谈乙烯信号转导及其在植物逆境响应中的作用论文

　　乙烯是一种结构简单的小分子化合物，作为一种重要的气态植物激素，参与调节植物生长发育的多个过程;此外，乙烯也在植物响应生物和非生物胁迫过程中起重要的调控作用。典型的乙烯反应是黑暗条件下幼苗生长呈特别的“三重反应”，在拟南芥中表现为下胚轴变粗变短，主根生长受到抑制，并且顶端弯钩加剧。

　　依据“三重反应”表型，在模式植物拟南芥中鉴定了一系列乙烯反应的突变体。通过对突变体进行分子遗传学研究，在拟南芥中建立了从内质网膜上对乙烯信号感知到细胞核内转录调控的一条线性乙烯信号转导模型。拟南芥乙烯受体家族由5 个成员构成，ETR1、ERS1、ETR2、ERS2 和EIN4，正常情况下，乙烯受体处于激活状态，与一个Raf 类的Ser/Thr 蛋白激酶CTR1 结合并定位在内质网膜上，当乙烯结合到受体上时会改变其构象，使其进入无活性或关闭状态，处于关闭状态的受体无法与CTR1 结合;失活后的受体-CTR1复合体不再磷酸化下游组分EIN2，此时EIN2 因不被降解而激活，使得乙烯信号得以向下游传递。EIN2 定位于细胞的内质网膜，EIN2 的C端可以发生剪切并进入细胞核激活乙烯的下游信号分子。位于EIN2 下游的是EIN3/EILs 转录因子，激活的乙烯信号会阻断F-box 蛋白成员EBF1 和EBF2 介导的EIN3 降解;EIN3/EIL1 作为乙烯信号传递中的初级转录因子激活ERFs、EBF2、PORA 和PORB 等下游基因表达，完成乙烯应答反应。本文主要以模式植物拟南芥为例，对乙烯受体、乙烯信号转导途径的关键组分及其分子调控的最新研究进展进行综述;同时对乙烯信号转导在植物响应逆境胁迫反应中的作用进行探讨。

　　1 乙烯受体及其调控因子

　　乙烯信号的感知开始于乙烯分子与其受体的相互识别和结合，乙烯与其受体的高度亲和需要铜离子(Cu+)作为辅助因子。在模式植物拟南芥中共发现5 个乙烯受体蛋白，包括ETR1、ERS1、ETR2、ERS2 和EIN4 ;乙烯受体定位于内质网膜上，以负反馈形式控制乙烯信号的输出。根据乙烯受体蛋白氨基酸序列的相似性，5 个受体成员又进一步分为了两个亚族，亚族1 包括ETR1 和ERS1，亚族2 包括ETR2、ERS2 和EIN4。乙烯受体蛋白结构比较保守，与细菌和真菌中存在的双组分蛋白激酶结构类似，N 末端为结合乙烯的疏水性跨膜域;中部有1个保守的GAF 域;C 末端有一个与下游信号组分蛋白互作相关的组氨酸激酶信号输出域。研究发现，进化上保守的RTE1(REVERSIONTO-ETHYLENE SENSITIVITY1)能够与乙烯受体互作并且负调控乙烯反应。RTE1 在真核生物中普遍存在，已从不同物种中克隆了RTE1 同源基因，例如番茄的SlGR 和SlGR1 等。遗传分析表明，拟南芥RTE1 特异性地作用于乙烯受体ETR1，对其它的乙烯受体没有显著影响。为了深入了解RTE1的分子调控作用，Chang 等通过Split-Ub 筛选得到了RTE1 的互作蛋白细胞色素b5 和一个脂类转运蛋白分子LTP1，初步分析表明细胞色素b5 和LTP1 参与乙烯受体ETR1 信号转导的分子调控。2 乙烯信号转导中的内质网- 核桥接通路CTR1 是乙烯受体下游的另一个负调控因子。CTR1 的N 端可以与内质网上的乙烯受体相结合。利用Co-IP 分析在体内与CTR1 结合蛋白发现，可以从内质网组分中纯化得到ETR1 蛋白，直接证明CTR1 存在于内质网并与ETR1 形成复合物。CTR1 的C 端具有类似于哺乳动物Raf 的丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶的结构，体外磷酸化实验表明CTR1具有丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶活性，活性特征类似于Raf1，但是CTR1 与Raf 相比，缺少锌指结构和结合Ras 蛋白的结构域，说明CTR1 与MAPKKK 还存在一定的不同。

　　EIN2 是位于CTR1 下游的乙烯信号转导组分，EIN2 的功能缺失突变体对乙烯完全不敏感，是乙烯信号转导中的正调控组分。EIN2 基因编码一个定位于内质网膜的跨膜蛋白。研究结果表明，EIN2 的N端作为一个跨膜结构接受上游的信号，而C 端参与了乙烯的信号转导并将信号向下转导，即EIN2 激活下游乙烯信号的“剪切、穿梭”模型。当细胞内乙烯浓度较高时，EIN2 被激活且其C 端(CEND)被蛋白酶剪切而脱离内质网进入细胞核并以某种方式激活EIN3/EIL1 和乙烯反应。Li 等发现细胞质中的EIN2 识别并结合EBF1/2 mRNA 的3'-UTR，并通过招募EIN5 等相关调节因子形成点状结构P-body，进而抑制EBF1/2 mRNA 的翻译，导致EBF1/2 蛋白含量急剧减少，使得EIN3/EIL1 在细胞核内大量积累，从而激活下游乙烯反应。3 乙烯信号下游的转录调控因子EIN3 编码一个细胞核内的转录因子蛋白，在乙烯信号转导途径中位于EIN2 下游。拟南芥中有5 个EIN3 的类似蛋白EILs(EIN3-like proteins)，分别为EIL1-EIL5，对拟南芥EIN3/EILs 家族6 个成员的研究发现，其中EIL1 与EIN3 的相似度最高，正调控拟南芥乙烯反应。EIN3/EIL1s 作为转录因子直接结合下游的ERF 基因启动子上的特定DNA 序列，来诱导ERF 基因的转录。属于泛素连接酶类的SCF 复合体中的两种F-box 蛋白EBF1/EBF2 位于EIN3/EILs 上游，可以在细胞核内直接与之发生互作。EBF1 和EBF2 调控EIN3/EIL1 蛋白的积累和稳定性，间接对乙烯反应起负调控作用。同时EIN3/EIL1可作为连接乙烯信号和茉莉酸信号调控植物发育和逆境胁迫。

　　4 乙烯信号在植物逆境响应中的作用

　　4.1 在盐胁迫响应中的作用

　　盐胁迫是影响植物生长最主要的逆境因素之一，乙烯作为一种逆境胁迫响应激素在植物抗盐过程中起着重要的作用。一定水平的乙烯合成速率有利于增强植物体的盐胁迫抗性，例如，乙烯合成前体ACC 处理可以显著增加野生型拟南芥幼苗在高盐环境下的抗盐能力和成活率。同时，盐胁迫也会诱导乙烯的合成。高盐胁迫下，拟南芥中ACC 合成酶基因AtACS4 和AtACS7 的表达水平明显提高;烟草中NtACS1、NtACO1、NtACO2 和NtACO3 基因的表达也受盐胁迫的诱导[24]。此外，乙烯信号转导途径中的各个组分也参与植物的盐胁迫反应。研究发现，在盐和渗透胁迫条件下，拟南芥乙烯受体基因ETR1 的转录水平和蛋白丰度都显著下降;与野生型相比，功能获得性突变体etr1-1、ein4-1 和etr2-1 在种子萌发和幼苗生长发育阶段表现出对盐的敏感性;相反，功能缺失突变体etr1-7 则表现出耐盐的表型特征。在烟草中也发现，烟草乙烯受体基因NTHK1 受盐诱导，异源表达烟草NTHK1 的转基因拟南芥对盐的敏感性明显增加，而且也改变了盐应答相关基因的表达，例如促进了AtERF4，COR6.6，RD17，RD21A 和VSP2基因的表达，但抑制了BBC1，LEA 和AtNAC2 基因的表达。乙烯信号转导的负调控因子CTR1也参与植物的盐胁迫反应。与野生型相比，ctr1-1 突变体在种子萌发和幼苗生长阶段表现组成型的乙烯反应和盐胁迫抗性。EIN2 在响应盐胁迫的过程中起着正调控作用，拟南芥功能缺失突变体ein2-1和ein2-5 在种子萌发、幼苗生长及营养生长阶段都表现出盐敏感的表型，种子萌发和幼苗生长均延迟。EIN3 是乙烯信号转导中的正调控因子，在盐胁迫下，EIN3 的表达水平达到最大，EIN3 蛋白积累。拟南芥功能缺失突变体ein3-1 对盐的敏感性明显增加;过表达EIN3 株系则表现出较强的耐盐性。作为乙烯信号途径下游组分，ERFs 转录因子家族通过识别不同的顺式作用元件，调节多种功能基因的表达，参与植物逆境胁迫应答。许多ERF基因，例如拟南芥AtERF1、AtERF5、ESE1、ESE2、ESE3，小麦TaERF1，大豆GmERF7，茉莉酸和乙烯响应因子JERF1/3 的表达都受乙烯和盐胁迫诱导。拟南芥Aterf98-1、白菜BrERF4、枸杞子LchERF、苜蓿MsERF11 和番茄SlERF5 基因的过表达都提高了转基因株系的盐胁迫抗性。综上可见，无论是外施乙烯还是过表达乙烯合成基因，或是加强乙烯信号转导，都会增加植物对盐胁迫的耐受性。但也有报道指出，增加体内乙烯含量会提高植物对盐胁迫的敏感性，例如，ACS7 和MPK9 在促进乙烯合成后又导致植物对盐敏感性增加;在水稻中SIT1 促进乙烯合成后降低耐盐性，并且过表达OsEIL1 或OsEIL2 都使植物对盐敏感性增加。这些结果表明乙烯的动态平衡在植物的盐胁迫反应中可能发挥更重要的作用。