茉莉酸调节植物表皮毛发育的分子机理研究进展

赵青平,周 索

(南阳师范学院 生命科学与农业工程学院；河南省艾草开发利用工程技术研究中心，河南 南阳 473061)

1 植物表皮毛的概述

1.1 植物表皮毛的主要生物学功能

植物表皮毛是表皮细胞经过长期的适应性进化而形成的毛状附属物.形态观察发现，表皮毛种类繁多，不同类型表皮毛的构造、颜色、分布范围和疏密程度都有着较大的差异.根据不同的分类标准，表皮毛分为不同的类型，按表皮毛是否可以分泌次级代谢物分为腺毛或非腺毛.腺毛能够合成、储存和分泌多种次级代谢物，如多糖[1]、蛋白质[2]、生物碱[3]、苯丙烷类[4]和萜类[5-6]等化合物.人们对这些化合物进行加工提炼，制成我们日常用到的药物、香料、树脂、精油、杀虫剂和食品添加剂等.因此，能够合成这些物质的腺毛就具有了巨大的经济价值.非腺毛型表皮毛一样具有重要的商业价值，如棉花(Gossypiumspp.)胚珠外珠被表皮毛是纺织工业天然原料棉纤维的主要来源[7].作为直接与环境接触的最外层组织，表皮毛对自身有重要的保护作用，多而密的表皮毛像一层厚厚的毡绒，增加了植物表皮层的厚度，减少了干旱[8]、冷冻[9-10]、紫外线辐射[11]、盐胁迫[12-13]等逆境带来的损害.腺毛通过分泌尼古丁、生物碱和萜类等物质来抵抗昆虫与食草性动物的侵食[14].植物茎、叶或花上的表皮毛通过分泌生物碱、驱逐剂或有毒物质来防御食草性动物的捕食和生物侵害从而减少农药的使用起到生物防治和保护环境的作用[15-17].叶表皮毛特征属于植物的微性状特征，其形状、长短和密度在不同植物之间的区别显而易见，这些区别在植物学分类研究中被广泛使用[18].表皮毛因其形态特征明显有别于周围的表皮细胞而易于观察，且单细胞表皮毛发育过程较为简单.因此，表皮毛已成为细胞分化水平研究植物细胞命运的理想模型[14, 19].

1.2 植物表皮毛发育的分子机制

近年来，随着分子生物学与细胞生物学技术的不断进步与发展，人们对植物表皮毛发育调控机制的研究不断深入.研究结果表明，表皮毛的发育起始于植物器官发生之初，其发育过程受到外界环境因子与植物体内源信号物质的共同调节，是一个高度协同的过程[14].拟南芥的表皮毛为单细胞非腺毛型表皮毛，结构较为简单，因此，很多表皮毛发育的分子机制研究是在拟南芥中进行的.拟南芥中的研究结果表明，表皮毛的发育由WD/bHLH/MYB形成的三聚复合物MBW调节，该复合体结合到同源域蛋白GLABROUS2(GL2)的启动子上，激活GL2表达，促使靶细胞分化形成表皮毛[20- 21].MBW复合体调节拟南芥表皮毛发育的机制可以用激活-抑制和激活(底物)-消耗两种模型来解释[22].激活-抑制模型认为表皮毛发育是激活因子GL1/MYB23-GL3/EGL3-TTG1(MBW复合物的一种)通过促进表皮毛发育负调节因子TRIPTYCHON (TRY)和CAPRICE (CPC)向非表皮毛细胞的移动实现的.TRY和CPC在非表皮毛细胞中含量的增加反过来抑制了这些细胞中MWB复合体的产生，因此，表皮毛细胞和非表皮毛细胞由于MWB复合体含量产生明显差异而向不同的方向进行分化[23-24].激活(底物)-消耗模型认为，表皮毛细胞和非表皮毛细胞中MWB复合体含量产生明显差异是由于TRANSPARENT TESTA GLABRA1 (TTG1)向GLABRA3(GL3)含量高的幼嫩组织细胞移动并积累，促进GL1/MYB23-GL3/EGL3-TTG1复合体形成，使这些细胞具有发育成表皮毛的能力，而临近的非表皮毛细胞由于缺少MWB复合物失去形成表皮毛的能力[24].

作为植物生理反应的活性调节物质，植物激素如赤霉素(gibberellin, GA)[25]、细胞分裂素(cytokinin, CK)[26]、水杨酸(salicylic acid, SA)[27]、乙烯(ethylene)[28]和茉莉酸(jasmonate acid, JA)[29]等，在植物表皮毛的起始与发生、表皮毛数量以及分支方面发挥重要调节作用.其中JA不仅在非腺毛型表皮毛的发育中具有重要作用，而且参与腺毛型表皮毛发育的调控，本文就JA调节表皮毛发育机制的研究进行较为详细的综述.

2 JA调节植物表皮毛发育的分子机制

2.1 JA的合成

茉莉酸(jasmonic acid , JA)是一种脂质衍生的信号分子激素，不仅在种子萌发、根的伸长、表皮毛发育以及叶片衰老等植物生长发育方面具有重要的调节作用[30]，而且能够特异性地响应温度、光照、干旱等环境信号刺激以及昆虫、病原体的侵袭引发的植物免疫性反应[31].JA的合成在单子叶和双子叶植物中都得到了广泛的研究，拟南芥中的研究最为清楚.目前的研究结果表明，拟南芥中至少有2条JA合成途径，一条是从α-亚麻酸(18∶3)开始的正十八烷途径，另一条是从棕榈酸(16∶3)开始的十六烷途径[32-34].这两条途径的合成过程非常相似，第一阶段的反应都在叶绿体中进行，不饱和的脂肪酸18∶3和16∶3分别被转化为12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoic acid, 12-OPDA)和脱氧甲基植物二烯酸(deoxymethylated vegetable dienic acid, dn-OPDA).第二阶段的反应都发生在过氧化物酶体中，12-OPDA和dn-OPDA经过复杂的β-氧化转化为茉莉酸.最后，两条途径合成的茉莉酸都被转入细胞质基质，在细胞质基质中被加工为不同形式的茉莉酸，如茉莉酸甲酯(methyl jasmonate , MeJA)、茉莉酸-异亮氨酸(JA-isoleucine, JA-Ile)和12-羟基-茉莉酸(12-hydroxyjasmonic acid , 12-OH-JA)[35].这些不同形式的茉莉酸中，JA-Ile是植物中茉莉酸的主要活性形式[36].

2.2 JA的信号转导途径

JA信号转导途径的研究发现，CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1)[37]，JASMONATE ZIM DOMAIN (JAZ)[38-39]和 MYC类转录因子[40]是JA信号通路的关键组分.COI1是SKP1/CULLIN/F-Box (SCF)COI1E3泛素连接酶复合物中的F-Box蛋白，在JA信号响应过程中，作为JA受体发挥作用[41].JAZ蛋白是JA途径负调节因子，含有2个保守的蛋白-蛋白互作结构域ZIM和Jas，其中Jas结构域主要介导JAZ蛋白与COI1或其他转录因子的相互作用，ZIM结构域主要介导JAZ蛋白的二聚化[38].MYC类转录因子是植物生长过程中的负调节因子，通过抑制细胞周期相关基因的表达抑制植物的生长，MYC2是JA信号途径中重要的分子开关[40, 42-43].JAZ蛋白与MEDIATOR25 (MED25)竞争性地结合转录因子MYCs[44].一般情况下，植物体具有生物活性的JA-Ile含量保持在较低水平，当受到外界因素刺激后，JA-Ile含量迅速增加，增加的胞质JA-Ile可以被JA 受体COI1识别并激活JA信号途径.活化的COI1与JAZs蛋白结合后，导致泛素化修饰的JAZs蛋白经26S酶体介导的途径被降解.阻遏蛋白JAZs降解后，JA信号途径下游转录因子，如MYC类转录因子被释放，促进JA应答基因的表达，完成植物体内JA信号的转导过程[35, 45-46].当植物体内JA浓度较低时，JAZs蛋白不会被降解，此时，JAZ蛋白与转录因子MYC2结合，抑制MYC2的转录活性，阻碍JA响应基因的表达，进而抑制植物对JA信号的响应.

2.3 JA调节非腺毛型表皮毛发育的机制

JA调节非腺毛型表皮毛发育的起始主要通过降解JAZ蛋白实现(图1).JAZ蛋白与bHLH类型转录因子GL3、EGL3，R2R3 MYB类型转录因子MYB75的相互作用，抑制了MWB复合物的形成，进而阻碍JA诱导的表皮毛发育的起始[47].MWB复合物介导的表皮毛发育过程也依赖于COI1，在coi1突变体中超表达MYB75、GL3或EGL3可以回补该突变体表皮毛减少的表型[47].因此，JA调节表皮毛发育起始可能与SCFCOI1-26S蛋白酶体途径降解JAZ蛋白有关，JAZ蛋白降解后，解除了该蛋白与MYB75、GL3或EGL3因子之间的相互作用，恢复MWB复合体的转录活性，保证表皮毛发育的正常进行.

作为调节植物生长发育的重要因素，JA不仅参与表皮毛起始的调控，而且在表皮毛细胞的伸长以及表皮毛密度调控方面发挥重要作用[47-48].JA 处理能增加拟南芥表皮毛的数量和密度[49-50].棉花纤维也属于非腺毛型单细胞表皮毛，其发育起始机制类似于拟南芥表皮毛[51].将棉花中的GhJAZ3基因或缺失C端58个氨基酸的GhJAZ3ΔCX基因转入拟南芥后，转基因拟南芥叶片上表皮毛的数量减少，表皮毛起始相关基因(GL2和MYB23)的表达量下降，但是表皮毛长度明显增加，细胞伸长相关基因EXP8、EXPL2和XTH4的表达量上升[52].这些研究结果表明，JA通过不同的信号途径调节非腺毛型表皮毛的形成以及表皮毛长度和密度的增加，但是具体的调节机制有待进一步研究.

2.4 JA调节腺毛型表皮毛发育的机制

腺毛型表皮毛被认为是生产多种次级代谢物的生物工厂[6, 53]，增加腺毛型表皮毛的密度是提高有用次级代谢产物含量的有效途径，但是腺毛型表皮毛发育机制的研究非常匮乏.目前JA调节腺毛型表皮毛发育机制的研究主要集中在青蒿和番茄中.青蒿因为能够产生抗疟疾的青蒿素而引起人们的广泛关注，青蒿表皮毛由腺毛和T型的非腺毛组成[54-57].青蒿腺毛发育机制的研究发现，一个含有亮氨酸拉链同源结构域(HD-ZIP)Ⅳ的转录因子AaHD1在腺毛发育起始过程中发挥重要作用[58](图1).外源JA处理诱导AaHD1的表达，AaHD1部分敲除突变体中JA诱导的腺毛发育过程受抑制，暗示AaHD1通过JA信号途径调节腺毛发育.JA途径的抑制因子AaJAZ8与AaHD1结合后，抑制了AaHD1的转录激活活性，当JA存在时，活性的JA-lle介导JAZs蛋白的泛素化及随后的26S酶体途径的降解，被释放的AaHD1激活下游靶基因的表达，而这些靶基因主要是在JA诱导的腺毛和非腺毛型表皮毛发育并释放AaHD1蛋白过程中发挥重要作用的基因[58].

番茄叶表面产生7种表皮毛，分别被命名为Ⅰ～Ⅶ，其中Ⅰ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ属于腺毛，Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ属于非腺毛.Ⅰ和Ⅳ型腺毛属于头状腺毛，具有一个单细胞的小型头部，Ⅵ型腺毛头部含4个细胞，Ⅶ型腺毛头部含8个细胞[59].JA调节番茄腺毛发育机制的研究主要集中在Ⅵ型腺毛中.JA调节Ⅵ型腺毛发育与基因Woolly(Wo)和SIMYC1有关(图1).与青蒿中的AaHD1基因相似，Wo基因编码HD-ZIP Ⅳ型转录因子[59]，转录因子Wo与萜类合酶基因TPS启动子结合后可以招募转录因子SIMYC1，两种转录因子(Wo与SIMYC1)的结合可以有效激活JA介导的Ⅵ型腺毛的形成，但是Wo/SIMYC1复合物的形成受到JA途径负调节因子SlJAZ2的竞争性抑制[59].当番茄体内缺少JA时，SlJAZ2阻碍Wo/SIMYC1复合体的形成，抑制Ⅵ型腺毛发育，JA含量增加后，SlJAZ2通过泛素化途径被降解，复合体Wo/SIMYC1形成并促进JA诱导的Ⅵ型腺毛的发育[59].SIMYC1的表达不仅可以影响番茄中Ⅵ腺毛的数量，而且在腺毛细胞分化以及体积增加过程中也发挥重要作用[59-60].Wo不仅调节Ⅵ型腺毛的发育，也参与Ⅰ和Ⅶ型腺毛发育的调节[61-63].但是SIMYC1和Wo在腺毛其他方面或者其他类型腺毛发育中的作用是否受JA的调节有待进一步的研究.

JA调节的腺毛发育也与JAZ蛋白的降解密切相关，暗示JAZ蛋白是JA调节表皮毛发育的关键因子，在腺毛和非腺毛型表皮毛发育的联系中具有重要的桥梁作用.

3 展望

腺毛是植物体的“生物工厂”，能够合成并分泌对人类具有重要经济价值的代谢产物，如在抗癌衰老方面有着重要作用的苯丙烷类化合物[64]，能够治疗疟疾的青蒿素化合物[5].但是目前对表皮毛发育机制的研究主要集中在以拟南芥表皮毛为代表的非腺毛型表皮毛中，腺毛发育的分子机理研究相对较少，发育调控模式尚未形成[57, 65].植物激素调控表皮毛发育机制的研究中发现，JA在腺毛的发育过程中起重要作用[27, 66-67]，如MeJA形式的JA外源处理促进腺毛型表皮毛的密度增加的同时也提高了腺毛中次级代谢产物的含量[68-70].通过基因重组技术在青蒿中过表达 JA途径重要调节因子AaHD8 可以显著提高青蒿素的产量，而且AaHD8的过量表达对植物的生长和适应性没有不利影响[58, 71].除了典型的非腺毛型表皮毛和腺毛以外，植物中还存在一些特殊形态的表皮毛，如黄瓜的果刺、玫瑰的皮刺[72]，这些表皮毛对植物的外观性状有重要影响，外源JA 是否参与这些植物表皮毛发育的调节目前还不清楚.因此，进一步研究JA对表皮毛发育的影响不仅为植物表皮毛发育机制的揭示提供基础与理论依据，也为提高植物表皮毛经济效益以及优良表皮毛性状种质资源的培育提供指导和支撑.

图1 JA调控表皮毛发育的模式图

JA对表皮毛的发育调节主要依赖关键负调节因子JAZ蛋白.在非腺毛型表皮毛的发育过程中，JAZ蛋白与WD/BHLH/MYB复合体(或称MWB)中的bHLH型转录因子或MYB类型转录因子相互作用，阻碍了MWB复合体的形成以及与下游HD-ZIPⅣ型转录因子GL2的结合，进而抑制表皮毛的发育.在腺毛型表皮毛的发育过程中，JAZ蛋白直接与HD-ZIPⅣ型转录因子HD1或Wo结合，通过抑制HD1的转录激活活性以及Wo与MYC的直接结合，抑制腺毛型表皮毛的发育.当植物体内活性的JA-Ile含量增加时，JA受体COI1被激活，介导JAZ蛋白的泛素化以及26S酶体途径的降解，JAZ蛋白被降解后，下游被抑制的转录因子活化，激活JA介导的腺毛和非腺毛型表皮毛的发育.