李 威， 李國瑞，2,3,4， 黃鳳蘭，2,3,4， 孫華軍， 李 躍， 叢安琪， 齊 蒙， 白英俊， 李孟建， 陳永勝，2,3,4*

(1. 內(nèi)蒙古民族大學(xué),內(nèi)蒙古通遼 028000;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心,內(nèi)蒙古通遼 028000;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古通遼 028000;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心,內(nèi)蒙古通遼 028000)

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DELLA家族蛋白研究進(jìn)展

李 威1， 李國瑞1，2,3,4， 黃鳳蘭1，2,3,4， 孫華軍1， 李 躍1， 叢安琪1， 齊 蒙1， 白英俊1， 李孟建1， 陳永勝1，2,3,4*

(1. 內(nèi)蒙古民族大學(xué),內(nèi)蒙古通遼 028000;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高校蓖麻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究中心,內(nèi)蒙古通遼 028000;3.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古通遼 028000;4.內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心,內(nèi)蒙古通遼 028000)

在已發(fā)現(xiàn)的植物GA 信號(hào)傳遞分子中，有一類N 端具有高度保守的DELLA 結(jié)構(gòu)域，稱之為DELLA 家族蛋白。介紹了DELLA蛋白的保守結(jié)構(gòu)域和降解途徑，并綜述了其對(duì)多種植物激素信號(hào)的調(diào)控作用，以期提示植物生長(zhǎng)發(fā)育和植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的奧秘。

DELLA蛋白; GA;植物激素；保守結(jié)構(gòu)域

在植物生長(zhǎng)發(fā)育的整個(gè)過程中，除受外界環(huán)境因子(光、溫度、水分等)的影響外還受許多內(nèi)源因子的影響[1]。在這些植物激素中，赤霉素(GA)在種子萌發(fā)、莖伸長(zhǎng)、子葉伸展、下胚軸伸長(zhǎng)以及成花誘導(dǎo)等生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。在已克隆出的與GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的調(diào)節(jié)因子中，有一些為DELLA家族蛋白。DELLA在GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起抑制作用，是植物生長(zhǎng)的抑制劑。許多植物存在單一高度的保守DELLA基因，如水稻中的SLR1基因，小麥中的RHT1基因。擬南芥基因組編碼5個(gè)DELLA家族蛋白：GA-INSENSITIVE (GAI)、REPRESSOR OF GA1-3 (RGA)、RGA-LIKE1 (RGL1)、RGL2和RGL3[2]。RGA和GAI控制細(xì)胞伸長(zhǎng)和分裂，RGL2是種子萌發(fā)的主要抑制劑，RGA、Rgl1和RGL2調(diào)節(jié)花的發(fā)育。筆者介紹了DELLA的結(jié)構(gòu)和降解途徑，并綜述了其對(duì)多種植物激素的調(diào)控作用。

1 DELLA家族蛋白的保守結(jié)構(gòu)域

DELLA蛋白位于細(xì)胞核中，有一個(gè)保守的C端GRAS功能域，由2個(gè)亮氨酸重復(fù)序列(LHRⅠ和LHRⅡ)和3個(gè)保守序列VHIID、PFYRE和SAW組成。N端包含2個(gè)保守的酸性結(jié)構(gòu)域：DELLA結(jié)構(gòu)域和TVHYNP結(jié)構(gòu)域。這2個(gè)結(jié)構(gòu)域的突變影響蛋白與赤霉素受體GID1的結(jié)合能力。單酵母雜交試驗(yàn)和水稻愈傷組織瞬時(shí)表達(dá)試驗(yàn)證明水稻DELLA、SLR1的N端DELLA/TVHYNP的結(jié)構(gòu)域具有轉(zhuǎn)錄活性。

2 DELLA對(duì)多種激素信號(hào)的調(diào)控

2.1 種子萌發(fā) 種子萌發(fā)不僅與周圍環(huán)境有關(guān)，也受內(nèi)部GA和ABA(脫落酸)的調(diào)控。這2種激素是拮抗作用，ABA參與并維持種子休眠，而GA促進(jìn)種子萌發(fā)[3]。在干燥成熟的種子中，ABA含量升高刺激在種子萌發(fā)中2個(gè)關(guān)鍵負(fù)調(diào)控因子脫落酸不敏感基因ABI3(ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3)和ABI5[4]。相反，在適宜條件下，ABA水平下降而GA含量升高，通過加快RGL2降解促進(jìn)種子萌發(fā)[5]。研究證明，RGL2通過誘發(fā)一個(gè)編碼RING-H2鋅指蛋白的基因XERICO促進(jìn)ABA合成，進(jìn)而抑制種子萌發(fā)[6]。通過DELLA蛋白與ABI3和ABI5的相互作用發(fā)現(xiàn)了一種新的調(diào)節(jié)機(jī)制。DELLA、ABI3和ABI5形成一個(gè)蛋白復(fù)合體，與啟動(dòng)子結(jié)合刺激靶基因(如SOMNUS,一個(gè)C3H-型鋅指蛋白，負(fù)調(diào)控種子萌發(fā))的轉(zhuǎn)錄。不適宜的環(huán)境(高溫，黑暗)會(huì)增加ABA水平，降低GA水平，這會(huì)增加SOM啟動(dòng)子上DELLA/ABI3/ABI5的積累并刺激其轉(zhuǎn)錄[7]。因?yàn)镾OM不僅刺激ABA合成且抑制GA合成，因此，在不適宜條件下SOM可能形成一個(gè)積極的反饋循環(huán)抑制種子萌發(fā)。

2.2 幼苗伸長(zhǎng) 幼苗下胚軸的伸長(zhǎng)依賴于BR(油菜素內(nèi)脂)、IAA(生長(zhǎng)素)、GA、光和溫度的共同調(diào)控，但截至目前，其分子作用機(jī)制尚不清楚。研究表明，丟失DELLA功能的突變體對(duì)BR處理表現(xiàn)出超敏感，而具有g(shù)ai功能的突變體對(duì)外源BR反映微弱[8]。同時(shí)，BZR1(BRASSINAZOLE-RESISTANT1)可能與光敏色素相互作用因子PIF4(PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR4，一個(gè)光溫共同調(diào)控的控制細(xì)胞壁和生長(zhǎng)素相關(guān)基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子)相互作用，確保BRs和環(huán)境信號(hào)共同調(diào)控植物的生長(zhǎng)。IAA是另一種重要的植物生長(zhǎng)激素，對(duì)下胚軸伸長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。生長(zhǎng)素信號(hào)引起泛素化和蛋白酶體介導(dǎo)的AUX/IAA家族蛋白的降解，減少它們對(duì)生長(zhǎng)素效應(yīng)因子(ARFs)的抑制作用[9]。ARF6、BZR1和PIF4相互作用形成一個(gè)功能復(fù)合體，并刺激參與細(xì)胞伸長(zhǎng)的靶基因表達(dá)(如PRE,PACLOBUTRAZOL-RESISTANT)[10]。DELLA與ARF6、BZR1和PIF4相互作用抑制它們的DNA結(jié)合能力，從而調(diào)控GA、BR、光和溫度信號(hào)。另一方面，在gai突變或PAC(GA合成抑制劑)處理的幼苗中生長(zhǎng)素對(duì)下胚軸伸長(zhǎng)的促進(jìn)作用消失，但在PAC處理的della突變體中卻沒有，這表明DELLA積累抑制BR和生長(zhǎng)素的敏感性[8，10]。

2.3 黑暗中幼苗尖鉤形成 黑暗中雙子葉幼苗萌發(fā)時(shí)，下胚軸上端形成一個(gè)頂端鉤狀。在土壤中發(fā)芽后，頂率尖鉤對(duì)保護(hù)頂端分生組織和確保子葉穿透土壤具有重要作用[11]。此過程由幾種植物激素共同調(diào)控，包括乙烯(ET)和GAs[12]。ET通過刺激EIN3(ETHYLENE INSENSITIVE3)和EIL(EIN3-like)的積累而發(fā)生下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)。GAs對(duì)建立和維護(hù)頂端鉤狀結(jié)構(gòu)也發(fā)揮了重要作用，尤其在黑暗中鉤狀結(jié)構(gòu)過早打開時(shí)[12-13]。在此情況下，della功能缺失突變體的幼苗出現(xiàn)鉤狀結(jié)構(gòu)，而DELLA蛋白積累時(shí)，幼苗的子葉直接進(jìn)入張開狀態(tài)[12]。研究表明，ET和GAs共同調(diào)控頂端鉤狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的分子機(jī)制，DELLA與EIN3相互作用抑制其功能[14]。EIN3/EILs蛋白結(jié)合啟動(dòng)子并刺激HLS1和RAPT2.3的表達(dá)，而DELLA通過與EIN3最終抑制HLS1和RPA2.3的表達(dá)。GAs和ET調(diào)控許多類似的植物生長(zhǎng)過程，因此，推測(cè)DELLA-EIN3的相互作用在2種激素共調(diào)控的生命活動(dòng)中發(fā)揮重要作用。

2.4 防止植物過度生長(zhǎng) 在面對(duì)多種生長(zhǎng)信號(hào)和環(huán)境挑戰(zhàn)時(shí)，植物不斷微調(diào)它們的轉(zhuǎn)錄規(guī)劃以優(yōu)化生長(zhǎng)和防御之間的平衡。其中，JAs是一類脂質(zhì)衍生的小分子，可以調(diào)控多種植物的生長(zhǎng)反應(yīng)，包括對(duì)病原體、昆蟲的防御和適應(yīng)干旱等非生物逆境傷害[15]。JAs也參與發(fā)育過程，如根系生長(zhǎng)、雄蕊發(fā)育。研究證明，在JA介導(dǎo)的應(yīng)激和防御機(jī)制中GA也發(fā)揮作用[16]。喪失功能的della突變體對(duì)JA誘導(dǎo)的基因部分不敏感，而gai的突變體對(duì)JA效應(yīng)基因誘導(dǎo)表現(xiàn)出高度敏感，證明DELLA與JA誘導(dǎo)相關(guān)。此外，DELLA與JA相互作用，競(jìng)爭(zhēng)它們的同源MYC2轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)節(jié)JA響應(yīng)。JA通過干擾GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)防止植物過度生長(zhǎng)[17]。筆者研究證明DELLA-JAS互作釋放PIF轉(zhuǎn)錄因子提高細(xì)胞的伸長(zhǎng)。與此相一致的是，della功能缺失的突變體對(duì)JAs表現(xiàn)部分不敏感。這揭示了DELLA/JAZ/PIF復(fù)合體在面對(duì)環(huán)境壓力和病原體攻擊時(shí)在調(diào)節(jié)植物過度生長(zhǎng)中發(fā)揮核心作用。

3 DELLA 蛋白的降解

一般認(rèn)為DELLA 家族蛋白的降解是通過泛素蛋白體通道進(jìn)行的。DELLA蛋白與多種轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子結(jié)合抑制其功能。在擬南芥中，GA通過誘導(dǎo)DELLA蛋白降解來解除信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制。當(dāng)GID1感知到GA時(shí)，GID1蛋白發(fā)生構(gòu)象變化形成GA-GID1-DELLA復(fù)合體。SLY1 編碼一個(gè)含有F-box 的蛋白，且功能喪失的sly1 突變體呈現(xiàn)出GA不敏感的侏儒表型，且積累高水平的DELLA 蛋白。這表明SLY1能夠使RGA 與SCFSLY1E3 連接酶復(fù)合體結(jié)合，從而泛素化，進(jìn)而被26S 蛋白酶體降解。

4 討論

DELLA蛋白通過調(diào)節(jié)其他基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種植物激素信號(hào)的調(diào)節(jié)。截至目前，已發(fā)現(xiàn)DELLA與多種激素途徑中關(guān)鍵部件有直接聯(lián)系，但在不同基因組中有多少種DELLA家族蛋白，DELLA 結(jié)構(gòu)域怎樣感知GA 信號(hào)，它們與各種轉(zhuǎn)錄因子怎樣發(fā)揮作用，與外界環(huán)境因子間又是怎樣相互作用及聯(lián)系等問題尚不清楚。應(yīng)對(duì)DELLA家族蛋白開展進(jìn)一步研究,從而揭示植物生長(zhǎng)發(fā)育和植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的奧秘。

[1] 黃桃鵬,李媚娟,王睿,等.赤霉素生物合成及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究進(jìn)展 [J].植物生理學(xué)報(bào),2015，51(8): 1241-1247.

[2] PENG J R,CAROL P,RICHARDS D E,et al.TheArabidopsisGAI gene defines a signaling pathway that negatively regulates gibberellin responses[J].Genes dev,1997,11(23): 3194-3205.

[3] KOORNNEEF M,BENTSINK L,HilhorstH. Seed dormancy and germination[J]. Curr Opin Plant Biol,2002,5(1):33-36.

[4] PISKUREWICZ U,JIKUMARU Y,KINOSHITA N,et al.The gibberellic acid signaling repressor RGL2 inhibitsArabidopsisseed germination by stimulating abscisic acid synthesis and ABI5 activity[J] .Plant cell,2008,20(10):2729-2745.

[5] LEE S,CHENG H,KING K E,et al. Gibberellin regulatesArabidopsisseed germination via RGL2,a GAI/RGA-like gene whose expression is up-regulated following imbibition [J] .Genes Dev,2002,16(5):646-658.

[6] ZENTELLA R,ZHANG Z L,PARK M,et al.Global analysis of della direct targets in early gibberell in signaling inArabidopsis[J].Plant cell,2007,19(10):3037-3057.

[7] LIM S,PARK J,LEE N,et al. ABA-insensitive3,ABA-insensitive5,and DELLAs interact to activate the expression of SOMNUS and other high-temperature-inducible genes in imbibed seeds inArabidopsis[J].Plant cell,2013,25(12):4863-4878.

[8] LILLEY J L S,GAN Y B,GRAHAM I A,et al. The effects of DELLAs on growth change with developmental stage and brassinosteroid levels[J].Plant J,2013,76(1):165-173.

[9] CHAPMAN E J,ESTELLE M. Mechanism of auxin-regulated gene expression in plants[J]. Annu Rev Genet,2009,43(1):265-285.

[10] OH E,ZHU J Y,BAI M Y,et al. Cell elongation is regulated through a central circuit of interacting transcription factors in theArabidopsishypocotyl [J].Elife,2014,3(327):714-723.

[11] VON ARNIM A,DENG X W. Light controlof seedling development[J].Annu rev plant biol,1996,47:215-243.

[12] ACHARD P,VRIEZEN W H,VAN DER STRAETEN D,et al. Ethylene regulatesArabidopsisdevelopment via the modulation of DELLA protein growth repressor function[J]. Plant cell,2003,15(12):2816-2825.

[13] VRIEZEN W H,ZHOU Z Y,VAN DER STRAETEN D. Regulation of submergence-induced enhanced shoot elongation inOryzasativaL.[J].Ann Bot,2003,91(2):263-270.

[15] WASTERNACK C,HAUSE B. Jasmonates: Biosynthesis,perception,signal transduction and action in plant stress response,growth and development. An update to the 2007 review inAnnalsofBotany[J].Ann Bot,2013,111(6):1021-1058.

[16] NAVARRO L,BARI R,ACHARD P,et al.DELLAs control plant immune responses by modulating the balance of jasmonic acid and salicylic acid signaling[J].Curr Biol,2008,18(9):650-655.

[17] YANG D L,YAO J,MEI C S,et al.Plant hormone jasmonate prioritizes defense over growth by interfering with gibberellin signaling cascade [J].Proc Natl Acad Sci USA,2012,109(19):1192-1200.

Research Progress of DELLA Family Proteins

LI Wei1，LI Guo-rui1,2,3,4，HUANG Feng-lan1,2,3,4，CHEN Yong-sheng1,2,3,4*et al

( 1.College of Agriculture ,Inner Mongolia University for Nationalities，Tongliao，Inner Mongolia 028000;2.Castor Industry Research Center of the Inner Mongolia Autonomous Region University，Tongliao，Inner Mongolia 028000; 3.The Inner Mongolia Autonomous Region Key Laboratory of Castor Breeding，Tongliao，Inner Mongolia 028000;4.School of Life Science，Inner Mongolia University for Nationalities，Tongliao，Inner Mongolia 028000)

There was a class of N terminal with highly conserved DELLA domain,which has been found in plant GA signaling molecules,which is called the DELLA family protein. The conserved domain of DELLA protein,regulation of a variety of hormonal signals and degradation were introduced ,in order to reveal the mystery of the plant growth and plant hormone signal transduction.

DELLA protein; GA; Plant hormone; Conserved domain

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460353)；內(nèi)蒙古民族大學(xué)市校合作項(xiàng)目(SXZD2012006，SXZD2012017)；2015年全區(qū)研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(S20151013601)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)項(xiàng)目(KJCX15002)；內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新培育中心項(xiàng)目；內(nèi)蒙古自治區(qū)蓖麻育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(MDK2016030)；內(nèi)蒙古民族大學(xué)科研立項(xiàng)項(xiàng)目(NMDSS1622)。

李威(1993- )，女，內(nèi)蒙古通遼人，碩士研究生，研究方向：蓖麻分子育種。*通訊作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事蓖麻分子育種研究。

2016-09-30

S 188

A

0517-6611(2016)32-0147-02