光周期途径E3泛素连接酶的开花调控机制

马 达，李 魏，2，戴良英，2*

（1湖南农业大学植物保护学院，长沙410128；2作物基因工程湖南省重点实验室，湖南长沙410128）

光周期途径E3泛素连接酶的开花调控机制

马 达1，李 魏1，2，戴良英1，2*

（1湖南农业大学植物保护学院，长沙410128；2作物基因工程湖南省重点实验室，湖南长沙410128）

开花是植物生长发育过程中非常重要的一个环节，光周期是影响植物开花的主要环境因素。E3泛素连接酶对光周期依赖型的开花起着重要调控作用。已发现的光周期调控开花途径中多种组分均为E3泛素连接酶的靶蛋白，它们能通过E3泛素连接酶介导实现其泛素化降解，从而影响光周期信号，调控开花。综述了E3泛素连接酶在参与调控光受体稳定性、生物钟功能以及开花调控因子CO稳定性三个方面的研究进展。

植物；光周期调控；开花；E3泛素连接酶

现已知至少有四条途径调控植物开花：光周期途径、春化途径、自主途径和赤霉素途径［1］。光周期途径通过光信号与生物节律钟相互作用实现，包括三个环节：光受体先吸收环境中的光信号，然后将其输入到生物节律钟的核心——振荡器，最后由振荡器周期性表达开花基因将光信号转为开花信号［2］。

在研究拟南芥的过程中，人们发现植物通过监测日照长度来适应环境变化，适时开花。拟南芥是兼性长日照植物，长日照条件促进其生殖生长，短日照条件则促进其营养生长。拟南芥光周期开花调控通路中的信号组分有CO，GIGANTEA（GI）和FLOWERING LOCUST（FT）等，其中FT被认为是成花素，CO和GI则是激活FT的关键因子［3］。将这三个基因进行敲除，拟南芥在长日照条件下具有晚花表型，但是过量表达这些基因后，无论是在长日照还是在短日照条件下，植株都表现出明显的早花［3］。在光周期调控途径中，CO是关键的转录调控因子。长日照条件下，CO激活FT的表达，然后FT蛋白移动到茎端分生组织，诱导开花［3］。

植物开花光周期调控途径是一个复杂的过程，在植物生长发育中普遍存在，E3泛素连接酶在该调控途径中发挥重要作用。光周期调控开花途径中的多个组分均为E3泛素连接酶的靶标，它们可被泛素化修饰影响光周期信号进而影响开花。笔者拟从E3泛素连接酶参与调控光受体稳定性、生物钟功能以及开花调控因子CO稳定性等三个方面来阐述它在开花光周期调控途径中的作用。

1 E3泛素连接酶参与调控光受体的稳定性

E3泛素连接酶COP1参与调控光受体PHYs蛋白的稳定性。在拟南芥中，PHYA促进开花，而PHYB抑制开花［6］。磷酸化后的PHYA会优先被E3泛素连接酶复合体CUL4-DDB1-COP1-SPA泛素化降解［7］。PHYA信号途径中起正调控植物光形态建成作用的HFR1、HY5和LAF1蛋白也可以被起开花负调控作用的COP1泛素化［8］，说明COP1是通过调控这3个蛋白的稳定性来负调控光形态建成的。在红光条件下，拟南芥II型PHYs（PHYB-PHYE）也可与COP1互作，并被其泛素化降解［9］，这说明COP1参与调控拟南芥所有PHYs蛋白的降解。

蓝光受体CRY2在蓝光下被磷酸化转变为激活态，被泛素化降解［4］，进而促进拟南芥开花。CRY2的泛素化降解需要COP1和SPA两种蛋白，cop1和spa单突变体中CRY2的泛素化降解明显降低［10，11］。但是，拟南芥CRY2蛋白在蓝光下被泛素化的具体机制以及它是否在其它植物中保守还不清楚。

具有U-box结构的E3泛素连接酶PUB13也可以调控拟南芥开花，pub13突变体在长日照和中日照条件下表现早花，而在短日照条件下没有明显早花表型［12］。PUB13的泛素化靶蛋白HFR1参与光受体PHYA信号转导［12］。由于pub13的早花表型依赖于光周期，因而PUB13很有可能是通过泛素化来调节HFR1蛋白的稳定性以调控拟南芥开花和光形态建成。

2 E3泛素连接酶参与调节生物节律钟的功能

振荡器是生物钟的核心部分，决定光周期开花基因的日常表达模式，在光周期开花调节通路中发挥重要作用。拟南芥生物钟的中心循环涉及3个核心蛋白：LHY、CCA1和TOC1［13］。具有RING结构域的E3泛素连接酶SINAT5可以介导LHY泛素化降解，而参与抑制光形态建成的E3泛素连接酶CDD复合体组分DET1可以抑制SINAT5对LHY的泛素化活性［14］。

此外，E3泛素连接酶COP1与Early Flowering 3（ELF3）蛋白在控制生物钟输出组分方面一起发挥作用。ELF3蛋白控制着植物夜间生长的生物节律。在光周期途径中，COP1和ELF3可以在蓝光受体CRY2下游、GI上游调节日长信号［15］。同时，COP1也能识别ELF3，调节ELF3蛋白丰度，从而影响ELF3的作用［15］。E3泛素连接酶ZTL、LKP2和FKF1是F-box蛋白家族的成员，三者均参与调控拟南芥的开花启动。ZTL和LKP2负调控拟南芥光周期途径的开花［16］，而FKF1则正调控拟南芥光周期途径的开花［17］。ZTL对重设生物钟具有重要作用，它可作为蓝光受体调节靶蛋白TOC1和PRR5的降解，是振荡器产生昼夜节律很关键的一步［18］。FKF1可以在蓝光下与GI结合，GI-FKF1复合体可导致开花抑制子CDF1及CDF2的泛素化降解［19］，CDF1能与CO结合，并调节CO的表达。长日照条件下，由于CDF1被泛素化降解，CO表达被诱导，促进开花；而在短日照条件下，由于GI-FKF1结构不稳定，促进了CDF1的积累，进而CO的表达被抑制，开花被推迟［19］。ztl突变体具有长周期节律，而ztl，lkp2，fkf1的三突变体则具有更长周期，导致一些生物钟输出信号节律不强，从而使得拟南芥表现晚花。这很有可能是因为FKF1、ZTL和LKP2参与调控CDF蛋白的稳定性，使得CO转录水平下降，进而延迟开花［20］。

3 E3泛素连接酶参与调控CO稳定性

开花因子CO是生物钟输出途径中的重要元件，是监测日照长度、将光信号转为开花信号的一个关键因子，正调控拟南芥光周期依赖型开花［3］。E3泛素连接酶复合体SPA-COP1在黑暗中可特异降解CO。SPA家族蛋白（SPA1-4）在黑暗条件下抑制光形态建成，可与CO互作，负调控CO蛋白稳定性［21］。COP1与CO在植物体内体外均可互作，功能缺失的COP1在黑暗中促进CO蛋白含量明显增加，说明CO蛋白稳定性也受到COP1负调控［22］。SPA1也可和DET1一起调控光形态建成［23］，因此，SPA和COP1在拟南芥光周期调控开花过程中起着很重要的作用，可能作为泛素连接酶复合体通过促进靶蛋白CO在黑暗中的降解来延迟开花。然而，在长日照条件下，CRYs负调控COP1蛋白活性，使得CO蛋白在晚上积累进而诱导FT的表达，促进拟南芥开花［22］。

拟南芥ESD6基因是光周期调控开花途径中的一个新成员，ESD6编码一个含有RING-finger结构的E3泛素连接酶HOS1。HOS1／ESD6通过介导泛素化降解转录调控因子ICE1来调控CBFs基因的表达［24］。hos1／esd6双突变体具有早花表型，该表型需要一个活性CO基因［25］。另外，CO与HOS1在体内体外均可互作，如果将HOS1突变掉，CO的蛋白含量会在光照条件下尤其是在早晨大量增加。HOS1和COP1具有协同作用，无论是在长日照还是短日照条件下，hos1cop1双突变体都具有明显的早花表型，但是CO的突变会严重抑制hos1cop1双突变体的早花表型［25］。因此，HOS1在调控光周期开花反应中具有重要作用。

近期研究发现CO和FKF1能在植物体内互作，FKF1的LOV结构域涉及到CO与FKF1的体内互作，在蓝光下促进FKF1和CO的结合，长日照条件下，维持CO在傍晚的稳定性，从而促进FT的表达［26］，这与FKF1在降解CDFs时的作用正好相反，说明FKF1在调控光周期诱导开花过程中具有多重作用。FKF1维持CO的稳定性，这为在长日照条件下有效诱导FT表达提供了一条新的可靠机制［26］，说明FKF1在拟南芥对光周期作出反应的开花转型中占有重要地位。

4 总结与展望

涉及光周期调控开花的蛋白主要包括光受体蛋白和生物钟蛋白，近年来的实验结果表明，E3泛素连接酶在光周期调控开花途径中具有重要作用。现已发现许多光周期调控开花途径中的蛋白是E3泛素连接酶的靶蛋白，能被E3介导实现泛素化降解，从而影响植物光周期调控的开花。

现已在许多植物体内找到拟南芥E3泛素连接酶和涉及光周期调控开花蛋白的同源蛋白，如已在水稻中找到COP1、DDB1、ZTL1、FKF1、SPA和PUB13的同源物，在番茄、洋葱、二穗短柄草等植物中也发现了与拟南芥E3泛素连接酶的同源物，此外，光受体蛋白PHYs、CRYs，生物钟相关蛋白如CCA1、LHY等，也存在于大量植物中，说明E3介导的蛋白的泛素化降解在光周期调控植物开花中发挥着重要的作用。虽然目前对E3泛素连接酶参与调控光周期依赖型开花的研究越来越深入，但是这些研究都还主要集中在拟南芥上，在其它植物中的研究成果大都还只停留在基础阶段，对其在调控光周期依赖型开花中的分子机制还知之甚少，这种调控开花的机制在其它植物中是否高度保守，还有待进一步研究。解决这些问题，将有利于人们从分子水平上进一步理解光周期如何影响植物开花，有助于人们控制植物的开花，打破气候条件的限制，增强作物适应环境变化的能力，服务于生产。

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Regulation of E3 Ubiquitin Ligase in Photoperiod Dependent Flowering

MADa1，LIWei1，2，DAILiang-ying1，2，*

（1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Flowering is very important in the development of plants，and the photoperiod is amain environmental factor affecting plant flowering.The E3 ubiquitin ligases plays an important role in regulation of photoperiod dependent flowering.Some of the components in photoperiod regulated flowering pathway are the targets of E3 ubiquitin ligase，which could be degraded by E3 ubiquitin ligase-mediated pathway to regulate flowering through affecting photoperiod signal.Here，we review the function and molecularmechanism of Arabidopsis E3 ubiquitin ligases in flowering pathway in regulating photoperiod dependent flowering.

Plant；Photoperiod regulation；Flowering；E3 ubiquitin ligase

Q945.4

A

1001-5280（2014）04-0424-04 DOI：10.3969／j.issn.1001-5280.2014.04.23

2014 02 17

马 达（1989-），女，湖南龙山人，硕士研究生，Email：princessm2＠126.com。*通信作者：戴良英，教授，主要研究方向：微生物与植物分子互作，Email：daily＠hunau.net。

（20134320110013，20134320120001）；农业部转基因专项（2013ZX080001-002）。