史慶玲, 李忠峰, 董永彬*, 李玉玲

1.河南省種子站, 鄭州 450016;2.河南農業(yè)大學農學院, 鄭州 450046

乙烯是一種具有生物活性的簡單氣態(tài)激素，植物可以通過乙烯的生物合成和信號轉導途徑，調節(jié)其體內的生理過程，協(xié)調乙烯信號途徑與其他信號途徑互作，完成各種生理活動和應答反應，如果實成熟、器官衰老、植物開花、種子休眠、種子萌發(fā)、根毛發(fā)育以及對生物和非生物脅迫反應等生理過程[1]。目前對乙烯信號轉導的研究主要集中在雙子葉模式植物擬南芥中，單子葉模式植物水稻特殊的半水生生活環(huán)境與其他單子葉植物小麥、玉米等，對乙烯的反應不同，這暗示著不同單子葉植物可能存在著不同的乙烯信號轉導新機制，梳理這些研究成果，對深入理解植物生長發(fā)育過程及生物和非生物脅迫中乙烯的調控機理，及對乙烯信號轉導機制的解析具有重要的意義。

1 乙烯的生物合成及信號轉導途徑

在模式植物擬南芥中，乙烯的生物合成及信號轉導途徑已基本研究清楚，如圖1所示，首先在銅離子作用下乙烯分子與位于內質網膜上的乙烯受體(ETR1、ERS1、ETR2、ERS2和EIN4)結合，導致負調控組分受體CTR1(constitutive triple response1)復合體失活；失活后的受體CTR1復合體不再磷酸化下游信號組分EIN2 (ethylene-insensitive2)，而EIN2 因不被降解而激活；然后EIN2 蛋白羧基端(EIN2 CEND)被切割而游離并進入細胞核；EIN2 CEND可能通過抑制EBF1/2 (EIN3-Binding F-Box 1/2)蛋白介導的轉錄因子EIN3 (Ethylene-insensitive3)/EIL1 (Ethylene-insensitive-like1)的泛素化降解過程而促進EIN3/EIL1在細胞核內積累，進而EIN3/EIL1轉錄激活ERF1 (Ethylene-responsive factor1)等下游靶基因表達從而產生乙烯反應[2]。雙子葉植物具有相對一致的“三重反應”，典型的乙烯反應是雙子葉植物黃化幼苗的三重反應，表現為上胚軸和根伸長被抑制，橫向生長，縮短變粗，頂勾彎曲增大等[3]。擬南芥乙烯信號轉導通路中的大多數組分在水稻中已找到同源序列，包括5個乙烯受體、OsCTR1、OsEIN2、OsEIL1和OsERFs等[4]。但是單子葉植物黃化苗對乙烯的反應表現出不同的情況，當用乙烯處理單子葉植物小麥、高粱、玉米以及模式植物二穗短柄草時，黃化苗根和胚芽鞘的生長都受到明顯抑制，這與乙烯對雙子葉植物生長的影響相似，而對于水稻，胚芽鞘的生長受乙烯促進，根的生長受乙烯抑制[5,6]。

圖1 擬南芥乙烯信號轉導線性模型Fig.1 Schematic diagram of ethylene signal transduction in Arabidopsis.

乙烯在植物體內的生物合成前體為蛋氨酸(即甲硫氨酸)，經由一系列酶催化過程合成，其中ACC合酶(1-aminoacyclopropane 1-carboxylate synthase，ACS)是乙稀生物合成途徑中的關鍵酶和限速酶，對乙烯生物合成具有重要的調控作用[7]。在植物體內，ACS是一個多基因家族，如擬南芥和番茄分別有12個和9個ACS基因[8,9]。利用基因工程技術在番茄、西葫蘆等植株中導入 ACS 反義 RNA 或 RNAi 基因，可以使果實成熟延遲，而外施乙烯又可以使其恢復成熟[10～12]。將反義ACS基因轉入煙草中，會明顯增強轉基因煙草植株對非生物脅迫的耐受能力[13]。玉米ACC合酶基因ZmACS6突變體能延緩葉片衰老，同時能抑制干旱誘導的衰老，突變體還影響植株根系在土壤中的正常生長[14,15]。通過基因沉默方法降低ACC合成酶基因的轉錄水平，能使玉米乙烯釋放量降低約50%；多個獨立轉基因事件的雜交種和對照種植鑒定表明，下調乙烯生物合成通路基因顯著提高了干旱脅迫條件下的玉米產量[16,17]。

2 乙烯信號轉導途徑相關基因

2.1 乙烯受體

乙烯受體能夠感知乙烯信號，并與其識別結合，進一步傳遞乙烯信號。在擬南芥中已發(fā)現5 個乙烯受體家族成員，包括 ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4，均位于內質網膜上[3]。水稻乙烯受體家族各成員在功能上表現出不同于擬南芥的特異性，可能存在著新的信號傳遞組分或新機制[4]。擬南芥的大多數單個受體的功能缺失突變體表型與野生型類似，只有etr1-7突變體表現輕微的乙烯過敏反應[18]。擬南芥乙烯受體ETR1基因功能缺失導致rdo3突變體種子休眠[19]。水稻Osetr2、Osetr3或Osers2的單個受體功能缺失突變體可導致乙烯過敏感和早花表型，而OsETR2過表達水稻呈現乙烯敏感性降低和晚花表型[20]。OsETR2蛋白具有絲/蘇氨酸激酶活性而非組氨酸激酶活性，且N-box突變可使其激酶活性完全喪失，而擬南芥乙烯受體的N-box突變只能部分抑制其激酶活性[21]。目前玉米中僅鑒定出了ZmERS1和ZmETR1兩個乙烯受體家族基因，玉米乙烯信號通路相關基因的功能研究相對擬南芥、水稻等明顯滯后[22]。

2.2 負調控因子CTR1

CTR1位于乙烯受體下游，介導乙烯受體的信號負調控乙烯反應，其功能缺失突變體表現出組成型乙烯反應。在缺少乙烯的情況下，CTR1能與乙烯受體家族成員結合，抑制乙烯信號的傳遞；當乙烯與受體結合時，CTR1失去活性，乙烯信號能夠進一步被傳遞到下游組分[2,3]。在擬南芥過表達CTR1的氨基端可以造成組成型乙烯反應表型。ctrl-10是一個弱的組成型乙烯反應突變體，其組成型乙烯反應主要表現為主根縮短。在擬南芥中只有一個CTR1基因，而番茄中是由 4 個基因構成的CTR1-like家族[23]。番茄LeCTR1的mRNA會隨著果實成熟上升表達，且會受到外源乙烯誘導，但擬南芥AtCTR1表達不會受到乙烯明顯的影響[24]。

2.3 轉錄因子EIN2

EIN2是乙烯信號通路中起正調控作用的關鍵因子。在擬南芥25個ein2等位突變體中，除了ein2-9，其他24個突變體在形態(tài)學、生理學以及分子水平都對乙烯處理不敏感。當沒有乙烯時，ETP1/ETP2(EIN2 targeting protein2)蛋白積累，通過泛素化途徑降解EIN2蛋白，關閉乙烯信號途徑；而有乙烯時，ETP1/ETP2蛋白含量減少，EIN2蛋白穩(wěn)定性增強，被切割入核，激活下游乙烯信號[25]。擬南芥ein2-1突變體的器官與野生型相比顯著增大，EIN2通過控制細胞膨大抑制器官過度生長[26]。水稻MHZ3可與OsEIN2互作，mhz3功能喪失后OsEIN2豐度降低，乙烯誘導OsEIN2積累減少，而過表達MHZ3可以提高OsEIN2的豐度；MHZ3可以通過與OsEIN2的Nramp-like結構域與OsEIN2穩(wěn)定結合，并阻止其泛素化[27]。

2.4 轉錄因子EIN3/EIL1

EIN3/EIL1是高等植物基因組中的一個較小轉錄因子家族，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要的調節(jié)作用[28]。在高鹽脅迫下，擬南芥EIN3功能缺失突變體的發(fā)芽率、幼苗成活率均低于野生型，且表現出細胞質滲透較高等鹽敏感表型[29,30]。EIN3/EIL1能直接結合HOOKLESS1(HLS1)的啟動子序列并激活其表達，進而促進擬南芥頂端彎鉤的形成[31,32]。單個番茄LeEIL基因的反義抑制沒有明顯降低乙烯敏感性，而抑制多個LeEILs基因表達則導致乙烯反應，如葉偏上生長、花衰老及脫落、果實延遲成熟等[33]。水稻MHZ6編碼一個與擬南芥EIN3同源的轉錄因子OsEIL1，該基因突變會導致水稻黃化苗的根對乙烯不敏感，從而干擾其家族基因OsEIL2的表達，導致胚芽鞘對乙烯不敏感；MHZ6/OsEIL1和OsEIL2通過直接結合并激活OsHKT2;1在水稻幼苗根中的表達，從而促進對鈉離子的吸收，導致對鹽敏感[34]。水稻MHZ4編碼一個定位于葉綠體的膜蛋白，而MHZ5編碼一個類胡蘿卜素異構酶，均參與ABA合成；在mhz4和mhz5突變體中，ABA合成均減少，而乙烯合成增加；在根中MHZ4和MHZ5介導ABA通路作用于乙烯信號下游，抑制根伸長；在胚芽鞘中它們介導ABA通路作用于乙烯信號上游，通過抑制EIN2表達，進而抑制胚芽鞘生長[35,36]。玉米乙烯信號轉導途徑中的EIN3/EIL家族基因ZmEIL1的表達受外源乙烯的影響，在玉米葉片和根中可以被乙烯利誘導表達，在葉片中被1-MCP抑制表達[37]。

2.5 轉錄因子ERFs

乙烯響應因子ERFs是植物特有的一類轉錄因子，位于乙烯信號轉導途徑下游，通過與GCC-box等啟動子互作，對下游相關基因進行調控，在植物的生長發(fā)育、新陳代謝和逆境適應性等方面起著不可替代的重要作用。擬南芥AtERF15和AtERF96是ABA響應的正調控因子，過表達株系表現出對ABA的超敏反應，影響種子萌發(fā)、幼苗發(fā)育和根的伸長[38,39]。在土壤中乙烯可激活擬南芥下胚軸中的ERF1信號通路而減慢細胞伸長[40]。擬南芥ERF12在ETR1下游發(fā)揮作用并參與調控種子休眠，且與TPL蛋白互作一起發(fā)揮功能；ERF12和TPL蛋白能夠結合到DOG1啟動子上抑制其表達，通過乙烯與DOG1通路聯(lián)合調控種子休眠[19]。在番茄中過表達Sl-ERF2能激活編碼甘露聚糖酶的基因Sl-Man2，從而導致未成熟種子提前萌發(fā)[41]，抑制番茄花柄脫落區(qū)特異表達基因SlERF52，并會影響纖維素酶和多聚半乳糖醛酸酶的合成，從而延遲花蕾脫落[42]。玉米基因ZmEREB94在籽粒胚乳中表達量較高，能直接作用于淀粉合成基因ZmSSI啟動子，間接調控淀粉合成基因ZmSh2和ZmGBSSI的表達，是玉米淀粉合成中的關鍵調控因子[43]。在玉米自交系N04胚乳發(fā)育早期和晚期，乙烯響應因子ZmERF1基因及其蛋白的表達量均較高，與不同發(fā)育時期籽粒的乙烯釋放量相一致，該基因可能與玉米種子早期灌漿及后期脫水成熟有關[44,45]。

ERF家族基因的表達還受激素或環(huán)境因素的影響，調節(jié)植物對各種逆境脅迫的應答反應。水稻OsERF4a和OsERF10a的基因過表達提高了植株對干旱脅迫的耐性，并脅迫抗性相關基因的表達發(fā)生改變[46]。在水淹條件下，乙烯能促進水稻Sub1A基因表達，而Sub1A可以增加GA信號抑制子SLR1和SLRL1的表達量，導致植株對GA不敏感，無法伸長，從而減少碳水化合物代謝，增加無氧呼吸能力，增強水稻的耐淹性[47,48]；與Sub1A基因不同，水稻SNORKEL1和SNORKEL2通過響應水淹條件下的乙烯信號來直接或間接影響GA途徑，導致細胞伸長，從而促進莖稈和葉片伸長，避免水淹[49]。玉米乙烯響應因子基因ZmEREB180能夠增強漬害脅迫后植株的存活能力；玉米過表達株系根系系統(tǒng)發(fā)育顯著增強，尤其是漬水脅迫后不定根的生長發(fā)育顯著增強；ZmEREB180通過影響內源激素生長素和乙烯的合成調控漬水脅迫下不定根的發(fā)育，并通過調控ROS水平增強漬水脅迫下的植株抗性[50]。玉米EREB58蛋白能與萜類合成酶基因TPS10啟動子的順式作用元件GCC-box結合，激活TPS10基因表達并誘導產生法尼烯和(E)-α-香柑油烯，間接參與玉米對生物逆境的防御[51]。

3 乙烯與其他植物激素的相互作用

植物生長發(fā)育及生物與非生物脅迫應急反應受多種植物激素調控，如脫落酸、細胞分裂素、生長素、水楊酸、茉莉酮酸脂等，這些激素之間相互影響，協(xié)調整個植物生長發(fā)育的復雜過程。隨著人們認知水平的提高，逐漸理解這些激素間的互做方式、互做節(jié)點及互做機制研究的重要性。之前的研究將EIN3/EIL1鑒定為一類新型的JAZ互作蛋白，并進一步證明了在植物防御反應和根毛發(fā)育中整合了茉莉酸-乙烯協(xié)同作用，需要茉莉酸和乙烯信號通路同時反應，激活EIN3/EIL1表達[52]。研究人員進一步證明了茉莉酸和乙烯拮抗作用的分子機理[53,54]。在彎鉤發(fā)育過程中HLS1基因是JA-ET拮抗的必要組成部分。茉莉酸通過抑制EIN3/EIL1活性降低了HLS1的表達，降低了在乙烯存在下的彎鉤曲率角。茉莉酸處理促進EIN3/EIL1蛋白水解，該蛋白水解依賴于SCFEBF1。進一步發(fā)現，這種拮抗作用需要堿性/螺旋-環(huán)-螺旋轉錄因子MYC2，而茉莉酸通過直接與啟動子綁定激活MYC2，正向調控EBF1表達。除此之外，MYC2還可以與EIN3發(fā)生作用，直接抑制其轉錄活性[54]。水楊酸和茉莉酸這兩種主要的防御激素之間的拮抗作用以及乙烯對茉莉酸信號通路在植物脅迫反應中的調控作用已研究清楚。研究發(fā)現EIN3和EIL1這兩種轉錄因子的拮抗作用，在水楊酸介導下抑制和茉莉酸介導下激活PDF1.2基因，這種功能的二元性是通過它們對蛋白質的影響而介導的[55]。此外，有研究報道乙烯和赤霉素可以通過誘導HLS1的表達共同作用于頂端彎鉤的形成，此研究發(fā)現HLS1是EIN3/EIL1的直接目標，而DELLA蛋白通過他們的DNA綁定區(qū)域抑制EIN3/EIL1的功能[56]。

4 展望

乙烯幾乎參與了植物生長發(fā)育直至衰老死亡的全部過程，其內源產生以及信號轉導通路一直是人們關注的焦點。盡管內源乙烯的生物合成及信號轉導途徑在擬南芥、番茄等中已基本研究清楚，但已有研究表明水稻等乙烯信號轉導表現出不同于擬南芥的功能特異性[50,51]。目前在小麥、玉米等農作物中，乙烯信號轉導通路相關基因的功能研究仍較少，乙烯信號轉導調控機理及其與其他激素信號通路間的關系還需更深入的研究。隨著轉基因技術、基因編輯技術的發(fā)展，結合基因的生物學特性以及相關生物技術，全面挖掘乙烯信號轉導通路相關基因，揭示其在植物生長發(fā)育中的功能及其分子調控機制顯得尤其重要。