烟草茉莉素信号途径相关基因

王文静，陈德鑫，张 洁

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

烟草茉莉素信号途径相关基因

王文静，陈德鑫，张 洁

（中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101）

茉莉素途径是植物重要的信号途径，对植物的生长发育过程和抗逆过程起重要的调控作用。有生物活性的茉莉酸衍生物JA-Ile（jasmonoyl-isoleucine）与茉莉素受体复合体SCFCOI1结合后，导致茉莉素途径负调控因子JAZ蛋白由26S蛋白酶体（即蛋白泛素化降解途径）降解，并释放出茉莉素途径转录激活因子MYC2，从而激活茉莉素信号途径下游与植物生长发育相关和抗逆相关的功能基因表达和生理变化。对该信号途径中3个重要基因COI1、JAZ、MYC2在烟草中的研究情况进行了综述。

烟草；茉莉素信号途径；COI1；JAZ；MYC2

茉莉酸及其挥发性衍生物茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）和氨基酸衍生物统称为茉莉素类物质（jasmonates，JAs），是植物体内起整体性调控作用的植物生长调节物质。作为一种公认的新型植物激素，茉莉素不仅参与调节植物生长发育如根系生长、植物育性、块茎形成、果实成熟以及衰老等生命活动[1-2]，还在植物对生物胁迫（如昆虫侵袭、病原菌侵染等）和非生物胁迫（如机械损伤、臭氧损伤、低温、干旱以及盐胁迫等）反应中起重要调控作用[3-5]。

几十年来，通过对很多茉莉素不敏感突变体的研究，该信号途径一些关键基因被克隆，结合其他生物化学手段，茉莉素信号转导途径逐渐清晰和完善起来。经典的茉莉酸信号转导途径为：当受到病原菌、机械伤害等外部刺激时，具有生物活性的茉莉酸衍生物JA-Ile（jasmonoyl-isoleucine）首先被受体复合体SCFCOI1结合识别后，原本与转录因子结合的蛋白质JAZs被泛素化标记并转运至26S蛋白酶体中进行泛素化降解，释放后的转录因子（以MYC2为主）得以转录启动茉莉酸信号下游基因的表达，从而调控一系列由茉莉素介导的植物生长发育过程和抗性反应（图1）[6-10]。在茉莉素信号途径中，涉及到大量基因，如COI1、JAZ、MYC2等重要基因，这些基因大都克隆自模式植物拟南芥，其 次在烟草、水稻、番茄等植物中也有克隆。本文对来自烟草的这3个重要基因进行综述。

图1 JA信号传导途径模式图[10]Fig. 1 Model of JA signaling pathway[10]

1 烟草COI1基因

1994年，Feys等[11]筛选获得了对植物毒素冠菌素（CORONATINE）不敏感的拟南芥突变体coi1（coronatine insensitivel），表现为雄性不育，易感病虫害，而且失去了对茉莉素的正常反应，该突变体对茉莉酸信号传导途径的研究具有里程碑式的意义。1998年Xie等采用图位克隆法分离出拟南芥COI1基因（CORONATINE INSENSITIVE 1）。COI1蛋白是茉莉素信号转导途径中的关键调控因子，该蛋白的缺失突变能够导致植物丧失所有重要的茉莉素反应[12-13]。COI1基因编码一个含有592个氨基酸的F-box蛋白，大小为66 kD，包含F-box和16个富含亮氨酸重复序列（leueine rich repeat，LRR）两个特征结构域[12,6]。COI1的两个特征结构域与调控茉莉酸转导途径的作用密切相关。F-box与Skpl、 Rbxl、Cdc53／Cullin相互结合，形成SCFCOI1复合体即E3泛素连接酶，最后被蛋白酶体降解[13-14]。

2007年，Paschold等[15]克隆了烟草的COI1基因，命名为ir-coi1，证明该基因对烟草天蛾幼虫的防御作用。2014年，Wang等[16]克隆了烟草COI1保守区片段NtCOI1，研究了烟草COI1在花粉育性及次生代谢方面的调控机理。研究结果表明，沉默COI1烟草表现出与拟南芥coi1突变体高度类似的不育表型，即花丝缩短一半、花药开裂延迟及花粉败育。同时，沉默COI1烟草还丧失了花冠花色素苷合成及花蜜腺的类胡萝卜素累积，并抑制了花冠的花色素苷合成基因及花蜜腺的类胡萝卜素合成基因的表达水平。因类胡萝卜素的合成与碳水化合物代谢密切相关，因此对花蜜腺的碳水化合物代谢进行了研究。试验结果发现，沉默COI1烟草花蜜腺的淀粉累积受到显著抑制，而且其淀粉代谢基因及与淀粉代谢相关的MYB305转录因子基因的表达水平都发生了改变。这些研究结果首次证明了茉莉素受体蛋白COI1对淀粉代谢的调控，深入揭示了碳水化合物代谢在茉莉素介导的次生代谢及花粉育性形成中的重要作用。

2 烟草JAZ基因

JAZ蛋白是SCFCOI1泛素连接酶复合体的一类直接底物，是茉莉素信号途径中的一类抑制蛋白，在茉莉素信号途径中发挥关键作用。JAZ蛋白为定位在细胞核中的锌指蛋白，含2个结构域，分别是N端TIFY基序的ZIM结构域和C端与COI1互作的Jas结构域[6-7]。根据序列的相似性，目前在拟南芥中鉴定获得了JAZ1-JAZ12共12个JAZ的蛋白[7,17-19]。

Oh等[20]报道，克隆了野生烟草中的12个 JAZ蛋白，通过反向遗传学方法对其功能进行了研究。研究结果表明，NaJAZd的表达受昆虫诱导，在其基因沉默后并未对烟草虫害抗性造成明显影响，但可导致花蕾脱落，从而影响烟草结实率。该研究结果揭示了JAZ蛋白在烟草花和果实发育中的调控作用，表明JAZ蛋白的功能多样性。2008年，Shoji

等[21]克隆了烟草的COI1基因和JAZ基因，功能研究表明沉默COI1基因或增强JAZ负调控因子蛋白水平后，烟草对茉莉素不敏感，其烟碱合成不再应答茉莉素诱导，表明COI1基因和JAZ基因对烟草次生代谢的重要调控作用。

3 烟草MYC基因

MYC2转录因子是从茉莉素不敏感突变体jai1/jin1分离到的茉莉素途径调控因子[22]，属于basic helix-loop-helix（bHLH）转录因子家族成员。前期对MYC2转录因子的大量研究证明，MYC2是植物茉莉素应答调控因子，在茉莉素途径调控植物病害和虫害防御应答中发挥着重要作用，并与乙烯信号传导途径的 ERF 转录因子（Ethylene-Response-Factor）拮抗性地调控下游虫害和病害防御基因的表达[22-25]。

2012年，Zhang等[26]克隆了烟草中MYC2a、b、c 3个同源基因。编码腐胺N-甲基转移酶的NtPMT1a是尼古丁合成的关键酶。NtMYC2a/b/c编码蛋白能特异结合NtPMT1a的启动子核心元件G-box并激活茉莉素诱导的NtPMT1a表达。黄色荧光蛋白（YFP）荧光双分子互补试验表明，在无JA的情况下，NtMYC2a和NtMYC2b在细胞核内与茉莉素途径负调控因子NtJAZ1互作。通过RNA干扰（RNAi）技术沉默NtMYC2基因后使JA诱导的NtPMT1a转录水平显著降低，并抑制了其他烟碱合成基因的表达水平，其中，与合成相关的NtA662的表达水平下降了80%多。另一方面，过表达NtMYC2a和NtMYC2b未能改变NtPMT1a在有或无JA条件的表达特性。这些数据表明，NtMYC2a/b/c是多个JA诱导烟碱合成基因的关键表达调控因子。

烟草是我国和世界范围内重要的经济作物，也是重要的用于基因功能研究的模式植物，在茉莉素途径调控植物生长发育相关研究方面具有独特优势。因此，对烟草茉莉素信号途径的调控机理进行深入研究，不仅对烟草的功能基因组学研究有重要意义，同时对其他植物的基因功能研究也有重要的借鉴意义。

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Jasmonate Signaling Pathway Genes in Tobacco (Nicotiana tabacum L.)

WANG Wenjing, CHEN Dexin, ZHANG Jie

(Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, China)

Jasmonate signaling pathway plays an important role in the regulation of plant development and stress response. At the presence of Jasmonate, its biological active derivative JA-Ile (jasmonoyl-isoleucine) is perceived by the receptor complex SCFCOI1, which leads to the degradation negative regulator JAZ protein via 26S proteasome and then releases the transcriptional activator MYC2 to activate the expression of downstream genes and to activate physiological responses. This article will summarize the research progresses on the genes of the key Jasmonate pathway regulators COI1, JAZ and MYC2 in tobacco.

tobacco; jasmonate signaling pathway; COI1; JAZ; MYC2

S572

1007-5119（2016）06-0101-04

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.06.018

中国农业科学院科技创新工程（ASTIP-TRIC04）

王文静（1975-），助理研究员，主要从事病原菌与植物互作机理的研究。E-mail：wangwenjing@caas.cn

2016-09-01

2016-12-12