任杰 冷平 孫福山 徐秀紅

植物激素脫落酸（abscisic acid，ABA）調(diào)控植物生長和發(fā)育的許多方面，如果實的發(fā)育成熟［1-5］、種子成熟、萌發(fā)和幼苗生長，并且作為一種核心激素通過調(diào)節(jié)氣孔開閉和脅迫響應(yīng)基因的表達來調(diào)控植物適用環(huán)境脅迫，如干旱、鹽害和冷害等［6，7］。作為一種植物激素信號，ABA首先必須被靶細胞質(zhì)膜或內(nèi)膜體系上（或胞液中）所具有的特異受體蛋白所識別，才能經(jīng)過一系列信號轉(zhuǎn)導和傳遞等過程，啟動特異的生理生化反應(yīng)，或產(chǎn)生發(fā)育過程的轉(zhuǎn)換［8］，即ABA信號的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)導起始于ABA受體對ABA信號的感知。

ABA受體是ABA信號路徑中最上游的組分，這一研究領(lǐng)域受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。近年來，脫落酸受體鑒定工作在模式植物上取得了實質(zhì)性突破。這些受體，一類是細胞質(zhì)膜上常規(guī)的G 蛋白偶聯(lián)受體GCR2 和新型的G 蛋白偶聯(lián)受體GTG1、GTG2［9，10］，另一類是含有 START 特征區(qū)的 ABA 受體 PYR/PYL/RCAR［11-13］，還有一類是定位于質(zhì)體/葉綠體內(nèi)參與葉綠素合成的鎂離子螯合酶H 亞基的ABA 受 體 ABAR/CHLH［14-16］。 本 文 僅 就 CHLH 與ABA信號傳遞的關(guān)系作一綜述。

1 CHLH是否為ABA受體

鎂螯合酶H亞基（CHLH）通過催化鎂卟啉的生成而參與葉綠素合成，還參與介導從葉綠體到細胞核的反向信號轉(zhuǎn)導［17-21］，是一個多功能的蛋白質(zhì)。但是對于CHLH是否為ABA 受體目前仍存在較大爭議。Shen等［14］在擬南芥（Arabidopsis thaliana）上證明CHLH蛋白能與（+）-ABA特異結(jié)合，而且，CHLH-ABA結(jié)合的動力學符合受體-配體結(jié)合的所有特征。超表達CHLH和RNAi改變了ABA結(jié)合位點的數(shù)量，但是沒有改變其與ABA的親和力。這說明CHLH能特異性結(jié)合ABA，并且這些結(jié)合具備了ABA受體的基本特征。但是Müller和Hansson［22］在大麥（Hordeum vulgare）上的研究指出大麥XanF基因（擬南芥CHLH同源基因）突變導致的葉綠素缺陷突變體在種子萌發(fā)、幼苗生長和氣孔運動方面并沒有ABA相關(guān)表型，并且并沒有檢測到XanF與ABA的結(jié)合活性，這說明大麥CHLH不是ABA受體或者單子葉植物CHLH蛋白在與ABA結(jié)合和信號傳遞方面與雙子葉植物不同。這一研究結(jié)果對CHLH作為ABA受體的結(jié)論提出質(zhì)疑。

針對大麥上的研究結(jié)果，Wu等［15］利用一項新的ABA免疫親和層析技術(shù)提出了CHLH作為ABA受體的新證據(jù)，研究指出，CHLH通過C端半段而非N端半段特異性結(jié)合ABA（圖1）。與此一致，通過轉(zhuǎn)基因操作提供的遺傳學證據(jù)也支持了這一結(jié)論。通過基因重組技術(shù)在野生型擬南芥中分段表達CHLH C-半端蛋白可以導致植株在種子萌發(fā)、幼苗生長和氣孔運動這3個主要表型上對ABA全面超敏，在ABA不敏感型CHLH突變體cch中表達C端區(qū)段蛋白則能恢復突變體對ABA的響應(yīng)。而不結(jié)合ABA的N端區(qū)段的作用僅限于調(diào)節(jié)種子萌發(fā)或幼苗生長之其中之一。這些新發(fā)現(xiàn)支持了CHLH是ABA受體的觀點，并說明CHLH C端在ABA信號傳遞過程中發(fā)揮核心功能，其不但是結(jié)合ABA的核心區(qū)域，而且相應(yīng)地也是介導ABA信號的核心區(qū)域。此外Wu等研究發(fā)現(xiàn)大麥和水稻（Oryza sativa）CHLH能夠結(jié)合ABA。基于這些研究結(jié)果，研究認為，之所以沒有檢測到大麥XanF對ABA的特異性結(jié)合，可能是因為放射性ABA測定體系中的蛋白質(zhì)在試驗過程中被訓練不足的研究人員全部除去了［15，23］。此外，Shang等［16］將大麥XanF基因?qū)霐M南芥野生型植株，導致植株對ABA超敏，將XanF基因?qū)霐M南芥cch突變體也恢復了該突變體在種子萌發(fā)、幼苗生長和氣孔運動方面的ABA脫敏表型。這些事實說明，大麥XanF與擬南芥CHLH一樣是一個ABA受體。

但是，Tsuzuki等［24］通過人工誘變的方法獲得了一個擬南芥CHLH突變體rtl1，研究表明rtl1和擬南芥RNAi株系在氣孔運動方面表現(xiàn)對ABA脫敏，但rtl1表型在種子萌發(fā)和根系生長方面仍然對ABA敏感。此外，利用H3標記的ABA結(jié)合試驗表明ABA不能與重組的CHLH結(jié)合，但能與另一個公認的ABA受體PYR1特異性結(jié)合。研究指出CHLH影響了ABA介導的保衛(wèi)細胞的氣孔運動，但并未影響種子萌發(fā)和根系生長，因此認為CHLH能夠影響保衛(wèi)細胞對ABA的敏感性，但并不是一個ABA受體，再次對CHLH是ABA受體的結(jié)論提出質(zhì)疑。

圖1 CHLH分子的功能區(qū)域模型［23］

2 CHLH正向調(diào)節(jié)ABA信號是否轉(zhuǎn)導

Shen 等［14］通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)上調(diào)或下調(diào)CHLH基因的表達，以及利用CHLH基因點突變的突變體遺傳材料證明CHLH是ABA信號的正調(diào)節(jié)子。CHLH基因表達下調(diào)的擬南芥株系在ABA抑制的種子萌發(fā)、幼苗生長以及ABA誘導的氣孔關(guān)閉方面表現(xiàn)出顯著的ABA不敏感表型。與此相反，CHLH基因表達上調(diào)的擬南芥株系在這3種反應(yīng)方面表現(xiàn)出對ABA超敏表型，并且其葉片和植株更能忍耐干旱脅迫?？偟膩碚f，CHLH水平與ABA不敏感表型強度負相關(guān)，這說明CHLH作為一個正調(diào)控因子介導了ABA信號傳遞。此外，通過RNAi下調(diào)CHLH基因的表達，同時也降低了葉片中ABA信號傳遞路徑正調(diào)控因子 RD29A、MYB2、MYC2、ABI4、ABI5 和OST1的表達，促進了3個負調(diào)控因子ABI1、ABI2和CIPK15的表達。種子特異性ABA信號傳遞基因ABI3、ABI4和ABI5及其下游與胚形成有關(guān)的基因EM1和EM6在RNAi植株長角果中的表達都下降。而CHLH超表達株系中這些基因的表達與RNAi株系相反。進一步證明了CHLH是正調(diào)控因子，并且可能通過多種途徑發(fā)揮作用。此外，研究還發(fā)現(xiàn)CHLH作為一個蛋白普遍存在于綠色和非綠色組織中。因此，CHLH可能在植物整體水平上感知ABA信號［14］。對草莓果實的研究表明，隨著果實的加速褪綠，F(xiàn)aCHLH基因表達量迅速降低，至白果期降到最低點；隨著果實著色啟動，其表達量又迅速上升。因此認為CHLH基因可能參與果實的褪綠和著色過程。通過 ABA 處理草莓果實圓片溫育試驗表明，隨著ABA 濃度的增加，F(xiàn)aCHLH 表達量呈顯著上升的趨勢，因此認為草莓果實中CHLH 基因的轉(zhuǎn)錄受ABA 誘導，是正調(diào)控因子［25］。

但是與以上研究結(jié)果不同，Ren等［26］從甜櫻桃果實中克隆了一個CHLH同源基因PacCHLH1。PacCHLH1推測的氨基酸序列與擬南芥、桃、草莓和葡萄等的CHLH相應(yīng)片段的同源性都在90％以上，但是PacCHLH1在甜櫻桃果實中的表達模式與CHLH在擬南芥和草莓果實中的表達模式有很大差別。PacCHLH1在甜櫻桃果實中的表達在果實成熟啟動時急劇下降，在果實成熟前4d降至最低值，之后至果實成熟則一直維持在這一低水平，與ABA含量在這一時期的變化表現(xiàn)出相反的趨勢（圖2）。此外，研究表明，外源ABA不但沒有促進反而顯著抑制了PacCHLH1在果實中的表達。這些結(jié)果與CHLH作為葉綠素合成關(guān)鍵酶的性質(zhì)是一致的，在甜櫻桃的成熟過程中，葉綠素含量急劇下降，與PacCHLH1轉(zhuǎn)錄水平變化相一致。此外，ABA能促進葉綠素的分解，而抑制葉綠素合成關(guān)鍵酶基因CHLH的表達。這些結(jié)果說明，PacCHLH1與甜櫻桃果實葉綠素的合成有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，水分脅迫對果實PacCHLH1的表達并無顯著影響，但顯著促進了PacCHLH1在葉片中的表達，PacCHLH1在生殖器官和營養(yǎng)組織中表現(xiàn)出不同的表達模式［26］。這些研究表明，PacCHLH1在果實成熟過程中的表達與ABA表現(xiàn)出相反趨勢，外源ABA抑制了PacCHLH1在果實中的表達，與CHLH作為正調(diào)控因子介導ABA信號傳遞的結(jié)果不一致。但是PacCHLH1又能響應(yīng)葉片水分脅迫，這一結(jié)果與其作為正調(diào)控因子介導ABA信號傳遞的結(jié)果一致。

圖2 甜櫻桃果實成熟過程中PacCHLH1的表達及ABA含量變化［26］

3 CHLH對ABA信號向下游轉(zhuǎn)導的機制

CHLH是一個葉綠體蛋白，其如何向細胞質(zhì)或通過細胞質(zhì)向細胞核進行信號傳遞成為必須解決的一個問題。Shang等［16］利用分子生物學、生物化學和細胞生物學等多種技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)CHLH橫跨在葉綠體被膜上，其C端和N端暴露在細胞質(zhì)中，這就為CHLH從葉綠體向細胞質(zhì)-細胞核傳遞信號提供了可能。進一步的研究表明，暴露在細胞液中的C端部分與一組在種子萌發(fā)和幼苗生長中負調(diào)控ABA信號傳遞的WRKY轉(zhuǎn)錄因子（WRKY40、WRKY18和WRKY60）相互作用，其中WRKY40是核心負調(diào)控因子，抑制下游重要的ABA信號調(diào)節(jié)子基因如ABI4、ABI5、ABF4和MYB2等基因的表達，從而負調(diào)控ABA信號通路。通過一系列遺傳學、生物化學和細胞學試驗，Shang等［16］提出了CHLH-WRKY40相偶聯(lián)的ABA信號級聯(lián)通路模型。該模型指出，CHLH與ABA信號分子結(jié)合后，可以刺激WRKY40從細胞核到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移，促進CHLH與WRKY40的相互作用，進而激發(fā)一種未知因子（或信號系統(tǒng)），阻遏WRKY40的表達，從而解除WRKY40對ABA響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄的抑制，最終實現(xiàn)ABA的生理效應(yīng)（圖3）。這些發(fā)現(xiàn)描述了一條從早期信號事件到下游基因表達的ABA信號路徑。

4 小結(jié)

綜上所述，有關(guān)CHLH作為ABA受體的研究還是集中在種子萌發(fā)、幼苗生長及對環(huán)境脅迫方面，且均是以傳統(tǒng)遺傳學技術(shù)為研究手段，研究結(jié)果不盡相同，至今仍存在較大爭議。有關(guān)CHLH空間結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域功能的研究，特別是結(jié)合ABA 的結(jié)構(gòu)域的研究還未見報道。要想徹底闡明CHLH是否為ABA受體，需在CHLH的結(jié)構(gòu)生物學研究方面取得進展，以便在亞分子水平上深入揭示CHLH結(jié)合ABA和感知ABA信號的機制。

圖3 CHLH介導的信號傳遞模型［23］

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