙烯訊號在植物逆境響應中的作用
4.1 在鹽脅迫響應中的作用
鹽脅迫是影響植物生長最主要的逆境因素之一，乙烯作為一種逆境脅迫響應激素在植物抗鹽過程中起著重要的作用。一定水平的乙烯合成速率有利於增強植物體的鹽脅迫抗性，例如，乙烯合成前體ACC 處理可以顯著增加野生型擬南芥幼苗在高鹽環境下的抗鹽能力和成活率。同時，鹽脅迫也會誘導乙烯的合成。高鹽脅迫下，擬南芥中ACC 合成酶基因AtACS4 和AtACS7 的表達水平明顯提高;菸草中NtACS1、NtACO1、NtACO2 和NtACO3 基因的表達也受鹽脅迫的誘導[24]。此外，乙烯訊號轉導途徑中的各個組分也參與植物的鹽脅迫反應。研究發現，在鹽和滲透脅迫條件下，擬南芥乙烯受體基因ETR1 的轉錄水平和蛋白丰度都顯著下降;與野生型相比，功能獲得性突變體etr1-1、ein4-1 和etr2-1 在種子萌發和幼苗生長髮育階段表現出對鹽的敏感性;相反，功能缺失突變體etr1-7 則表現出耐鹽的表型特徵。在菸草中也發現，菸草乙烯受體基因NTHK1 受鹽誘導，異源表達菸草NTHK1 的轉基因擬南芥對鹽的敏感性明顯增加，而且也改變了鹽應答相關基因的表達，例如促進了AtERF4，COR6.6，RD17，RD21A 和VSP2基因的表達，但抑制了BBC1，LEA 和AtNAC2 基因的表達。乙烯訊號轉導的負調控因子CTR1也參與植物的鹽脅迫反應。與野生型相比，ctr1-1 突變體在種子萌發和幼苗生長階段表現組成型的乙烯反應和鹽脅迫抗性。EIN2 在響應鹽脅迫的過程中起著正調控作用，擬南芥功能缺失突變體ein2-1和ein2-5 在種子萌發、幼苗生長及營養生長階段都表現出鹽敏感的表型，種子萌發和幼苗生長均延遲。EIN3 是乙烯訊號轉導中的正調控因子，在鹽脅迫下，EIN3 的表達水平達到最大，EIN3 蛋白積累。擬南芥功能缺失突變體ein3-1 對鹽的敏感性明顯增加;過表達EIN3 株系則表現出較強的耐鹽性。作為乙烯訊號途徑下游組分，ERFs 轉錄因子家族透過識別不同的順式作用元件，調節多種功能基因的表達，參與植物逆境脅迫應答。許多ERF基因，例如擬南芥AtERF1、AtERF5、ESE1、ESE2、ESE3，小麥TaERF1，大豆GmERF7，茉莉酸和乙烯響應因子JERF1/3 的表達都受乙烯和鹽脅迫誘導。擬南芥Aterf98-1、白菜BrERF4、枸杞子LchERF、苜蓿MsERF11 和番茄SlERF5 基因的過表達都提高了轉基因株系的鹽脅迫抗性。綜上可見，無論是外施乙烯還是過表達乙烯合成基因，或是加強乙烯訊號轉導，都會增加植物對鹽脅迫的耐受性。但也有報道指出，增加體內乙烯含量會提高植物對鹽脅迫的敏感性，例如，ACS7 和MPK9 在促進乙烯合成後又導致植物對鹽敏感性增加;在水稻中SIT1 促進乙烯合成後降低耐鹽性，並且過表達OsEIL1 或OsEIL2 都使植物對鹽敏感性增加。這些結果表明乙烯的動態平衡在植物的鹽脅迫反應中可能發揮更重要的作用。
4.2 在乾旱脅迫響應中的作用
乾旱是影響農業生產的主要非生物脅迫因子，嚴重威脅著作物的生存及其產量。研究顯示，乾旱脅迫下植物體內積累乙烯並影響植物的抗旱能力。大豆中乾旱脅迫上調乙烯合成相關基因的表達，但抑制乙烯訊號途徑中的CTR1 表達。利用基因沉默技術抑制轉基因玉米中的乙烯水平，能顯著提高幹旱環境下的玉米產量。乾旱環境下，植物透過調控基因表達實現對環境條件的適應，其中在轉錄水平的調控研究較多。植物中有許多脅迫相關的轉錄因子家族，例如bZIP、WRKY、AP2/ERF 和MYB等。其中ERF 轉錄因子早期被稱作乙烯應答元件結合蛋白(EREBP)，是植物特有的一類轉錄因子，屬於AP2/ERF 轉錄因子家族。在已經發現的ERF 轉錄因子中，一部分ERF 轉錄因子透過與GCC-box 的結合調控植物抗病相關基因及其它訊號途徑的基因表達;另一部分ERF 轉錄因子則透過與DRE 順式作用元件的結合調控植物對非生物脅迫的響性。目前已經證實了很多ERF 類轉錄因子與植物抗旱性有關。在菸草乙烯不敏感突變體中，乾旱脅迫可誘導菸草NtAP2 和NtERF 基因家族成員的高水平表達，耐旱性顯著提高[48]。在水稻、菸草、番茄和小麥中過表達JERF3，GmERF3，SlERF5，可提高對乾旱脅迫的抗性。同時，ERF 轉錄因子在植物脅迫應答中，除了作為轉錄啟用子啟用植物脅迫相關的基因表達外，某些ERF 轉錄因子也可作為轉錄抑制子，抑制某些脅迫相關基因的表達，例如，擬南芥中的ERF 轉錄因子RAP2.1 可以在體內直接和乾旱和低溫響應的功能基因(RD/COR)啟動子區域的DRE 元件結合從而抑制這些基因的表達。擬南芥AtERF4 也透過負調節植物防衛基因PDF1.2的表達，進而調控乙烯反應;在擬南芥中過量表達AtERF4 將導致植株對乾旱更為敏感。
4.3 在低溫脅迫響應中的作用
與其他環境脅迫不同，低溫脅迫下植物體內乙烯含量明顯降低並維持在較低水平。乙烯合成基因過表達或外施ACC 會提高內源乙烯含量從而降低植物體的耐寒性;相反，外施乙烯抑制劑AVG 或AgNO3 時則會增強植物體對低溫的抵抗能力，說明乙烯在植物響應低溫脅迫中起負調控作用。另外，乙烯不敏感突變體如etr1-1、ein4-1、ein2-5、ein3-1和ein3 都表現出抗寒性增強，過表達EIN3 則會降低植物的抗寒性。
乙烯參與植物抗寒性主要是透過CBF 依賴的冷響應基因和A- 型的ARRs 基因而實現的。CBF 基因屬於AP2/ERF 轉錄因子家族中的成員，調控上百種COR 基因的表達，它們的啟動子含有保守基序CCGAC，稱為CRT/DRE 順式調節元件。CBF 可以識別並結合啟動子區的CRT 序列，調控這類COR基因的表達。擬南芥中參與低溫訊號途徑的CBF 基因有3 個，CBF1/DREB1B、CBF2/DREB1C 和CBF3/DREB1A。CBF1和CBF3敲除株系表現冷敏感的表型，cbf2 缺失突變體植株則表現抗低溫;擬南芥中過表達CBFs 植株表現出比野生型植株更加抗冷、抗旱和抗鹽的表型;說明CBFs 是低溫訊號途徑中的正調控因子。還有一些AP2/ERF 轉錄因子也參與植物的低溫脅迫應答。例如，TERF2/LeERF2 可結合ACS，ACO 等乙烯合成基因的啟動子元件，啟用它們的表達，乙烯進而啟用低溫脅迫相關基因PRB-1b，Osmotin 的表達，提高植物對低溫的耐受性。過表達菸草TERF2 的番茄植株體內的滲透調節物質含量和葉綠素水平明顯提高，ROS、MDA 含量和離子滲漏明顯降低;同時還激活了低溫相關基因OsFer1，OsTrx23 和OsLti6 等的表達，對低溫脅迫的抗性明顯提高;而反義表達TERF2 的番茄植株則降低了對低溫的耐受能力，但噴施外源乙烯可恢復番茄植株的低溫抗性，表明TERF2 透過乙烯訊號途徑來調控對低溫脅迫的抗性反應。在葡萄中，低溫促進乙烯釋放，施用乙烯合成抑制劑降低其抗冷性，而過量表達VaERF057 則提高轉基因擬南芥的抗冷性，說明乙烯在調控植物的低溫脅迫反應中作用不同，可能與植物種類有關。
4.4 在生物脅迫響應中的作用
乙烯不僅在植物的非生物脅迫響應中發揮作用，植物中還存在大量與生物脅迫響應有關的ERF 型轉錄因子。擬南芥AtERF1、AtERF2 和AtERF14 基因透過乙烯和茉莉酸訊號轉導途徑，在抵抗生物脅迫過程中起著至關重要的作用，過表達AtERF2 表現出較強的抗病性以及能誘導大量抗病相關基因的表達。轉基因植株中過量表達海島棉乙烯反應相關因子GbERF1，透過啟用木質素合成提高了黃萎病抗性。菸草中分離的Tsi1 基因，特異地與GCC盒和DRE/CRT 元件結合;過表達Tsi1 的轉基因菸草植株對鹽脅迫和細菌的耐受能力明顯提高。在擬南芥中超量表達番茄基因Pti4，能夠啟用水楊酸調控基因PR1、PR2 的表達，同時啟用茉莉素及乙烯調控基因PR3、PR4、PDF1.2 和Thi2.1 的表達。番茄Pti4 在擬南芥中超表達也提高了其對真菌病原物和細菌病原物的抵抗能力。研究表明，植物激素參與不同的防禦相關基因的啟用，在激素介導的逆境脅迫防禦中起著重要的橋樑作用。
5 展望
乙烯訊號轉導是一個複雜的分子調控過程，訊號傳導途徑的每個重要組分在不同分子水平上受到嚴格的調節和控制。過去幾年，雖然人們對乙烯訊號傳導途徑及其重要組分的分子調控取得了一些進展，但關於乙烯訊號轉導的分子機制和乙烯反應調控因子的作用機制仍遠未探究清楚，很多乙烯反應和乙烯訊號轉導的重要調控因子尚未挖掘出來。特別是乙烯受體的調控因子有哪些，乙烯受體的訊號轉導如何調控，調控因子的分子作用機制等，都是亟需回答的重要科學問題。同時，乙烯訊號傳導途徑並不是獨立存在的，與其它植物激素如生長素、赤黴素、脫落酸等具有互動作用，因此，透過繼續挖掘每個訊號組分的功能與作用機制，從而建立完善的乙烯訊號網路可以為今後構建植物各個生理階段的激素互作調控模型奠定基礎。近年來全球氣候變暖，人口數量增加，環境條件惡化，植物所面臨的生存逆境，如高溫、乾旱、高鹽、低溫及病害等問題日趨嚴峻，對農業生產構成了較大的威脅。目前，植物激素的抗逆機理受到科研工作者的高度關注，乙烯同植物抗逆性的關係研究取得了一定的進展，初步認識到乙烯在植物抗逆性中的複雜作用。但是，乙烯在植物響應逆境脅迫過程中的具體調控機制尚不明確，逆境脅迫下乙烯的作用機理有待於進一步深入探索，特別是如何應用乙烯來合理調控植物的生長髮育，增強植物的環境適應能力，最終培育篩選出抗性高產的優良品種。