小分子信號轉導是植物對外界環(huán)境和內部信號的響應的重要機制。植物將大量輸入信號整合成一個連貫的整體信號通路，廣泛調控植物生長發(fā)育。

大多數植物激素信號轉導依賴于特定轉錄因子家族的活性。這些轉錄因子的功能又由激素感受途徑調節(jié)。例如在生長素信號傳遞路徑中，當生長素濃度較低時，Aux/IAA能夠抑制轉錄因子ARF（auxin response factors）活性，添加生長素可以促進Aux/IAA蛋白降解，激活ARF調控基因表達。然而這種相對簡單的抑制釋放模型由于ARF和Aux/IAA蛋白龐大的基因家族以及家族成員之間相互作用強度，亞功能化和特異性而變得十分復雜。

近日，Current Opinion in Plant Biology在線發(fā)表了美國華盛頓大學生物系Jennifer Nemhauser教授實驗室題為”Its Morphintime：how multiple signals converge on ARF transcription factors to direct development”的綜述文章，文章重點討論了如何通過對ARF活動的多層次調節(jié)來實現植物生長的靈活性和穩(wěn)健性。

ARFs轉錄水平調控

ARFs可以分成3個家族：A-ARFs、B-ARFs和C-ARFs。通常認為A-ARFs是轉錄激活子，B-ARFs和C-ARFs是轉錄抑制子。雖然大多數A類ARF在根的分生組織中表達，但研究發(fā)現ARF8的表達僅限于外層細胞，而ARF19的表達僅限于根冠、表皮和中柱細胞中。因此，在任何類型的細胞中存在哪些ARF取決于細胞的發(fā)育階段和定位。ARF表達的時空調控導致不同的ARF在不同組織中存在，對于生長素的響應也取決于這些組織中存在什么樣其他因素。

選擇性剪接是調控ARF表達和相互作用另一種方法。近來研究表明ARF8剪接變體在表達譜上存在明顯的差異，例如剪接變體8.4在發(fā)育中的擬南芥花序中特異表達。與兩個全局性表達剪接變體ARF8.1和ARF8.2相比，8.4存在28個氨基酸插入。與ARF8.1和ARF8.2不同，在ARF8-7突變體中超表達ARF8.4能夠完全恢復生長素響應基因IAA19的轉錄。研究發(fā)現，ARF8.4與IAA19啟動子區(qū)域的結合強度高于其他變體，而這些區(qū)域中包含了能夠供其他轉錄因子的結合的G-box和HUD等元件。因此推測ARF8.4可能在這個啟動子上表現出其他變體沒有的協同活性。同樣地，在番茄中也觀察到了ARF的剪接變體，這些變體在生殖組織中也表現出組織特異性的表達。

ARFs在蛋白結構和定位上的調控

轉錄因子在細胞核中發(fā)揮作用，因此蛋白定位是植物調節(jié)轉錄因子活性的另一個關鍵機制。最近研究表明，ARF7和ARF19定位在初生根分生區(qū)的細胞核內，但在根的分化區(qū)域卻發(fā)生了重定位。除此之外，ARF的翻譯后修飾也是發(fā)揮調控作用的重要方式，但這些修飾如何相互作用或促進協同性尚不清楚。對一些家族成員來說，ARF的磷酸化是ARF功能的關鍵。例如油菜素甾體調節(jié)激酶BIN2對B類ARF2的磷酸化降低了其與DNA的結合能力，并且因為ARF2是一種轉錄抑制因子，這就可能增強生長素的響應能力。BIN2也可以磷酸化A類ARF7和ARF19，干擾ARF與其IAA抑制劑的相互作用來促進ARF與DNA的結合和生長素響應。

ARFs和其他轉錄因子的互作影響植物發(fā)育

轉錄的組合調控是信號通路之間協同作用的一個重要標志，即來自多個途徑的轉錄因子與啟動子間相互作用。盡管關于生長素響應如何受其他信號途徑影響的研究很多，但有關ARFs與啟動子上其他轉錄因子之間的相互作用的報道相對較少。對擬南芥生長素響應蛋白的自然變異分析發(fā)現，ARF的自然變異集中在幾個家族成員的可變中間域和C端，而這些區(qū)域是蛋白質相互作用的區(qū)域，表明ARF蛋白的相互作用發(fā)生的范圍很廣，也可能是多樣性進化的目標。

最近一項關于ARF3（ETTIN）的研究是蛋白相互作用如何產生協同反應的一個很好的例子。在擬南芥中，ARF3直接與不同種類的多種轉錄因子相互作用，特別是INDEHISCENT（IND），BREVIPEDICELLUS（BP），和REPLUMLESS（RPL）。所有這些因子都與XTH7的啟動子結合并調節(jié)其表達。ARF3上調XTH7的表達，而IND、BP和RPL下調其表達。除此之外，在生殖發(fā)育的早期，ARF3及ARF4直接與另一轉錄因子FLH相互作用以促進花的形成，進一步說明了ARF蛋白的動態(tài)相互作用。

利用新的酵母雙雜交方法CrY2H-seq對擬南芥ARF相互作用進行的高通量研究發(fā)現了大量的互作關系，其中絕大多數是首次觀察到，并且具有很強的特異性。例如ARF18與脫落酸響應因子的相互作用，而研究中的其他ARF則不能與之互作。有趣的是，ARF19與其他相互作用的蛋白質數量是其他AFR的10倍，這表明ARF19可能是信號的整合中樞。

轉錄的組合調控標記

啟動子結構分析是尋找轉錄組合調控的另一個方向，最近對生長素響應啟動子的研究表明，擬南芥生長素響應啟動子上廣泛存在轉錄因子共占有的情況。研究發(fā)現，對生長素反應迅速上調的基因的啟動子可能是直接的ARF靶點，這些啟動子富集著TCP、bZIP和bHLH轉錄因子類的結合位點。

協同轉錄因子相互作用通常被認為是促進轉錄活性，但抑制作用同樣存在并同等重要。例如在擬南芥莖頂端分生組織中，非生長素轉錄因子也能產生類似的轉錄抑制。高生長素反應促進莖尖分生組織的細胞分化，但為了在中心區(qū)保留干細胞生態(tài)位，便需要較低的生長素響應能力。這種低響應可通過轉錄因子WUSCHEL的活性維持，WUSCHEL直接抑制ARF靶點，導致生長素響應低，達不到誘導分化的閾值，使得干細胞持續(xù)存在。

獨立于轉錄調節(jié)的發(fā)育彈性

轉錄調控中的合作性產生了發(fā)育的復雜性，這種復雜性帶來了系統內噪音的增加和阻礙連貫性反應的風險。由于植物必須在不斷變化的環(huán)境中生長，對微小環(huán)境擾動的過度反應會對植物的適應性產生負面影響。因此，作為一種獨立于轉錄調節(jié)的方法，植物可以利用生物力學約束來限制這種噪音。例如，最近研究發(fā)現，擬南芥液泡大小也可以獨立于生長素調節(jié)，肌動結合蛋白NET4也可以促進其收縮。NET4對液泡大小的影響并不依賴于生長素的處理，這表明這種細胞骨架調節(jié)器提供了一種調節(jié)器官生長和組織擴張的正交機制，可以起到防止有害轉錄波動的作用。