許濤 夏冬健 萬菁 姜書涵 宋江華

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，合肥 230036）

植物逆境脅迫包括非生物脅迫和生物脅迫，非生物脅迫包括干旱脅迫、鹽脅迫、溫度脅迫、重金屬脅迫等；生物脅迫包括病原菌脅迫和昆蟲脅迫等。逆境脅迫不僅嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，還對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)造成巨大損失。因此，植物抗逆性的加強(qiáng)對(duì)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展十分重要。植物為應(yīng)對(duì)這些逆境須具有快速感知并適應(yīng)周圍環(huán)境的能力，因此逐漸形成了多種復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)制來提高其抗逆能力［1-2］。大量研究表明，F(xiàn)-box蛋白家族成員廣泛參與植物對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)［3］。由F-box蛋白、Skp1、Cullin及Rbx1形成的 SCF（Skp-cullin-f-box）蛋白復(fù)合物參與泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑，是最重要的生物調(diào)節(jié)體系之一。參與泛素-蛋白酶途徑（ubiquitin-proteasome pathway，UPP）通過調(diào)節(jié)功能蛋白或調(diào)節(jié)因子的豐度，從而調(diào)控生物體對(duì)逆境脅迫的響應(yīng)［4-5］。

1 F-box蛋白結(jié)構(gòu)及作用途徑

F-box蛋白的F-box基序位于N端，一般由40-50個(gè)氨基酸組成，與C端的其他基序相結(jié)合共同發(fā)揮作用［6-8］。許多F-box蛋白在C末端具有一個(gè)或多個(gè)變異度較大的蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用的結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域通常是F-box蛋白亞家族分類的依據(jù)。例如，富含亮氨酸的重復(fù)序列（leucinte-rich repeat，LRR）、WD40重復(fù)序列、四倍體重復(fù)序列（tetraploid repeat，G-TPR）或Kelch重復(fù)序列，而這些結(jié)構(gòu)域也賦予了F-box蛋白對(duì)底物泛素化的特異性［9-10］。在植物中，超過半數(shù)的F-box蛋白C末端為未知的保守結(jié)構(gòu)域，除上述結(jié)構(gòu)域外，蛋白質(zhì)其他區(qū)域是非保守的［11］。

F-box蛋白序列差異性使得其功能更趨于多樣化，其作用途徑主要包括兩種方式：形成 SCF 復(fù)合體和非 SCF 復(fù)合體。SCF蛋白復(fù)合體（泛素連接酶E3）是由Skp1、Cul1、Rbx1和F-box蛋白家族中的某個(gè)成員組成，在參與的蛋白質(zhì)降解途徑中，它們能使底物蛋白通過磷酸化的方式被蛋白酶體降解［12］。被降解的逆境相關(guān)蛋白為正調(diào)節(jié)蛋白或負(fù)調(diào)節(jié)蛋白。在正常條件下，SCF復(fù)合體降解抗逆反應(yīng)中的正調(diào)節(jié)蛋白，而負(fù)調(diào)節(jié)蛋白處于活性狀態(tài)，抗逆反應(yīng)關(guān)閉。在逆境條件下，SCF復(fù)合體降解抗逆反應(yīng)中的負(fù)調(diào)節(jié)蛋白，解除抗逆反應(yīng)的抑制，啟動(dòng)抗逆反應(yīng)；或使原本參與降解正調(diào)節(jié)蛋白的F-box蛋白不再表達(dá)，正調(diào)節(jié)蛋白不被降解，從而激發(fā)抗逆反應(yīng)［13］。然而，也有少數(shù)功能未知的F-box蛋白是通過非SCF復(fù)合體方式發(fā)揮作用，目前對(duì)這類蛋白研究較少［14］。兩種蛋白復(fù)合體差異一般在于，非SCF型F-box蛋白N端F-box結(jié)構(gòu)域無法與Cul1、Rbx1形成SCF復(fù)合物。但其可依賴F-box基序與Skp1結(jié)合形成復(fù)合體，或獨(dú)自行使功能［15］。這種作用模式在動(dòng)物中有較多發(fā)現(xiàn)，而在植物中鮮有報(bào)道［16］。

2 F-box蛋白參與植物非生物脅迫

2.1 F-box蛋白與植物干旱脅迫

干旱脅迫下，植物各組織間水分分配受阻，生物膜受到損傷，進(jìn)而導(dǎo)致光合作用減弱，滲透勢(shì)下降，影響植物正常生長(zhǎng)。在干旱脅迫反應(yīng)中，多數(shù)F-box蛋白通過影響植物激素脫落酸（abscisic acid，ABA）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來調(diào)控植物對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)。FOF2和FOL1在ABA介導(dǎo)的種子萌發(fā)和幼苗早期發(fā)育及干旱脅迫響應(yīng)中發(fā)揮了重要作用［17］。屈麗娜［18］構(gòu)建了擬南芥（Arabidopsis thaliana）雙突變體fof2fol1，在ABA不敏感突變體abi2-1中，ABA含量低于野生型，干旱或ABA對(duì)FOF2基因表達(dá)的誘導(dǎo)作用消失。而在過表達(dá)植株中，多個(gè)響應(yīng)干旱和ABA相關(guān)基因：AT2G40170、AT247770、AT1G32560和 AT2G30580在轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)量升高，表明FOF2通過ABA信號(hào)通路正向調(diào)節(jié)植物的耐旱性。安潔［19］研究表明，小麥（Triticum aestivum）F-box基因TaFBA1在ABA調(diào)控的氣孔關(guān)閉中是負(fù)調(diào)控因子，通過酵母雙雜實(shí)驗(yàn)獲得了兩個(gè)與TaFBA1互作的蛋白，ABA的受體RCAR1和轉(zhuǎn)錄因子ABI5，其中TaFBA1與RCAR1的互作位置可能在細(xì)胞膜上。過表達(dá)TaFBA1使轉(zhuǎn)基因煙草（Nicotiana tabacum）植株氣孔開度增大，光合效率提高，與野生型相比耐旱性增強(qiáng)。

有些F-box蛋白在植物干旱脅迫中起負(fù)調(diào)控作用。大豆（Glycine max）F-box蛋白GmFBX176負(fù)調(diào)控ABA對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，過表達(dá)GmFBX176基因的擬南芥植株成活率較低，且與野生型相比，失水率較高，脯氨酸、蔗糖和葉綠素含量降低，對(duì)干旱脅迫更敏感［20］。AtDIF1主要分布于細(xì)胞核內(nèi)，AtDIF1過表達(dá)會(huì)促進(jìn)擬南芥的幼苗生長(zhǎng)，降低Na+含量和K+損失，增強(qiáng)植物對(duì)鹽脅迫的耐受性。干旱或ABA會(huì)誘導(dǎo)擬南芥AtDIF1的表達(dá)，過表達(dá)AtDIF1基因的植株對(duì)干旱脅迫的耐受性降低，而dif1突變體對(duì)干旱脅迫的耐受性更高，說明該基因在干旱脅迫中起負(fù)調(diào)控作用［21］。Chunthong等［22］在3個(gè)耐旱和2個(gè)干旱敏感的不育水稻（Oryza sativa）的品種中，篩選出了OsO2g51350基因，該基因在3個(gè)耐旱品種中均含有F-box結(jié)構(gòu)域，而在2個(gè)干旱敏感型品種中則不存在，具有該結(jié)構(gòu)域的水稻品種在干旱脅迫下的產(chǎn)量高于不含該結(jié)構(gòu)域的水稻品種。因而OsO2g51350的F-box結(jié)構(gòu)域?qū)τ诟珊禇l件下維持作物產(chǎn)量起著非常重要的作用。擬南芥（Arabidopsis thaliana）中SAGL1基因介導(dǎo)了生物合成酶CER3的降解，負(fù)調(diào)控表皮蠟質(zhì)的生物合成。因此，SAGL1的抑制表達(dá)導(dǎo)致植株生長(zhǎng)遲緩，增加莖、葉和根的蠟質(zhì)積累，從而增強(qiáng)植株的抗旱性［23］。

2.2 F-box蛋白與植物鹽脅迫

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤鹽漬化問題愈加嚴(yán)重，抑制了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)。因此，鹽脅迫逐步成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的環(huán)境脅迫因子之一。楊傳平等［24］研究了NaHCO3脅迫下紫桿怪柳（Tamarix androssowii）中F-box基因的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)F-box基因響應(yīng)NaHCO3脅迫。葉武威等［25］在棉花（Gossypium spp）以及Luo等［26］在花生（Arachis hypogaea）中也相繼發(fā)現(xiàn)了與鹽脅迫相關(guān)的F-box蛋白。有研究表明干旱和鹽脅迫具有協(xié)同性，一些響應(yīng)干旱脅迫的F-box蛋白也同時(shí)響應(yīng)鹽脅迫，但調(diào)節(jié)方式會(huì)有所不同［14］。F-box蛋白TaFBA1通過ABA途徑提高轉(zhuǎn)基因煙草的耐旱性［18］。在鹽脅迫下，過表達(dá)TaFBA1基因煙草植株與野生型相比在根和葉中具有更低的Na+含量和更高的K+含量，質(zhì)膜上的H+-ATPase和液泡膜中V-ATPase、PPase的活性也更高。由此推測(cè)TaFBA1的過表達(dá)提高了轉(zhuǎn)基因植株的鹽脅迫耐受性［27］。擬南芥F-box蛋白AtPP2-B11與AtLEA14為互作蛋白，干旱條件下，AtPP2-B11過表達(dá)植株的AtLEA14轉(zhuǎn)錄水平下降。AtPP2-B11為干旱脅迫負(fù)調(diào)節(jié)因子［28］，而在擬南芥鹽脅迫中為正調(diào)節(jié)因子［29-30］。F-box蛋白FOF2正調(diào)控植物耐旱，而在鹽處理下，F(xiàn)OF2基因過表達(dá)植株與野生型相比對(duì)鹽脅迫更敏感，fof2突變體對(duì)鹽脅迫的敏感性有明顯的下降。鹽脅迫反應(yīng)相關(guān)基因SOS1、SOS2和SOS3均受鹽脅迫誘導(dǎo)，但在過表達(dá)植株中的表達(dá)水平低于野生型，fof2突變體中的表達(dá)水平則高于野生型。結(jié)果表明，F(xiàn)OF2在植物抗鹽脅迫響應(yīng)中起負(fù)調(diào)控作用［31］。

2.3 F-box蛋白與植物溫度脅迫

溫度是制約植物生長(zhǎng)的一種非生物因素，熱害、冷害和凍害都會(huì)影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育。目前，關(guān)于F-box蛋白家族成員參與植物溫度脅迫反應(yīng)方面的研究仍然較少。Liu等［32］發(fā)現(xiàn)辣椒（Capsicum annuum）中的兩個(gè)F-box基因?yàn)閟y-2候選基因，可能導(dǎo)致了辣椒的溫度敏感表型。擬南芥F-box蛋白CPR1與UBC13相互作用以響應(yīng)低溫脅迫［33］。在溫度脅迫中，不同的F-box基因表達(dá)模式不盡相同，這可能與F-box基因在植物中不同的作用機(jī)制有關(guān)。TaFBA1的過表達(dá)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因煙草的熱脅迫耐受性，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因煙草的生長(zhǎng)抑制作用降低且光合作用增強(qiáng)。此外，TaFBA1的過表達(dá)上調(diào)了非生物脅迫反應(yīng)基因：NtHSP101，NtHSP90，NtHSP82等的表達(dá)，并廣泛參與活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除和脯氨酸的生物合成［34］。microRNAs可通過抑制其靶基因的表達(dá)參與許多與植物抗逆性相關(guān)的分子機(jī)制和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑［35］，近年來研究發(fā)現(xiàn)一些F-box基因充當(dāng)了microRNAs的靶基因這一角色。Tang等［36］研究發(fā)現(xiàn)，OsmiR528通過靶向F-box基因Os06g06050來調(diào)控應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子OsMYB30的表達(dá)以提高水稻的耐低溫性。

2.4 F-box蛋白與植物重金屬脅迫

重金屬如鉻（Cr）、鎘（Cd）和鋁（Al）等對(duì)植物生長(zhǎng)有害且影響正常生命活動(dòng)。在重金屬脅迫下，植物體一般通過在細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞間形成螯合肽和金屬硫蛋白，從敏感部位清除金屬離子［37］。在Cr處理的油菜（Brassica napus）籽長(zhǎng)成的植株根系中，生長(zhǎng)素信號(hào) F-box3 蛋白高度表達(dá)［38］。Chen 等［39］從辣椒“P70”品種中克隆得到一個(gè)F-box基因CaF-box，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，CaF-box的表達(dá)在重金屬脅迫和滲透脅迫中均受到了抑制，推測(cè)它可能在重金屬應(yīng)激反應(yīng)中起負(fù)調(diào)控作用。Fang等［40］對(duì)耐Cd和Cd敏感的水稻品系進(jìn)行磷酸化分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-box蛋白在水稻對(duì)Cd脅迫響應(yīng)和抗性的磷酸化途徑中具有重要作用。擬南芥通過AtALMT1轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分泌蘋果酸，以螯合Al并使Al解毒。C2H2型轉(zhuǎn)錄因子STOP1通過誘導(dǎo)包括AtALMT1在內(nèi)的一系列基因的表達(dá)，在降低Al毒性積累中起著至關(guān)重要的作用［41］。Zhang等［42］在擬南芥中分離鑒定了一個(gè)F-box蛋白R(shí)AE1，STOP1可以結(jié)合RAE1啟動(dòng)子并上調(diào)其表達(dá)，STOP1和RAE1之間存在反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，并通過泛素-26S蛋白酶體途徑促進(jìn)STOP1的泛素化和降解，從而調(diào)控植物對(duì)Al脅迫的抗性。

3 F-box蛋白與植物生物脅迫

大量研究表明隨著全球溫室效應(yīng)不斷積累，高濃度CO2和UV-B輻射增強(qiáng)使病原菌繁殖力不斷提高，可能加速病原菌種群的進(jìn)化，使其致病性和抗宿主免疫能力得到增強(qiáng)；冬季氣溫升高將降低害蟲越冬死亡率，春季氣溫升高將使越冬害蟲提前活動(dòng)［43］。因此，提高農(nóng)作物的抗生物脅迫性就顯得尤為重要。

Paquis等［44］利用差減雜交技術(shù)在葡萄（Vitis vinifera）中克隆得到了F-box基因BIG-24.1，發(fā)現(xiàn)BIG-24.1是一種調(diào)控葡萄防御灰霉菌的F-box基因，當(dāng)葡萄受到灰霉菌（Botrytis cinerea）感染時(shí)，BIG-24.1 表達(dá)量顯著上升。當(dāng)擬南芥受到丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）感染時(shí)，At2g02360（F-box-Nicta）基因的表達(dá)增強(qiáng)；超表達(dá)F-box-Nicta 的擬南芥能夠抑制 PstDC3000定植，減少葉片損傷［45］。水稻中的 F-box 基因 OsDRF1 能夠上調(diào)防御相關(guān)基因（PR1a、Sar8.2b）的表達(dá)來增強(qiáng)植株的抗病性，超表達(dá) OsDRF1 的轉(zhuǎn)基因煙草對(duì)番茄花葉病毒（Tomato mosaic virus）和丁香假單胞菌的抗性增強(qiáng)，在接種番茄花葉病毒4 d 后和接種丁香假單胞菌7 d 后，轉(zhuǎn)基因植株的病害程度明顯弱于野生型［46］。F-box 蛋白MAX2是一種多功能蛋白，在植物各種應(yīng)激和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮重要作用［47-49］。氣孔閉合功能是植物抵抗細(xì)菌先天免疫反應(yīng)中一個(gè)重要的組成部分，當(dāng)病原體細(xì)菌接觸植物葉片時(shí)，植物能夠通過關(guān)閉氣孔來進(jìn)行防御［50］。研究顯示，擬南芥 F-box 蛋白MAX2 能夠通過誘發(fā)氣孔關(guān)閉提高植物對(duì)細(xì)菌的抗性，而max2 突變體植株的氣孔導(dǎo)度增強(qiáng)，氣孔閉合受損，導(dǎo)致病原菌易于侵染［51］。

在植物防御昆蟲脅迫的系統(tǒng)中，脂質(zhì)衍生的茉莉酮酸植物激素起著至關(guān)重要的作用。植物感知昆蟲侵襲，在局部和系統(tǒng)上會(huì)引起茉莉酮酸的快速合成，合成過程被F-box蛋白COI1所感知，從而進(jìn)一步招募JAZ阻遏蛋白并進(jìn)行泛素化降解，釋放出轉(zhuǎn)錄因子，隨后激活植物防御昆蟲侵襲的能力［52］。Balachiranjeevi等［53］在水稻中篩選了 71個(gè)與褐飛虱（Nilaparvata lugens）抗性相關(guān)的基因，其中Os01g37260是具有LRR結(jié)構(gòu)域的F-box蛋白，該蛋白質(zhì)可以提高水稻對(duì)生物脅迫的抗性（表1）。

表1 參與植物逆境脅迫的F-box蛋白Table 1 F-box proteins involved in plant stress

4 結(jié)語和展望

F-box蛋白家族成員眾多，在不同植物中的數(shù)量和種類不盡相同，大多數(shù)F-box蛋白主要是以SCF復(fù)合體形式參與泛素-蛋白酶體途徑發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。近年來隨著研究的深入，該蛋白家族的功能被逐步鑒定出來。

然而，關(guān)于F-box蛋白在植物響應(yīng)逆境中發(fā)揮的作用仍存在一些問題需要深入研究。（1）目前關(guān)于 F-box蛋白在逆境響應(yīng)過程中的功能研究多集中于模式植物，如擬南芥、水稻等，在其他重要作物中的報(bào)道有限。（2）盡管發(fā)現(xiàn)了很多逆境相關(guān)F-box基因，但關(guān)于 F-box 蛋白的作用機(jī)制尚不明確，如參與植物抗病反應(yīng)的 OsDRF1、ACIF1 和 SON1 的作用底物還未知，其靶基因及互作蛋白也不明確［55］。（3）有些F-box蛋白只對(duì)一種逆境產(chǎn)生響應(yīng)，還有些可對(duì)多個(gè)逆境產(chǎn)生響應(yīng)。如FBS1可調(diào)控茉莉酸（JA）和ABA信號(hào)響應(yīng)基因，這些基因在植物對(duì)抗干旱、低溫等逆境脅迫中發(fā)揮重要作用［54］。目前，關(guān)于不同逆境交叉互作相關(guān)F-box蛋白的研究還比較少，今后可以利用蛋白質(zhì)互作等技術(shù)進(jìn)一步研究F-box蛋白在逆境脅迫中的交互作用。對(duì)F-box蛋白響應(yīng)植物逆境的機(jī)制進(jìn)行深入地研究，不僅可以篩選作物新的抗逆分子標(biāo)記，而且對(duì)于培育作物抗逆新品種和促進(jìn)作物增產(chǎn)增收等方面具有重要意義。