庇荫反应信号转导通路研究进展

朱乐音，王昕

（沈阳大学 生命科学与工程学院，辽宁沈阳 110044）

庇荫反应是一个包括光信号系统和植物激素信号转导通路在内的级联反应系统，此领域目前的研究主要集中在模式植物拟南芥中。根据目前的研究，多种光受体通过影响光敏色素相互作用因子（PHYTOCHROME INTERACTING FACTORs，PIFs）的活性来调控庇荫反应[1]。作为诸多下游信号级联反应的主要开关，PIFs通过调控许多下游转录因子的表达来发挥功能，这些被调节的转录因子正向或反向调控许多生长发育过程，包括早花、伸长反应和分枝等[2]。本文根据近年来庇荫反应的研究进展，重点对拟南芥庇荫反应的关键调控因子进行了综述，以期阐明庇荫信号转导过程的分子机制。

1 光受体调控庇荫反应信号转导的分子机制

在植物中，目前主要有四大类光受体得到了鉴定。这些光受体包括吸收红光和远红光的光敏色素（Phytochromes，Phys）、吸收蓝光的隐花色素（Cryptochromes，Crys）、吸收蓝光的向光素（Phototropins，Phots）和吸收紫外光B（UV-B）的紫外光受体（UV-B RESISTANCE8，UVR-8）。

光敏色素具有两种光诱导的转换模式，即红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）。在拟南芥中发现了5个光敏色素基因（PHYA～PHYE）[3]。在调控庇荫反应的过程中，PHYB发挥着主要的作用。拟南芥中phyB突变体在正常和高红光-远红光比例的光照条件下都表现出组成型的庇荫反应，这说明PHYB是庇荫反应的负向调控因子[3]。PHYA的Pfr形式不稳定，而PHYB～PHYE的Pfr形式则较稳定。PHYB失活所诱导的庇荫反应被PHYA的拮抗作用所抑制，这一拮抗作用被低红光-远红光比例的光照条件强烈地诱导，从而避免了植物过度的伸长反应[2]。

在拟南芥中，隐花色素包括CRY1、CRY2和CRY3。在任何光照条件下，CRY1都能在细胞核和细胞质中被检测到，而CRY2则主要分布于细胞核中，并且在蓝光下被降解[4]。CRY1和CRY2不仅只在PIF4和PIF5的上游发挥功能，而且也与PIFs直接相互作用并调节其活性，从而在低蓝光条件下促进庇荫反应[4]。

2 PIF转录因子调控庇荫反应信号转导的分子机制

作为基本的螺旋-环-螺旋（basic Helix-Loop-Helix，b-HLH）家族成员，PIFs的基本功能是通过与光受体相互作用的方式来调节光信号转导，例如光形态建成和庇荫反应[2]。一些PIF蛋白，如PIF1和PIF3，能够与PHYB和PHYA发生相互作用；而另一些PIF蛋白，如PIF4、PIF5和PIF7，则更加倾向与PHYB发生相互作用。与PHYB发生相互作用后，PIF3、PIF4和PIF5被快速磷酸化，然后通过泛素降解途径被降解[2]。然而，与其他同类物不同的是，PIF7在光下不能被快速降解。

PIF4和PIF5是庇荫反应的阳性调节因子[2]。在庇荫条件下pif4和pif5单突变体以及pif4/pif5双突变体的下胚轴都要明显短于野生型[2]。PIF5的过表达植物即使不在庇荫条件下也依然具有庇荫反应的表型[3]。在对低红光-远红光比例光条件感知后，光敏色素会促进PIF4和PIF5的积累[2]。PIF1和PIF3也在庇荫反应中发挥功能，但与PIF4和PIF5相比要弱一些[5]。与PIF1、PIF3、PIF4和PIF5相比，PIF7在PHYB介导的庇荫反应中占主导作用，因为pif7突变体具有更加严重的庇荫反应缺陷表型[6]。然而pif7和pifq突变体依然具有残存的庇荫反应表型，这说明在庇荫反应中依然有着尚未被发现的通路或因子。

3 植物激素在庇荫反应中的功能

当植物生长在庇荫环境中，感受到低红光-远红光比例的PHYB会下调活性状态的PHYB（Pfr）的数量，导致PIFs转录因子在细胞核中的积累并促进庇荫反应下游基因的表达。低蓝光条件会降低CRY1的活性、增加PIF4和PIF5的积累量，在伴有低红光-远红光比例的条件下这一作用还会被进一步加强。PIFs是诸多信号的整合中枢，它能够激活很多靶基因，如生长素合成相关基因，进而控制庇荫反应[7]。在低比例的红光-远红光条件下处理1 h内，拟南芥地上部分吲哚-3-乙酸（Indole-3-Acetic Acid，IAA）的含量增加超过50%[8]。除了生长素，赤霉素（Gibberellins，GAs）和油菜素甾醇（Brassinosteroids，BRs）也在庇荫反应中发挥着重要的作用[9-10]。

3.1 生长素在庇荫反应中的功能

IAA作为生长素的主要自然形式，在调控植物生长发育的过程中发挥着许多功能，例如保持顶端优势、对光照和重力的应答、根和茎的形成、维管束的分化、胚胎发育和茎的伸长等。基因Shade Avoidance 3（SAV3）和植物拟南芥色氨酸氨基转移酶1（Tryptophan Aminotransferase of Arabidopsis 1，TAA1）是通过使用正向遗传学技术筛选而得到的庇荫反应应答缺陷突变体，SAV3和TAA1突变会导致下胚轴伸长对低红光-远红光比例光条件应答的减弱[8]。作为主要在子叶中表达的基因，TAA1编码一个催化色氨酸（Tryptophan，Trp）转化形成吲哚丙酮酸（Indole-3-Pyruvic，IPA）的关键酶[8]。在IAA生物合成过程中，由IPA到IAA的转化是一个限速步骤，这个步骤由YUCCAs（YUCs）基 因 催 化 完 成[8]。YUC2、YUC5、YUC8和 YUC9被PIF4、PIF5和PIF7直接激活，并且yuc2、yuc5、yuc8、yuc9存在对庇荫反应应答的缺陷[8]。

除了生长素合成和转运，生长素信号转导通路也在庇荫反应中发挥着重要作用。Transport Inhibitor Response 1（TIR1）突变体tir1对低红光-远红光比例的光照条件不敏感；在下胚轴中，PIF4能够诱导生长素早期应答基因IAA19和IAA29的转录，它们能够降低生长抑制基因IAA17的表达水平；3个生长素应答因子（ARF6、AFR7和ARF8）负责下胚轴伸长对低红光-远红光比例光照条件的应答[7]。进一步的证据表明，生长素在庇荫反应中的作用分为两个阶段：在庇荫反应发生最初的几个小时内，生长素含量发生明显提升[8]；但在接下来的时间里，PIFs的丰度、部分的生长素受体以及这些受体下游的转录调节因子就发生了促进伸长生长的变化，而生长素的含量则恢复到了庇荫反应发生前的水平[7]。

3.2 赤霉素在庇荫反应中的功能

GAs在调节多种生长发育过程中发挥着重要功能，例如种子萌发、细胞伸长、开花诱导和果实发育[9]。在低红光-远红光比例和低蓝光光照条件下，phyB突变体诱导的下胚轴伸长被赤霉素合成突变体强烈地抑制，且赤霉素合成抑制剂PAC能够抑制phyB突变体的长下胚轴表型[8]。GA20ox3是GAs生物合成过程中的关键因子，在低红光-远红光比例条件下，此基因的表达量显著上升[11]。所以，GAs在庇荫反应诱导的下胚轴伸长生长中发挥了重要的作用。

目前，PHYB影响GAs含量的确切证据尚不充足，可能与GAs的活性形式多样有一定关系。与野生型相比，phyB突变体中一些GAs活性形式的含量没有明显差别，而某些活性形式的含量又低到无法检测。虽然PHYB是否调节GAs生物合成目前尚不明确，但是phyB突变体对GAs的处理却是不敏感的，这说明PHYB可能并不影响GAs的生物合成。GAs与其受体结合后，被激活的受体诱导GAs信号转导通路中的生长抑制因子DELLA蛋白降解。在拟南芥中，DELLA蛋白包括5个成员：Repressor of GA（RGA）、Gibberellic Acid Insensitive（GAI）、RGA-LIKE 1（RGL1）、RGA-LIKE 2（RGL2）和RGA-LIKE 3（RGL3）。在低红光-远红光比例的条件下，GAI的转录水平被抑制，同时这种抑制又被PHYA所减弱[11]。而且，phyB突变体含有组成型低水平的RGA，低红光-远红光比例的光照条件会造成RGA积累量的快速下降[11]。低红光远红光比例条件下，gai/rga/rgl1/rgl2四突变体子叶叶柄长度与野生型相比没有明显差异，但是下胚轴却明显长于野生型，说明DELLA蛋白的降解对子叶叶柄的伸长是非必需的，但是在下胚轴伸长的调节中却发挥着重要的作用[9]。DELLA蛋白的积累严重削弱了PIFs转录因子与靶基因启动子的结合，从而抑制了PIFs对下胚轴伸长的调控[11]。

3.3 油菜素甾醇在庇荫反应中的功能

拟南芥中，幼苗经BRs合成突变体（dwarf和rot3）与合成抑制剂处理后没有庇荫诱导的下胚轴伸长现象，但BRs在低红光-远红光比例诱导的子叶叶柄伸长中发挥着重要作用，其受体Brassinosteroid Insensitive 1（BRI1）的表达量显著提升[10,12]。Brassinazole Resistant 1（BZR1）通过与PIF4相互作用来调节它们共有的靶基因，这些靶基因包括被光照抑制的生长素应答基因和细胞壁相关基因；DELLA-BZR1-PIF4模块通过激活生长素信号转导途径的基因和细胞伸长相关基因来拮抗光信号转导[12]。因此，这一分子模块也可能在庇荫反应中发挥类似的功能，但这一可能性还需要进一步的研究来证明。

4 结语

综上所述，在庇荫条件被多种光受体共同感知后，这些光受体对转录因子PIFs的抑制作用就被削弱了；PIFs具有激活多种植物激素的能力，而这些激素具有促进庇荫反应的功能。这一信号转导途径勾画出了一个比较完整的庇荫反应调控过程。

作为一个很好的模型系统，拟南芥可以用来揭示和剖析调节庇荫反应的机制，因为其中一些机制在进化过程中可能是保守的。但从其他植物种类的分析中也发现了一些重要的差异，因此需要在其他植物中获取更多的实验证据。在自然条件下，植物除了庇荫外还要经受其他的胁迫条件，如低R∶FR条件似乎主要抑制了植物对土壤中缺磷、干旱、病原体和有益微生物的适应性反应[13]；低R∶FR还可以增强抗冻能力，但随着全球气温升高，低R∶FR对某些环境压力的影响可能会变得更加严重[13-14]。阐明庇荫反应与其他胁迫（包括生物和非生物胁迫）之间的相互作用，有利于提高植物在高种植密度下的适应性和抗逆性。未来，除了进一步探索庇荫反应的调控网络外，还需要关注耐阴反应的机制。尽管耐阴物种的表型可塑性较低（例如在弱光下伸长不足），但在这些植物中某些特征（如优化光捕获的形态特征）的可塑性很高[15]。长须小豆蔻是拟南芥的近亲，有人认为长须小豆蔻缺乏遮阴诱导的下胚轴伸长反应是光敏色素a光受体阻剂活性增强造成的[16]。

在我国人均耕地面积严重低于世界人均耕地面积的情况下，人们通常希望通过密植来提高单位面积的粮食产量。但密植会引起庇荫反应并降低单株农作物的产量，从而威胁到单位面积产量。因此，通过研究庇荫反应的调控机制为培育耐阴农作物提供理论依据，对我国农业发展具有广泛的应用价值。