植物乙烯信号转导通路及其相关基因的研究进展

史庆玲, 李忠峰, 董永彬*, 李玉玲

1.河南省种子站, 郑州 450016;2.河南农业大学农学院, 郑州 450046

乙烯是一种具有生物活性的简单气态激素，植物可以通过乙烯的生物合成和信号转导途径，调节其体内的生理过程，协调乙烯信号途径与其他信号途径互作，完成各种生理活动和应答反应，如果实成熟、器官衰老、植物开花、种子休眠、种子萌发、根毛发育以及对生物和非生物胁迫反应等生理过程[1]。目前对乙烯信号转导的研究主要集中在双子叶模式植物拟南芥中，单子叶模式植物水稻特殊的半水生生活环境与其他单子叶植物小麦、玉米等，对乙烯的反应不同，这暗示着不同单子叶植物可能存在着不同的乙烯信号转导新机制，梳理这些研究成果，对深入理解植物生长发育过程及生物和非生物胁迫中乙烯的调控机理，及对乙烯信号转导机制的解析具有重要的意义。

1 乙烯的生物合成及信号转导途径

在模式植物拟南芥中，乙烯的生物合成及信号转导途径已基本研究清楚，如图1所示，首先在铜离子作用下乙烯分子与位于内质网膜上的乙烯受体(ETR1、ERS1、ETR2、ERS2和EIN4)结合，导致负调控组分受体CTR1(constitutive triple response1)复合体失活；失活后的受体CTR1复合体不再磷酸化下游信号组分EIN2 (ethylene-insensitive2)，而EIN2 因不被降解而激活；然后EIN2 蛋白羧基端(EIN2 CEND)被切割而游离并进入细胞核；EIN2 CEND可能通过抑制EBF1/2 (EIN3-Binding F-Box 1/2)蛋白介导的转录因子EIN3 (Ethylene-insensitive3)/EIL1 (Ethylene-insensitive-like1)的泛素化降解过程而促进EIN3/EIL1在细胞核内积累，进而EIN3/EIL1转录激活ERF1 (Ethylene-responsive factor1)等下游靶基因表达从而产生乙烯反应[2]。双子叶植物具有相对一致的“三重反应”，典型的乙烯反应是双子叶植物黄化幼苗的三重反应，表现为上胚轴和根伸长被抑制，横向生长，缩短变粗，顶勾弯曲增大等[3]。拟南芥乙烯信号转导通路中的大多数组分在水稻中已找到同源序列，包括5个乙烯受体、OsCTR1、OsEIN2、OsEIL1和OsERFs等[4]。但是单子叶植物黄化苗对乙烯的反应表现出不同的情况，当用乙烯处理单子叶植物小麦、高粱、玉米以及模式植物二穗短柄草时，黄化苗根和胚芽鞘的生长都受到明显抑制，这与乙烯对双子叶植物生长的影响相似，而对于水稻，胚芽鞘的生长受乙烯促进，根的生长受乙烯抑制[5,6]。

图1 拟南芥乙烯信号转导线性模型Fig.1 Schematic diagram of ethylene signal transduction in Arabidopsis.

乙烯在植物体内的生物合成前体为蛋氨酸(即甲硫氨酸)，经由一系列酶催化过程合成，其中ACC合酶(1-aminoacyclopropane 1-carboxylate synthase，ACS)是乙稀生物合成途径中的关键酶和限速酶，对乙烯生物合成具有重要的调控作用[7]。在植物体内，ACS是一个多基因家族，如拟南芥和番茄分别有12个和9个ACS基因[8,9]。利用基因工程技术在番茄、西葫芦等植株中导入 ACS 反义 RNA 或 RNAi 基因，可以使果实成熟延迟，而外施乙烯又可以使其恢复成熟[10～12]。将反义ACS基因转入烟草中，会明显增强转基因烟草植株对非生物胁迫的耐受能力[13]。玉米ACC合酶基因ZmACS6突变体能延缓叶片衰老，同时能抑制干旱诱导的衰老，突变体还影响植株根系在土壤中的正常生长[14,15]。通过基因沉默方法降低ACC合成酶基因的转录水平，能使玉米乙烯释放量降低约50%；多个独立转基因事件的杂交种和对照种植鉴定表明，下调乙烯生物合成通路基因显著提高了干旱胁迫条件下的玉米产量[16,17]。

2 乙烯信号转导途径相关基因

2.1 乙烯受体

乙烯受体能够感知乙烯信号，并与其识别结合，进一步传递乙烯信号。在拟南芥中已发现5 个乙烯受体家族成员，包括 ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4，均位于内质网膜上[3]。水稻乙烯受体家族各成员在功能上表现出不同于拟南芥的特异性，可能存在着新的信号传递组分或新机制[4]。拟南芥的大多数单个受体的功能缺失突变体表型与野生型类似，只有etr1-7突变体表现轻微的乙烯过敏反应[18]。拟南芥乙烯受体ETR1基因功能缺失导致rdo3突变体种子休眠[19]。水稻Osetr2、Osetr3或Osers2的单个受体功能缺失突变体可导致乙烯过敏感和早花表型，而OsETR2过表达水稻呈现乙烯敏感性降低和晚花表型[20]。OsETR2蛋白具有丝/苏氨酸激酶活性而非组氨酸激酶活性，且N-box突变可使其激酶活性完全丧失，而拟南芥乙烯受体的N-box突变只能部分抑制其激酶活性[21]。目前玉米中仅鉴定出了ZmERS1和ZmETR1两个乙烯受体家族基因，玉米乙烯信号通路相关基因的功能研究相对拟南芥、水稻等明显滞后[22]。

2.2 负调控因子CTR1

CTR1位于乙烯受体下游，介导乙烯受体的信号负调控乙烯反应，其功能缺失突变体表现出组成型乙烯反应。在缺少乙烯的情况下，CTR1能与乙烯受体家族成员结合，抑制乙烯信号的传递；当乙烯与受体结合时，CTR1失去活性，乙烯信号能够进一步被传递到下游组分[2,3]。在拟南芥过表达CTR1的氨基端可以造成组成型乙烯反应表型。ctrl-10是一个弱的组成型乙烯反应突变体，其组成型乙烯反应主要表现为主根缩短。在拟南芥中只有一个CTR1基因，而番茄中是由 4 个基因构成的CTR1-like家族[23]。番茄LeCTR1的mRNA会随着果实成熟上升表达，且会受到外源乙烯诱导，但拟南芥AtCTR1表达不会受到乙烯明显的影响[24]。

2.3 转录因子EIN2

EIN2是乙烯信号通路中起正调控作用的关键因子。在拟南芥25个ein2等位突变体中，除了ein2-9，其他24个突变体在形态学、生理学以及分子水平都对乙烯处理不敏感。当没有乙烯时，ETP1/ETP2(EIN2 targeting protein2)蛋白积累，通过泛素化途径降解EIN2蛋白，关闭乙烯信号途径；而有乙烯时，ETP1/ETP2蛋白含量减少，EIN2蛋白稳定性增强，被切割入核，激活下游乙烯信号[25]。拟南芥ein2-1突变体的器官与野生型相比显著增大，EIN2通过控制细胞膨大抑制器官过度生长[26]。水稻MHZ3可与OsEIN2互作，mhz3功能丧失后OsEIN2丰度降低，乙烯诱导OsEIN2积累减少，而过表达MHZ3可以提高OsEIN2的丰度；MHZ3可以通过与OsEIN2的Nramp-like结构域与OsEIN2稳定结合，并阻止其泛素化[27]。

2.4 转录因子EIN3/EIL1

EIN3/EIL1是高等植物基因组中的一个较小转录因子家族，在植物生长发育过程中发挥重要的调节作用[28]。在高盐胁迫下，拟南芥EIN3功能缺失突变体的发芽率、幼苗成活率均低于野生型，且表现出细胞质渗透较高等盐敏感表型[29,30]。EIN3/EIL1能直接结合HOOKLESS1(HLS1)的启动子序列并激活其表达，进而促进拟南芥顶端弯钩的形成[31,32]。单个番茄LeEIL基因的反义抑制没有明显降低乙烯敏感性，而抑制多个LeEILs基因表达则导致乙烯反应，如叶偏上生长、花衰老及脱落、果实延迟成熟等[33]。水稻MHZ6编码一个与拟南芥EIN3同源的转录因子OsEIL1，该基因突变会导致水稻黄化苗的根对乙烯不敏感，从而干扰其家族基因OsEIL2的表达，导致胚芽鞘对乙烯不敏感；MHZ6/OsEIL1和OsEIL2通过直接结合并激活OsHKT2;1在水稻幼苗根中的表达，从而促进对钠离子的吸收，导致对盐敏感[34]。水稻MHZ4编码一个定位于叶绿体的膜蛋白，而MHZ5编码一个类胡萝卜素异构酶，均参与ABA合成；在mhz4和mhz5突变体中，ABA合成均减少，而乙烯合成增加；在根中MHZ4和MHZ5介导ABA通路作用于乙烯信号下游，抑制根伸长；在胚芽鞘中它们介导ABA通路作用于乙烯信号上游，通过抑制EIN2表达，进而抑制胚芽鞘生长[35,36]。玉米乙烯信号转导途径中的EIN3/EIL家族基因ZmEIL1的表达受外源乙烯的影响，在玉米叶片和根中可以被乙烯利诱导表达，在叶片中被1-MCP抑制表达[37]。

2.5 转录因子ERFs

乙烯响应因子ERFs是植物特有的一类转录因子，位于乙烯信号转导途径下游，通过与GCC-box等启动子互作，对下游相关基因进行调控，在植物的生长发育、新陈代谢和逆境适应性等方面起着不可替代的重要作用。拟南芥AtERF15和AtERF96是ABA响应的正调控因子，过表达株系表现出对ABA的超敏反应，影响种子萌发、幼苗发育和根的伸长[38,39]。在土壤中乙烯可激活拟南芥下胚轴中的ERF1信号通路而减慢细胞伸长[40]。拟南芥ERF12在ETR1下游发挥作用并参与调控种子休眠，且与TPL蛋白互作一起发挥功能；ERF12和TPL蛋白能够结合到DOG1启动子上抑制其表达，通过乙烯与DOG1通路联合调控种子休眠[19]。在番茄中过表达Sl-ERF2能激活编码甘露聚糖酶的基因Sl-Man2，从而导致未成熟种子提前萌发[41]，抑制番茄花柄脱落区特异表达基因SlERF52，并会影响纤维素酶和多聚半乳糖醛酸酶的合成，从而延迟花蕾脱落[42]。玉米基因ZmEREB94在籽粒胚乳中表达量较高，能直接作用于淀粉合成基因ZmSSI启动子，间接调控淀粉合成基因ZmSh2和ZmGBSSI的表达，是玉米淀粉合成中的关键调控因子[43]。在玉米自交系N04胚乳发育早期和晚期，乙烯响应因子ZmERF1基因及其蛋白的表达量均较高，与不同发育时期籽粒的乙烯释放量相一致，该基因可能与玉米种子早期灌浆及后期脱水成熟有关[44,45]。

ERF家族基因的表达还受激素或环境因素的影响，调节植物对各种逆境胁迫的应答反应。水稻OsERF4a和OsERF10a的基因过表达提高了植株对干旱胁迫的耐性，并胁迫抗性相关基因的表达发生改变[46]。在水淹条件下，乙烯能促进水稻Sub1A基因表达，而Sub1A可以增加GA信号抑制子SLR1和SLRL1的表达量，导致植株对GA不敏感，无法伸长，从而减少碳水化合物代谢，增加无氧呼吸能力，增强水稻的耐淹性[47,48]；与Sub1A基因不同，水稻SNORKEL1和SNORKEL2通过响应水淹条件下的乙烯信号来直接或间接影响GA途径，导致细胞伸长，从而促进茎秆和叶片伸长，避免水淹[49]。玉米乙烯响应因子基因ZmEREB180能够增强渍害胁迫后植株的存活能力；玉米过表达株系根系系统发育显著增强，尤其是渍水胁迫后不定根的生长发育显著增强；ZmEREB180通过影响内源激素生长素和乙烯的合成调控渍水胁迫下不定根的发育，并通过调控ROS水平增强渍水胁迫下的植株抗性[50]。玉米EREB58蛋白能与萜类合成酶基因TPS10启动子的顺式作用元件GCC-box结合，激活TPS10基因表达并诱导产生法尼烯和(E)-α-香柑油烯，间接参与玉米对生物逆境的防御[51]。

3 乙烯与其他植物激素的相互作用

植物生长发育及生物与非生物胁迫应急反应受多种植物激素调控，如脱落酸、细胞分裂素、生长素、水杨酸、茉莉酮酸脂等，这些激素之间相互影响，协调整个植物生长发育的复杂过程。随着人们认知水平的提高，逐渐理解这些激素间的互做方式、互做节点及互做机制研究的重要性。之前的研究将EIN3/EIL1鉴定为一类新型的JAZ互作蛋白，并进一步证明了在植物防御反应和根毛发育中整合了茉莉酸-乙烯协同作用，需要茉莉酸和乙烯信号通路同时反应，激活EIN3/EIL1表达[52]。研究人员进一步证明了茉莉酸和乙烯拮抗作用的分子机理[53,54]。在弯钩发育过程中HLS1基因是JA-ET拮抗的必要组成部分。茉莉酸通过抑制EIN3/EIL1活性降低了HLS1的表达，降低了在乙烯存在下的弯钩曲率角。茉莉酸处理促进EIN3/EIL1蛋白水解，该蛋白水解依赖于SCFEBF1。进一步发现，这种拮抗作用需要碱性/螺旋-环-螺旋转录因子MYC2，而茉莉酸通过直接与启动子绑定激活MYC2，正向调控EBF1表达。除此之外，MYC2还可以与EIN3发生作用，直接抑制其转录活性[54]。水杨酸和茉莉酸这两种主要的防御激素之间的拮抗作用以及乙烯对茉莉酸信号通路在植物胁迫反应中的调控作用已研究清楚。研究发现EIN3和EIL1这两种转录因子的拮抗作用，在水杨酸介导下抑制和茉莉酸介导下激活PDF1.2基因，这种功能的二元性是通过它们对蛋白质的影响而介导的[55]。此外，有研究报道乙烯和赤霉素可以通过诱导HLS1的表达共同作用于顶端弯钩的形成，此研究发现HLS1是EIN3/EIL1的直接目标，而DELLA蛋白通过他们的DNA绑定区域抑制EIN3/EIL1的功能[56]。

4 展望

乙烯几乎参与了植物生长发育直至衰老死亡的全部过程，其内源产生以及信号转导通路一直是人们关注的焦点。尽管内源乙烯的生物合成及信号转导途径在拟南芥、番茄等中已基本研究清楚，但已有研究表明水稻等乙烯信号转导表现出不同于拟南芥的功能特异性[50,51]。目前在小麦、玉米等农作物中，乙烯信号转导通路相关基因的功能研究仍较少，乙烯信号转导调控机理及其与其他激素信号通路间的关系还需更深入的研究。随着转基因技术、基因编辑技术的发展，结合基因的生物学特性以及相关生物技术，全面挖掘乙烯信号转导通路相关基因，揭示其在植物生长发育中的功能及其分子调控机制显得尤其重要。