光敏色素互作因子参与生长素调控的植物生长发育

钱静洁 林苏梦 张冬平 高勇

（扬州大学生物科学与技术学院，扬州225009）

光是植物生长发育过程中关键的环境因素，一方面为植物提供能量；另一方面作为一种信号，被植物感知并进行信号传递。为了能够更好地感知光信号，植物进化出了感知光的受体蛋白——光受体（photoreceptor）［1］。 光 敏 色 素（phytochromes，PHYS）是红光和远红光受体，在红光条件下，从非活性形式（Pr）转化为活性形式（Pfr），进入细胞核并调控下游基因转录，在远红光条件下，可缓慢从Pfr转化为Pr，在细胞质中积累。光敏色素互作因子（phytochrome-interacting factor，PIF）属于转录因子碱性螺旋-环-螺旋（basic helix-loop-helix，bHLH）家族中第15亚家族，是光敏色素下游的转录因子，能在细胞核内与活性形式的光敏色素相互作用并被降解［2-3］。

PIFs作为胞内信号的“枢纽”［4］，参与环境信号和植物激素信号传导，调控种子萌发、下胚轴伸长、光/暗形态建成和避荫反应等过程［5］。生长素是一种植物激素，参与植物生长发育的多个阶段，促进茎伸长、叶片伸展，以及高温条件下生长所需的细胞伸长，并抑制侧芽的生长，促进侧根的形成。研究发现PIFs能够参与生长素的合成、运输以及信号通路调控植物生长发育。

1 光敏色素互作因子调控生长素合成

吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）是一种天然的生长素，由色氨酸（Trp）依赖途径和色氨酸非依赖途径共同合成［6-8］。吲哚-3-丙酮酸（indole-3-pyruvic acid，IPyA）途径是色氨酸依赖途径中的主要生长素合成路径。在IPyA途径中，Trp首先被色氨酸转氨酶家族基因（tryptophan aminotransferase of Arabidopsis，TAA）催化为IPyA［9-10］，然后通过限速酶 YUCCA（YUC）将 IPyA 催化为 IAA［11-12］。PIFs主要通过调控IPyA途径影响生长素的合成。研究发现，当红光/远红光比值较低和高温时，PIF4积累，促进TAA1表达，将Trp催化形成IPyA，提高IPyA的含量，从而促进生长素的合成。PIF4、PIF5和PIF7也会直接调控YUC8、YUC9等基因的表达，将IPyA催化为IAA，促进生长素合成（图1-A）［13-15］。最新研究发现，除了YUC对IPyA进行调控外，一种尿苷二磷酸-糖基转移酶（uridine diphosphateglycosyltransferases，UDP-GTs）UGT76F1 也会对 IPyA产生影响，促进IPyA糖基化形成IPyA-葡萄糖结合物IPyA-Glc，拮抗YUC催化IPyA形成IAA来控制内源生长素水平，参与生长素动态平衡的调节。研究发现UGT76F1的转录受到光信号的调控，在pif4突变体中，UGT76F1表达量上调。进一步研究发现，PIF4直接与UGT76F1启动子结合负调控UGT76F1转录，影响生长素的合成（图1-A）［16-17］。在高温条件下，PIF4也会调控色氨酸依赖途径中的另一条生长素合成途径——色胺（tryptamine，TAM）途径。PIF4促进色胺途径中的催化酶基因CYP79B2表达，将色氨酸催化形成吲哚-3-乙醛肟（indole-3-acetaldoxime，IAOx），促进生长素的合成（图1-A）［13］。研究发现低比例红光/远红光和高温使PIFs积累，促进生长素合成，导致植物下胚轴伸长，与之相反，紫外光能通过降低PIFs的蛋白含量，抑制生长素的合成，使植株下胚轴伸长减弱。在紫外线B（UVB）辐射下，UV-8抑制PIFs表达，拮抗在低比例红光/远红光下导致的下胚轴伸长。紫外光受体UVR8（UV resistance locus 8）会被UV-8激活，与组成型光形态建成蛋白1（constitutive photomorphogenic 1，COP1）相互作用，上调光形态建成正调控因子HY5（LONG HYPOCOTYL 5）及其同源物HYH（HY5 HOMOLOG）的转录，抑制赤霉素（gibberellins，GAs）的合成，导致DELLA蛋白的浓度升高，进一步抑制PIF4和PIF5的表达，从而抑制生长素的合成。同时，UVR8也会直接与PIF4和PIF5结合，抑制生长素的合成，下胚轴伸长减弱（图1-B）［18-19］。

2 光敏色素互作因子调控生长素转运

生长素极性运输（polar transport，PAT）是植物光受体传递信息所必需的［20］。在PAT中，生长素可以质子化后被动内流进入细胞，或通过生长素内输载体AUX/LAX（AUXIN1/LIKE AUX1）内流进入细胞［21］，并通过极性定位的外输载体PIN（PIN-formed）运输到相邻细胞［22-23］。生长素通过PIN进行的极性运输是光受体介导的生长反应必不可少的，包括下胚轴伸长、顶端弯曲等。研究发现，PIF7在低比例红光/远红光时积累，促进PIN3和PIN4的表达，将子叶中的生长素运输到下胚轴，促进下胚轴伸长（图1-C）［24］。PIFs不仅在低比例红光/远红光下调控生长素运输，在高温下也被调控。在高温下，PIF4积累，提高叶片中的生长素浓度，并将生长素转运至叶柄，随后PIN3将叶柄中生长素运输至表皮。同时PIF4也会激活蛋白激酶PID（PINOID）的基因的表达，增强PIN3磷酸化，使PIN3定位在细胞外膜上，促进生长素流向靶组织（图1-E）［25］。

3 光敏色素互作因子调控生长素信号转导

生长素抑制因子生长素/吲哚乙酸（AUX/IAA）与生长素响应因子（auxin response factor，ARF）是生长素信号转导中关键的两个转录因子，AUX/IAA能与ARF结合，并抑制ARF活性，进一步抑制生长素下游基因的转录［26］。PIFs通过调控AUX/IAA以及ARF的表达参与生长素的信号转导。低比例红光/远红光时，PIF4在下胚轴组织表皮中积累。PIF4的积累激活了AUX/IAA家族基因IAA19、IAA29等的表达，IAA19和IAA29的表达抑制生长抑制因子IAA17和 ARF6的表达，促进下胚轴伸长［27］。PIF4也会抑制生长素响应抑制因子AFR18的表达，从而增强下胚轴的伸长（图1-B）［28］。最新的研究发现，IAA3会与PIF4相互作用，抑制PIF4与下游基因的结合，抑制下胚轴的伸长（图1-B）［29］。研究还发现，在低比例红光/远红光时，bHLH家族中的转录因子，如HFR1（long hypocotyl in far-red）和PARs（phytochrome rapidly regulated）等作为避荫反应中的负调控因子，会与PIFs形成异源二聚体，减少PIFs与生长素相关基因启动子的结合，抑制下胚轴的伸长（图1-C）［30］。

图1 光敏色素互作因子参与生长素的合成、运输和信号转导调控植物生长发育Fig.1 PIFs participate in auxin synthesis，transport and signaling to regulate plant growth and development

PIFs不仅在低比例红光/远红光下调控生长素信号转导，在蓝光和高温下也会对生长素信号转导产生影响。研究发现，在高温条件下，PIF4积累并促进生长素合成，提高生长素浓度，生长素浓度提高会促进生长素上调小RNA（small auxin upregulated RNA，SAUR）家族中的SAUR19表达，使下胚轴伸长（图1-E）［13］。近几年研究发现，PIFs能够直接调控SAURs的转录产物lirSAUR，并使其在子叶和下胚轴中差异表达，影响植物不同部位的生长。在光照条件下，PIFs被降解，释放被其抑制的lirSAUR，使lirSAUR转录积累，促进子叶扩展。而在下胚轴中，PIFs降解，游离的生长素降低，抑制lirSAUR的表达，因此下胚轴伸长减缓（图1-F）［31］。研究还发现，在蓝光下CRY1通过调控PIF4的表达拮抗高温导致的下胚轴伸长。CRY1能够直接与PIF4相互作用，抑制PIF4的表达，同时CRY1也可以与COP1相互作用，使PIFs抑制因子HFR1的蛋白保持稳定结构，抑制PIF4表达，从而影响IAA19、IAA29、YUC8等基因的转录（图1-D），抑制下胚轴伸长［32-33］。

生长素信号转导也能受到PIFs和其他激素的协同调控。在低比例红光/远红光和高温条件下，生长素浓度会迅速增加。然而，生长素浓度迅速增加影响生长素响应通常是短暂的，很快会消失［24，27，34］。因此，需要提高生长素的敏感性，以便在低比例红光/远红光中维持较长时间的生长素信号。在低比例红光/远红光下，赤霉素合成基因GA20氧化酶（GA-20 oxidase，GA20ox）和GA3氧化酶（GA-3 oxidase，GA3ox）的催化能力增强，促进GA的合成［34-36］，GA浓度的增加导致DELLA蛋白的降解。DELLA蛋白是一种转录阻遏因子，可以抑制许多转录因子的活性，包括油菜素内酯（brassinosteroid，BR）反应生长促进剂BZR1（brassinazole-resistant 1）及其同源基因 BES1（bri1-ems-suppressor 1）、ARF和PIFs等［37-40］。这些转录因子与DELLA抑制子一起构成BZR-ARF-PIF/DELLA（BAP/D）蛋白复合体。BZR1/ARF6/PIF4通过诱导许多共同的靶基因来刺激细胞生长，并且它们相互作用增强了彼此在这些靶基因上的活性，提高了生长素的敏感性，影响植物生长发育（图1-C）［40-41］。

4 展望

PIFs能够调控种子萌发、光形态建成和避荫反应等生长发育过程，在植物整个生长周期中发挥作用。PIFs通过参与生长素的合成、运输和信号转导，将光信号和生长素信号串联起来。由于PIFs家族基因的多样性，使得解析PIFs调控生长素的机制变得复杂。目前，PIFs调控生长素的研究主要集中在拟南芥PIF4、PIF5和PIF7中，对PIF1、PIF2、PIF3和PIF6的研究较少，因此，开展拟南芥其他PIFs的研究可以完善PIFs家族与生长素之间的调控关系，使调控网络更加完整。同时PIFs调控生长素的研究多集中在拟南芥中，进一步探索农作物，如水稻、玉米和小麦中PIFs的作用机制，将更具有应用价值。其次，PIFs参与生长素合成路径，主要集中在参与了色氨酸依赖途径中的吲哚-3-丙酮酸途径和色胺途径，对于PIFs是否参与其他色氨酸依赖路径如吲哚-3-乙腈途径（3-Indoleacetonitrile，IAN）和色氨酸非依赖途径还有待于研究。生长素信号路径中，已经发现PIF4与IAA17/19和ARF18等相互作用，抑制下胚轴伸长。在拟南芥中，AUX/IAA家族有34个成员，ARF家族中有23个成员，因此PIFs是否会与其他IAAs和ARFs相互作用，最终会如何调控植物生长发育仍然需要探索。之前的研究还发现，PIF4在高温下可以促进生长素的合成、运输和信号转导，调控下胚轴生长，表明PIFs与温度相关。因此，将温度-光信号-生长素串联起来，探索它们之间的协同调控关系也是今后的研究方向。随着研究方法和技术的深入，PIFs参与生长素调控的植物生长发育机制将被阐述的更加清晰，可为植物的遗传改良提供理论支持。