F-box蛋白参与植物逆境胁迫研究进展

许涛 夏冬健 万菁 姜书涵 宋江华

（安徽农业大学园艺学院，合肥 230036）

植物逆境胁迫包括非生物胁迫和生物胁迫，非生物胁迫包括干旱胁迫、盐胁迫、温度胁迫、重金属胁迫等；生物胁迫包括病原菌胁迫和昆虫胁迫等。逆境胁迫不仅严重影响植物的生长发育，还对农作物生产造成巨大损失。因此，植物抗逆性的加强对环境和农业的可持续发展十分重要。植物为应对这些逆境须具有快速感知并适应周围环境的能力，因此逐渐形成了多种复杂的调节机制来提高其抗逆能力［1-2］。大量研究表明，F-box蛋白家族成员广泛参与植物对逆境胁迫的响应［3］。由F-box蛋白、Skp1、Cullin及Rbx1形成的 SCF（Skp-cullin-f-box）蛋白复合物参与泛素介导的蛋白质降解途径，是最重要的生物调节体系之一。参与泛素-蛋白酶途径（ubiquitin-proteasome pathway，UPP）通过调节功能蛋白或调节因子的丰度，从而调控生物体对逆境胁迫的响应［4-5］。

1 F-box蛋白结构及作用途径

F-box蛋白的F-box基序位于N端，一般由40-50个氨基酸组成，与C端的其他基序相结合共同发挥作用［6-8］。许多F-box蛋白在C末端具有一个或多个变异度较大的蛋白质-蛋白质相互作用的结构域，该结构域通常是F-box蛋白亚家族分类的依据。例如，富含亮氨酸的重复序列（leucinte-rich repeat，LRR）、WD40重复序列、四倍体重复序列（tetraploid repeat，G-TPR）或Kelch重复序列，而这些结构域也赋予了F-box蛋白对底物泛素化的特异性［9-10］。在植物中，超过半数的F-box蛋白C末端为未知的保守结构域，除上述结构域外，蛋白质其他区域是非保守的［11］。

F-box蛋白序列差异性使得其功能更趋于多样化，其作用途径主要包括两种方式：形成 SCF 复合体和非 SCF 复合体。SCF蛋白复合体（泛素连接酶E3）是由Skp1、Cul1、Rbx1和F-box蛋白家族中的某个成员组成，在参与的蛋白质降解途径中，它们能使底物蛋白通过磷酸化的方式被蛋白酶体降解［12］。被降解的逆境相关蛋白为正调节蛋白或负调节蛋白。在正常条件下，SCF复合体降解抗逆反应中的正调节蛋白，而负调节蛋白处于活性状态，抗逆反应关闭。在逆境条件下，SCF复合体降解抗逆反应中的负调节蛋白，解除抗逆反应的抑制，启动抗逆反应；或使原本参与降解正调节蛋白的F-box蛋白不再表达，正调节蛋白不被降解，从而激发抗逆反应［13］。然而，也有少数功能未知的F-box蛋白是通过非SCF复合体方式发挥作用，目前对这类蛋白研究较少［14］。两种蛋白复合体差异一般在于，非SCF型F-box蛋白N端F-box结构域无法与Cul1、Rbx1形成SCF复合物。但其可依赖F-box基序与Skp1结合形成复合体，或独自行使功能［15］。这种作用模式在动物中有较多发现，而在植物中鲜有报道［16］。

2 F-box蛋白参与植物非生物胁迫

2.1 F-box蛋白与植物干旱胁迫

干旱胁迫下，植物各组织间水分分配受阻，生物膜受到损伤，进而导致光合作用减弱，渗透势下降，影响植物正常生长。在干旱胁迫反应中，多数F-box蛋白通过影响植物激素脱落酸（abscisic acid，ABA）信号转导来调控植物对干旱胁迫的响应。FOF2和FOL1在ABA介导的种子萌发和幼苗早期发育及干旱胁迫响应中发挥了重要作用［17］。屈丽娜［18］构建了拟南芥（Arabidopsis thaliana）双突变体fof2fol1，在ABA不敏感突变体abi2-1中，ABA含量低于野生型，干旱或ABA对FOF2基因表达的诱导作用消失。而在过表达植株中，多个响应干旱和ABA相关基因：AT2G40170、AT247770、AT1G32560和 AT2G30580在转录水平表达量升高，表明FOF2通过ABA信号通路正向调节植物的耐旱性。安洁［19］研究表明，小麦（Triticum aestivum）F-box基因TaFBA1在ABA调控的气孔关闭中是负调控因子，通过酵母双杂实验获得了两个与TaFBA1互作的蛋白，ABA的受体RCAR1和转录因子ABI5，其中TaFBA1与RCAR1的互作位置可能在细胞膜上。过表达TaFBA1使转基因烟草（Nicotiana tabacum）植株气孔开度增大，光合效率提高，与野生型相比耐旱性增强。

有些F-box蛋白在植物干旱胁迫中起负调控作用。大豆（Glycine max）F-box蛋白GmFBX176负调控ABA对干旱胁迫的响应，过表达GmFBX176基因的拟南芥植株成活率较低，且与野生型相比，失水率较高，脯氨酸、蔗糖和叶绿素含量降低，对干旱胁迫更敏感［20］。AtDIF1主要分布于细胞核内，AtDIF1过表达会促进拟南芥的幼苗生长，降低Na+含量和K+损失，增强植物对盐胁迫的耐受性。干旱或ABA会诱导拟南芥AtDIF1的表达，过表达AtDIF1基因的植株对干旱胁迫的耐受性降低，而dif1突变体对干旱胁迫的耐受性更高，说明该基因在干旱胁迫中起负调控作用［21］。Chunthong等［22］在3个耐旱和2个干旱敏感的不育水稻（Oryza sativa）的品种中，筛选出了OsO2g51350基因，该基因在3个耐旱品种中均含有F-box结构域，而在2个干旱敏感型品种中则不存在，具有该结构域的水稻品种在干旱胁迫下的产量高于不含该结构域的水稻品种。因而OsO2g51350的F-box结构域对于干旱条件下维持作物产量起着非常重要的作用。拟南芥（Arabidopsis thaliana）中SAGL1基因介导了生物合成酶CER3的降解，负调控表皮蜡质的生物合成。因此，SAGL1的抑制表达导致植株生长迟缓，增加茎、叶和根的蜡质积累，从而增强植株的抗旱性［23］。

2.2 F-box蛋白与植物盐胁迫

随着设施农业的发展，土壤盐渍化问题愈加严重，抑制了农业的生产。因此，盐胁迫逐步成为影响农业生产最重要的环境胁迫因子之一。杨传平等［24］研究了NaHCO3胁迫下紫杆怪柳（Tamarix androssowii）中F-box基因的表达情况，发现两个F-box基因响应NaHCO3胁迫。叶武威等［25］在棉花（Gossypium spp）以及Luo等［26］在花生（Arachis hypogaea）中也相继发现了与盐胁迫相关的F-box蛋白。有研究表明干旱和盐胁迫具有协同性，一些响应干旱胁迫的F-box蛋白也同时响应盐胁迫，但调节方式会有所不同［14］。F-box蛋白TaFBA1通过ABA途径提高转基因烟草的耐旱性［18］。在盐胁迫下，过表达TaFBA1基因烟草植株与野生型相比在根和叶中具有更低的Na+含量和更高的K+含量，质膜上的H+-ATPase和液泡膜中V-ATPase、PPase的活性也更高。由此推测TaFBA1的过表达提高了转基因植株的盐胁迫耐受性［27］。拟南芥F-box蛋白AtPP2-B11与AtLEA14为互作蛋白，干旱条件下，AtPP2-B11过表达植株的AtLEA14转录水平下降。AtPP2-B11为干旱胁迫负调节因子［28］，而在拟南芥盐胁迫中为正调节因子［29-30］。F-box蛋白FOF2正调控植物耐旱，而在盐处理下，FOF2基因过表达植株与野生型相比对盐胁迫更敏感，fof2突变体对盐胁迫的敏感性有明显的下降。盐胁迫反应相关基因SOS1、SOS2和SOS3均受盐胁迫诱导，但在过表达植株中的表达水平低于野生型，fof2突变体中的表达水平则高于野生型。结果表明，FOF2在植物抗盐胁迫响应中起负调控作用［31］。

2.3 F-box蛋白与植物温度胁迫

温度是制约植物生长的一种非生物因素，热害、冷害和冻害都会影响植物正常生长发育。目前，关于F-box蛋白家族成员参与植物温度胁迫反应方面的研究仍然较少。Liu等［32］发现辣椒（Capsicum annuum）中的两个F-box基因为sy-2候选基因，可能导致了辣椒的温度敏感表型。拟南芥F-box蛋白CPR1与UBC13相互作用以响应低温胁迫［33］。在温度胁迫中，不同的F-box基因表达模式不尽相同，这可能与F-box基因在植物中不同的作用机制有关。TaFBA1的过表达增强了转基因烟草的热胁迫耐受性，与野生型相比，转基因烟草的生长抑制作用降低且光合作用增强。此外，TaFBA1的过表达上调了非生物胁迫反应基因：NtHSP101，NtHSP90，NtHSP82等的表达，并广泛参与活性氧（reactive oxygen species，ROS）清除和脯氨酸的生物合成［34］。microRNAs可通过抑制其靶基因的表达参与许多与植物抗逆性相关的分子机制和信号转导途径［35］，近年来研究发现一些F-box基因充当了microRNAs的靶基因这一角色。Tang等［36］研究发现，OsmiR528通过靶向F-box基因Os06g06050来调控应激反应相关转录因子OsMYB30的表达以提高水稻的耐低温性。

2.4 F-box蛋白与植物重金属胁迫

重金属如铬（Cr）、镉（Cd）和铝（Al）等对植物生长有害且影响正常生命活动。在重金属胁迫下，植物体一般通过在细胞内或细胞间形成螯合肽和金属硫蛋白，从敏感部位清除金属离子［37］。在Cr处理的油菜（Brassica napus）籽长成的植株根系中，生长素信号 F-box3 蛋白高度表达［38］。Chen 等［39］从辣椒“P70”品种中克隆得到一个F-box基因CaF-box，进一步研究发现，CaF-box的表达在重金属胁迫和渗透胁迫中均受到了抑制，推测它可能在重金属应激反应中起负调控作用。Fang等［40］对耐Cd和Cd敏感的水稻品系进行磷酸化分析发现，F-box蛋白在水稻对Cd胁迫响应和抗性的磷酸化途径中具有重要作用。拟南芥通过AtALMT1转运蛋白分泌苹果酸，以螯合Al并使Al解毒。C2H2型转录因子STOP1通过诱导包括AtALMT1在内的一系列基因的表达，在降低Al毒性积累中起着至关重要的作用［41］。Zhang等［42］在拟南芥中分离鉴定了一个F-box蛋白RAE1，STOP1可以结合RAE1启动子并上调其表达，STOP1和RAE1之间存在反馈调节机制，并通过泛素-26S蛋白酶体途径促进STOP1的泛素化和降解，从而调控植物对Al胁迫的抗性。

3 F-box蛋白与植物生物胁迫

大量研究表明随着全球温室效应不断积累，高浓度CO2和UV-B辐射增强使病原菌繁殖力不断提高，可能加速病原菌种群的进化，使其致病性和抗宿主免疫能力得到增强；冬季气温升高将降低害虫越冬死亡率，春季气温升高将使越冬害虫提前活动［43］。因此，提高农作物的抗生物胁迫性就显得尤为重要。

Paquis等［44］利用差减杂交技术在葡萄（Vitis vinifera）中克隆得到了F-box基因BIG-24.1，发现BIG-24.1是一种调控葡萄防御灰霉菌的F-box基因，当葡萄受到灰霉菌（Botrytis cinerea）感染时，BIG-24.1 表达量显著上升。当拟南芥受到丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae）感染时，At2g02360（F-box-Nicta）基因的表达增强；超表达F-box-Nicta 的拟南芥能够抑制 PstDC3000定植，减少叶片损伤［45］。水稻中的 F-box 基因 OsDRF1 能够上调防御相关基因（PR1a、Sar8.2b）的表达来增强植株的抗病性，超表达 OsDRF1 的转基因烟草对番茄花叶病毒（Tomato mosaic virus）和丁香假单胞菌的抗性增强，在接种番茄花叶病毒4 d 后和接种丁香假单胞菌7 d 后，转基因植株的病害程度明显弱于野生型［46］。F-box 蛋白MAX2是一种多功能蛋白，在植物各种应激和信号转导过程中发挥重要作用［47-49］。气孔闭合功能是植物抵抗细菌先天免疫反应中一个重要的组成部分，当病原体细菌接触植物叶片时，植物能够通过关闭气孔来进行防御［50］。研究显示，拟南芥 F-box 蛋白MAX2 能够通过诱发气孔关闭提高植物对细菌的抗性，而max2 突变体植株的气孔导度增强，气孔闭合受损，导致病原菌易于侵染［51］。

在植物防御昆虫胁迫的系统中，脂质衍生的茉莉酮酸植物激素起着至关重要的作用。植物感知昆虫侵袭，在局部和系统上会引起茉莉酮酸的快速合成，合成过程被F-box蛋白COI1所感知，从而进一步招募JAZ阻遏蛋白并进行泛素化降解，释放出转录因子，随后激活植物防御昆虫侵袭的能力［52］。Balachiranjeevi等［53］在水稻中筛选了 71个与褐飞虱（Nilaparvata lugens）抗性相关的基因，其中Os01g37260是具有LRR结构域的F-box蛋白，该蛋白质可以提高水稻对生物胁迫的抗性（表1）。

表1 参与植物逆境胁迫的F-box蛋白Table 1 F-box proteins involved in plant stress

4 结语和展望

F-box蛋白家族成员众多，在不同植物中的数量和种类不尽相同，大多数F-box蛋白主要是以SCF复合体形式参与泛素-蛋白酶体途径发挥调节作用。近年来随着研究的深入，该蛋白家族的功能被逐步鉴定出来。

然而，关于F-box蛋白在植物响应逆境中发挥的作用仍存在一些问题需要深入研究。（1）目前关于 F-box蛋白在逆境响应过程中的功能研究多集中于模式植物，如拟南芥、水稻等，在其他重要作物中的报道有限。（2）尽管发现了很多逆境相关F-box基因，但关于 F-box 蛋白的作用机制尚不明确，如参与植物抗病反应的 OsDRF1、ACIF1 和 SON1 的作用底物还未知，其靶基因及互作蛋白也不明确［55］。（3）有些F-box蛋白只对一种逆境产生响应，还有些可对多个逆境产生响应。如FBS1可调控茉莉酸（JA）和ABA信号响应基因，这些基因在植物对抗干旱、低温等逆境胁迫中发挥重要作用［54］。目前，关于不同逆境交叉互作相关F-box蛋白的研究还比较少，今后可以利用蛋白质互作等技术进一步研究F-box蛋白在逆境胁迫中的交互作用。对F-box蛋白响应植物逆境的机制进行深入地研究，不仅可以筛选作物新的抗逆分子标记，而且对于培育作物抗逆新品种和促进作物增产增收等方面具有重要意义。