BZR-ARF-PIF模块转录调控植物伸长生长的分子机制的研究进展

高梦影，王昕

（沈阳大学 生命科学与工程学院，辽宁沈阳 110044）

大多数植物一生的大部分时间都处于固着的生长状态，无法通过移动自身来趋利避害。在此限制条件下，植物进化出了高度的发育可塑性，即根据环境条件的变化来不断地改变自身的生长发育策略，植物体的各种趋性（趋光性、趋化性和趋水性等）就是一个很好的例子。为了实现这些趋性生长，植物就必须进行伸长生长。在植物众多的伸长生长中，下胚轴的伸长生长是一个很好的研究模型。三类转录因子耐芸苔素唑因子（BZRs）、生长素应答因子（ARFs）和光敏色素相互作用因子（PIFs）组成了BZR-ARF-PIF（BAP）模块，这一模块是下胚轴伸长生长的关键正向调控因子。在发现这三类转录因子相互依赖地促进下胚轴伸长之前，它们在不同的信号转导途径中被发现和研究[1-2]。本文首先分别介绍这三类转录因子如何在各自的信号转导通路中发挥功能，再介绍三者相互依赖地促进基因转录进而促进下胚轴伸长的分子机制，最后介绍DELLA蛋白调控这三类转录因子的分子机制。

1 BZRs转录因子

BZR1和油菜素内酯受体抑制因子（BES1）/BZR2是油菜素类固醇（Brassinosteroids，BRs）信号转导通路中的正向调控因子。BZR1和BES1既具有促进转录的功能，又具有抑制转录的功能：在调控应答BR的促进伸长的基因时，它们展现出促进转录的功能，而在调控BR生物合成基因时，它们发挥抑制转录的功能[1-2]。BR通过降低转录因子BZR1和BES1的磷酸化水平来激活BR信号转导通路[3]。葡萄糖合成激酶3（Glycogen Synthase Kinase 3，GSK3）对BZR1和BES1的磷酸化抑制了这两个转录因子与靶DNA的结合，并且促进了它们由细胞核到细胞质的转运和在细胞质中的滞留[4]。BZR1和BES1在细胞质中的滞留依赖于它们的磷酸化形式与14-3-3蛋白质的相互作用，GSK3介导的BZR1的磷酸化通过引起BZR1的降解进一步降低了这个转录因子的活性[4]。

2 ARFs转录因子

在拟南芥的23个ARF成员中，ARF5、ARF6、ARF7、ARF8和ARF19很可能主要负责应答生长素的转录激活[5]。这些负责转录激活的ARFs组成性地结合于其下游基因启动子区的生长素应答元件上，然而在缺乏生长素的条件下，吲哚-3-乙酸诱导（AUX/IAA）蛋白会与这些ARFs结合并抑制它们与下游基因启动子区的结合，从而导致生长素应答基因转录的减弱[6]。生长素受体转运抑制应答因子1（TIR1）/生长素信号转导F盒蛋白（AFB）与生长素结合后会将AUX/IAA蛋白招募到Skp1-Cullin-F-box（SCF）TIR1/AFB E3泛素连接酶复合体上，导致AUX/IAA蛋白的泛素化和降解，从而解除发挥转录激活功能的ARFs的受抑制状态，并开始促进生长素应答基因的转录[7]。在这些ARFs中，ARF6、ARF7和ARF8被证明在生长素应答的下胚轴伸长中发挥重要作用，而短下胚轴因子2（SHY2）、IAA7/生长素抑制因子2（AXR2）和IAA17/AXR3很可能是拮抗它们生长促进功能的关键 AUX/IAAs蛋白[2]。

3 PIFs转录因子

PIF家族转录因子是光形态建成（Photomorphogenesis）的重要抑制因子，光敏色素的远红光吸收构象（Pfr）与其发生直接的相互作用并发挥抑制功能[8]。PIF3是PIF家族第一个被发现的成员，后续研究发现PIF3和其他的PIFs更倾向与光敏色素的远红光吸收构象发生相互作用，该相互作用会依次引起大多数PIFs蛋白质的磷酸化、泛素化和降解[9]。在PIF家族中PIF7是一个例外，因为它在光照条件下是稳定的，并且光敏色素介导的PIF7磷酸化主要引起它在细胞质中的滞留，这种滞留依赖于PIF7与14-3-3蛋白质的相互作用[10]。遗传学的研究表明，PIF家族中的PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF7和PIF8 6个成员具有促进下胚轴伸长生长的作用[9]。

4 BZR-ARF-PIF模块

BZRs、ARFs和PIFs以相互依赖的方式共同调控下胚轴的伸长生长[1-2]。PIFs活性的下降和BR信号转导途径的打断都会使下胚轴对生长素的生长促进作用变得不敏感[2]。同样，在PIFs和ARFs活性下降的条件下，bzr1-1D对下胚轴伸长的促进作用被严重的削弱[1-2]。另外，PIF4过表达植物的长下胚轴表型在BR受体突变体bzr1的背景下几乎被完全消除[1]。

BZRs、ARFs和PIFs调控下胚轴伸长的这种相互依赖的方式与它们在靶基因转录上的协同作用密切相关[1-2]。BAP转录因子相互依赖地促进一些基因的转录，例如生长素上调的小RNA 15（SAUR15）、IAA19和多效唑抑制因子1（PRE1），这些基因都具有促进下胚轴伸长生长的作用[1-2]。染色质免疫共沉淀耦联高通量测序（ChIP-Seq）实验表明，BZR1同时与PIF4和ARF6结合于类光敏色素相互作用因子1（PIL1）启动子区的G-box基序中，ARF6对SAUR15启动子区的结合被bzr1-1D、PIF4-OE和外源施加的BR所促进[1-2]。综上所述，PIFs、BZRs和ARFs通过相互作用形成了一个复合体，这个复合体能够高效地诱导促进生长的基因的转录，进而促进下胚轴的伸长生长。

5 DELLA蛋白调控BZR-ARF-PIF模块的分子机制

DELLA蛋白是植物赤霉素（Gibberellins，GAs）信号转导通路中的负向调控因子，它包括5个成员，分别是赤霉素抑制因子（RGA）、赤霉酸抑制因子（GAI）、类赤霉素抑制因子1（RGL1）、类赤霉素抑制因子2（RGL2）和类赤霉素抑制因子3（RGL3）。其中，RGA和GAI主要负责抑制下胚轴的伸长生长[11]，这种抑制作用主要是通过与PIFs、BZRs和ARFs相互作用阻止它们与DNA的结合[11]。具体来说，RGA能够干扰ARF6和BZR1与SAUR15和IAA19启动子区的结合，还能够抑制ARF6与PIF4的相互作用[12]。另外，RGA和GAI都能够促进26S蛋白酶体介导的PIF3的降解[11]。总的来说，DELLA蛋白介导的对BAP转录因子的抑制可能会通过多种分子机制来实现。

GA信号转导途径通过促进DELLA蛋白的降解来解除BAP模块的抑制状态，结合了GA受体的GA矮化不敏感因子1（GID1）与DELLAs发生蛋白相互作用，进而促进了DELLAs的降解[13]。很多研究都表明GA诱导的DELLAs蛋白水平的下降都是通过对BAP模块活性的去抑制作用来促进生长的。一方面，BR水平下降或BR信号转导强度减弱的植物几乎都无法应答GA促进生长的作用，但黑暗中生长的PPZ（一种BR合成抑制剂）处理的幼苗下胚轴对GA的敏感性能够被bzr1-1D所恢复；另一方面，GA介导的对下胚轴的促进作用很可能同时需要BZR1和PIFs，因为PPZ处理的bzr1-1D下胚轴在低PIFs水平的条件下对GA几乎不敏感，不论这种低水平是光照造成的还是pifq四突变体造成的，而光照下PPZ处理幼苗的GA应答能力被bzr1-1D和PIF4-OE所恢复[12]。以上数据说明DELLAs通过抑制BAP模块转录激活能力来抑制下胚轴的伸长生长，而GA能够解除这种抑制作用。

6 结语

细胞伸长作为植物的主要生长过程涉及许多信号通路的转录调控，但目前尚不清楚这些通路是作用于参与伸长的独立细胞组分，还是由某个中央控制系统将多条信号通路处理成一个统一的细胞发育决策体系。BAP模块的发现展示了一个信号整合模型，解释了多条信号转导通路是如何被整合在一起的，在不断变化的环境中，植物会感受到多种环境线索并启动多条信号转导通路。根据目前的研究结果，这些信号将被某些分子模块整合为统一的细胞发育决策，从而为植物争取更好的生存环境。