植物PRE类转录因子基因的研究进展

路文婧，沙伟，马天意

植物PRE类转录因子基因的研究进展

路文婧1，2，沙伟1，2，马天意1，2

（齐齐哈尔大学 1. 生命科学与农林学院，2. 抗性基因工程与寒地生物多样性保护黑龙江重点实验室，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

多效唑是一种赤霉素合成抑制剂，抗多效唑（paclobutrazol-resistance，PRE）基因家族编码的蛋白质可与多效唑发生拮抗作用，这些蛋白质具有螺旋-环-螺旋（basic Helix-Loop-Helix，bHLH）结构，在高等植物中参与转录调控从而在植物发育的许多方面发挥关键作用．基因通过参与各种激素（如赤霉素，油菜素内酯，生长素等）、温度和光响应信号通路来调节植物的生长和发育，对植物生长发育具有重要意义．综述基因在植物中的研究进展，主要包括基因的基本性质、分类、功能以及所参与的植物生理过程等方面，为进一步研究植物PRE类转录因子基因提供理论基础．

；植物生长；植物发育

抗多效唑（paclobutrazol-resistance，PRE）基因编码一类非典型的碱性螺旋-环-螺旋（basicHelix- Loop-Helix，bHLH）家族蛋白质，bHLH是第二大转录因子家族，包含一个高度保守的氨基酸基序，该基序可以在整个真核生物中找到，包括PRE在内的许多bHLH蛋白质广泛参与植物逆境胁迫响应[1-7]．

多效唑是具有植物激素活性的三唑类化学物质，是高效低毒的植物生长延缓剂，具有抑制茎枝伸长，使茎秆粗壮，促进花芽形成，提高产量，增强植株抗性等多种功能[8]．在赤霉素的生物合成过程中，内-贝壳杉烯在内-贝壳杉烯氧化酶催化下，发生氧化反应产生内-贝壳杉烯酸，多效唑对内-贝壳杉烯氧化酶的活性具有抑制作用，从而抑制赤霉素的合成，这也是多效唑的主要生化功能[9]．在植物生理作用方面，多效唑对植物具有明显的矮化作用，主要原因是多效唑能够提高生长素氧化酶的活性，加速体内生长素的分解，调节植物体内生长素和脱落酸含量，抑制植株的生长．黄相[10]等设置不同用量的多效唑处理，结果表明，适期、适量的多效唑处理对香蕉（）营养生长均具明显的抑制作用．多效唑能通过增厚茎壁和机械组织，影响质膜稳定性；通过提高超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、吲哚乙酸氧化酶等蛋白质的活性，改变脱落酸、赤霉素、过氧化氢、丙二醛、离子自由基、脯氨酸、多胺的含量，从而提高植物对盐和重金属等胁迫的抗性[11-13]．在植物体内，基因可以编码抗多效唑的蛋白质分子[6]593，除拮抗多效唑之外还有其他的生物学功能．

近年来，对基因的性质和功能缺少系统性的概述．本文对基因的基本性质、功能和植物的生长发育方面进行综述，旨在为今后其他植物相关基因的研究提供可行性理论基础．

1 PRE基因的基本性质

拟南芥（）基因组编码超过160个bHLH蛋白质，这些蛋白质被分为15～25个亚家族，典型的bHLH是植物激素转导途径和多种生物合成途径中的关键转录调节因子[1-2]．bHLH包含一个碱性区域和一个螺旋-环-螺旋结构域，碱性区域参与DNA结合，螺旋-环-螺旋结构域与碱性区域相连，参与蛋白质与蛋白质的相互作用[7，14-16]．含有bHLH结构域的蛋白质通常作为同源或异源二聚体调节靶基因的表达，这些靶基因参与许多生理过程，在植物激素的生物合成、代谢和转导中具有广泛的功能．这些转录因子在植物生长发育、应激反应和生化功能中都具有调节作用[14-18]．在拟南芥中有147个碱性HLH蛋白质缺乏DNA结合结构域[18]1750，但这些蛋白质可以与其他bHLH因子二聚化以抑制DNA结合[1，4-5，17-18]．

植物PRE类转录因子基因家族包括6种基因，分别是/（），/，//（），/，，/（）[1-7]．在相关的遗传学突变体材料构建方面，Shin[19]等通过RT-PCR分析，发现在拟南芥的，或突变体中相对应的基因确认是无效等位基因，而突变体中的是异形等位基因，突变体没有进一步研究，因为突变体（GK646C02）的T-DNA插入在3-UTR区域，这不会改变转录水平，对于基因，目前没有可用的T-DNA插入突变体．

2 PRE基因及其编码蛋白质在植物生理调控中的作用

PRE亚家族蛋白质参与激素、温度和光反应的信号转导途径，并以多种方式调节植物的生长发育，在植物中对赤霉素、油菜素内酯、生长素和光信号的反应中正向调节细胞伸长[4-6，16，20-21]，主要通过与另一种bHLH转录因子IBH1（ILI1 binding bHLH1）相互作用而发挥功能[22-23]．

通过广泛的信号调节参与植物的生长过程，这些信号包括油菜素内酯、生长素和光等[2-5]，基因的表达对这些植物激素或环境信号表现出差异性响应．在特定的环境条件或发育背景下，不同基因的异位表达会引起非常相似的发育改变，包括发芽提前、开花提前和营养器官生长伸长等，在差异的空间表达模式下，基因可能根据发育环境的不同发挥不同的功能[6，17]，所以认为基因之间有功能相似性和不相等冗余性[22]869．

在促进细胞伸长方面，LEE[6]等使用PRE1-GUS融合蛋白质的亚细胞定位分析，结果显示，PRE1在拟南芥细胞核中定位，同时发现抑制赤霉素生物合成导致突变体的矮化表型，表明参与赤霉素调节的细胞伸长．在拟南芥和水稻（）中，及其同源物lNCREASED LAMINA INCLINATION1（ILI1）的过表达会增加油菜素内酯诱导的细胞伸长率[3，14，24]．此外还发现，PRE家族成员通过相互作用和形成异二聚体抑制非典型bHLH蛋白质间接促进细胞伸长[3-5]．

最初被确定为赤霉素反应正调节因子，赤霉素信号通过GID（GIBBERELLIN-INSENSITIVE DWARF）受体和DELLA依赖性机制增加转录水平[6]597．转基因研究表明，与同源的基因在功能上是冗余的，并可能在拟南芥赤霉素依赖性生长和发育的各个方面具有调节作用，如发芽、下胚轴和叶柄的伸长，花诱导和果实发育[6，25-26]．在拟南芥中所有发育阶段显示，其他成员的过表达表现出与的过表达相似的赤霉素过量表型，表明不同基因可能受到赤霉素的调节程度有所差异[6，15]．

进一步研究表明，介导油菜素内酯、生长素和光信号转导[3，25-26]．在拟南芥中，基因与ARF6（AUXIN RESPONSE FACTOR 6）协同调节拟南芥的细胞伸长，PRE1与IBH1、HBI（HOMOLOG OF BRASSINOSTEROID ENHANCED EXOR ESSION2 INTERACTING WITH IBH1）组成一个三方HLH/bHLH级联反应，PRE1-IBH1-HBI1相互作用调控植物发育，其中PRE1和IBH1可结合形成异二聚体，达到相互拮抗的效果，而IBH1与HBI1相互作用后可抑制HBI1与DNA结合，阻止HBI1调控下游基因的表达，从而影响植物对油菜素内酯、赤霉素、温度和光信号的调控途径[22]4917．其他基因与可能存在功能冗余，表现在敲除包括在内的基因可显著降低转基因拟南芥对生长素的灵敏度[27]1；采用激活标记技术发现激活标记突变体下胚轴变长，过表达基因的下胚轴长度也增加[6]592；，，均能被油菜素内酯诱导[4]3784．

番茄（）中的被鉴定具有控制花柱长度的功能，此外被发现可能通过影响参与光信号传导的bHLH蛋白质活性来影响植物形态变化，是果实叶绿素和类胡萝卜素积累的负调节因子[28]．过表达的被鉴定为表型的显性抑制因子，可以抑制油菜素内酯不敏感突变体的表型，的突变体显示出与生长素相关的表型，参与拟南芥光信号转导的调节[2，4]．

拟南芥中PRE6是一种光信号抑制因子，被认为与光信号传导有关[26]688，通过负调节HFR1（LONG HYOOCOTYL IN FAR-RED1）活性来减弱日光条件下光介导的反应[1，5，29]．参与避荫反应[30-33]，是一个生长素应答基因，其表达直接受到ARF5和ARF8的调控，是一种负调控生长素反应的转录抑制因子，同时还与其他共同参与拟南芥脱落酸和抗盐反应的调节：盐处理会诱导，，，的表达，过表达或的转基因植物耐盐性增强[34-35]．在拟南芥生长素信号调节中发挥作用，其在茎尖分生组织和根分生组织中均有表达，其过度表达使植物表现出与生长素功能相关的表型，出现加长的初生根和降低的侧根密度，这种效应可以通过外源应用生长素处理来恢复，表明在调节生长素介导的根发育过程中发挥了功能[2，36-37]，这种根表型也可能是光信号调节的结果，因为光可以正向调节根发育．另外，是生长素响应因子ARF5的靶基因，这是根茎发育所必需的调控元件[2]913．拟南芥中和的表达均受光调节，导致非常相似的表型，而响应方式相反，红光、远红光和蓝光诱导表达，但抑制的表达．因此，尽管这两个基因的过表达导致非常相似的光敏感表型，但它们的表达受到光的不同调节，这表明它们可能在光信号通路的调节中发挥不同的作用[5，29]．和都是对生长调节和环境敏感的基因，其相关研究表明这样一些基因参与脱落酸的反应[34，38]．拟南芥中影响与光相关的生理过程，也称，突变体显示出与光调控相关的表型，如叶绿素水平降低、萼片和心皮颜色改变、开花时间发生变化等．一些是依赖光形态发生和发育信号通路调节开花时间必需的基因，，，在花中表达并参与光信号传导[1]690，它们参与调节与光相关的bHLH的活性，是花瓣中APETALA3/PISTILLATA（AP3/PI）负调控的直接靶基因[1，5]．

LI[39]等通过转基因技术证明，苹果（）增加了对NaCl、脱落酸和生长素的敏感性，并提高了对油菜素内酯的耐受性，但是不会影响苹果对赤霉素的反应．可能是油菜素内酯信号通路的负调节剂，而且苹果的基因表达谱显示，不同的成员在根、茎、叶、花和果实组织中存在差异表达，表明它们的时空多样性与其在不同组织和不同生长发育阶段的功能有关，这些结果与之前在其他植物组织中的研究结果一致[19]872．在草莓（）中，被生长素抑制并被脱落酸激活，但其表达不受赤霉素的影响[38]586．

在拟南芥中，Shin[19]等采取反向遗传方法构建不同基因的高阶突变体，一些双阶或高阶前突变体表现出花发育缺陷，导致生育力下降，通常具有生育能力，和均显示生育能力降低，突变体的生育力下降加剧，表明这些基因的冗余和关键作用．自花授粉和扫描电镜分析研究表明，的不育主要归因于花药丝的细胞伸长率降低，限制了花粉进入柱头．

基因在不同植物激素或环境信号中的差异表达和不同组织的优先表达模式也暗示了基因发挥冗余和特定的作用[3，6，24，40]．多种蛋白质相互作用介导了PRE的不同调节过程，AIF1（APOPTOSIS-INDUCING FACTOR1），HFR1，IBH1，HBI1与所有PRE蛋白质相互作用，并参与各种生物学功能，如对激素信号的反应等，而这些不同的蛋白质与PRE相互作用的亲和力有所不同，所调控的具体生物学过程也有所不同[41-43]，AIF1负向调节油菜素内酯信号[41]1；IBH1响应赤霉素和油菜素内酯信号，负调控细胞和器官伸长[44]．此外，PRE蛋白质与属于BRE1家族的HUB1和AT3G06590蛋白质相互作用，这些蛋白质也参与油菜素内酯信号通路，说明基因家族成员与油菜素内酯信号通路成员关系密切[24]669．

3 结语

近年来，对基因家族的研究从未停止，发现可通过参与各种激素、温度和光响应等信号通路在调节植物生长发育方面发挥关键作用．目前已发现一些过表达可提高植物耐盐性[35]239，但在植物抗逆功能的研究中仍十分稀少，需更多研究来发掘相关功能，由于不同PRE响应的各种植物激素都参与一些植物抗逆过程，推测PRE可以通过调控植物激素发挥植物抗逆相关功能．此外，在所有基因中，鲜少被研究，目前已知的表达可由生长素诱导[24]9，但在调控植物形态、信号转导方面的研究较少．不同物种组织表达模式不同，表明它们参与了多种生物学过程，具有相对复杂的功能，基因功能在拟南芥研究中报道较多，在其他植物中的研究仍较少．本文对各基因功能进行综合，以期对今后在其他植物中进行基因功能和分子机制的深入研究提供帮助．

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Research progress of PRE transcription factor genes in plants

LU Wenjing1，2，Sha Wei1，2，Ma Tianyi1，2

（1. School of Life Sciences，Agriculture and Forestry，2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Resistance Gene Engineering and Protection of Biodiversity in Cold Areas，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Paclobutrazolis an inhibitor of gibberellin synthesis，（）is a class of genes that encode proteins antagonistic to the paclobutrazol，the proteins contain basic Helix-Loop-Helix（bHLH）structure that participating transcription regulation，in order to plays important roles in various aspects of plants′ development．genes regulate plant growth and development by participating in various hormone，temperature and light response signaling pathways，such as gibberellin（GA），brassinolide（BR），auxin（IAA），so that have great significance for the growth and development of plants．The research progresses of PRE transcription factor in plants were summarized，including the basic properties，classification，function ofgenes and the physiological processes participated in plants，in order to provide a theoretical basis for further studies of PRE．

；plant growth；plant development

Q943

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2024.02.013

1007-9831（2024）02-0064-05

2023-08-12

黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目（145109135）；黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划项目（UNPYSCT-2020073）；黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目青年创新人才项目（145109212）

路文婧（1998-），女，内蒙古赤峰人，在读硕士研究生，从事植物逆境分子遗传学研究．E-mail：2833380559@qq.com

马天意（1989-），男，黑龙江齐齐哈尔人，副教授，博士，从事植物逆境分子遗传学研究．E-mail：tyma8902@qqhru.edu.cn