植物PRE類轉錄因子基因的研究進展

路文婧，沙偉，馬天意

植物PRE類轉錄因子基因的研究進展

路文婧1，2，沙偉1，2，馬天意1，2

（齊齊哈爾大學 1. 生命科學與農林學院，2. 抗性基因工程與寒地生物多樣性保護黑龍江重點實驗室，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

多效唑是一種赤霉素合成抑制劑，抗多效唑（paclobutrazol-resistance，PRE）基因家族編碼的蛋白質可與多效唑發生拮抗作用，這些蛋白質具有螺旋-環-螺旋（basic Helix-Loop-Helix，bHLH）結構，在高等植物中參與轉錄調控從而在植物發育的許多方面發揮關鍵作用．基因通過參與各種激素（如赤霉素，油菜素內酯，生長素等）、溫度和光響應信號通路來調節植物的生長和發育，對植物生長發育具有重要意義．綜述基因在植物中的研究進展，主要包括基因的基本性質、分類、功能以及所參與的植物生理過程等方面，為進一步研究植物PRE類轉錄因子基因提供理論基礎．

；植物生長；植物發育

抗多效唑（paclobutrazol-resistance，PRE）基因編碼一類非典型的堿性螺旋-環-螺旋（basicHelix- Loop-Helix，bHLH）家族蛋白質，bHLH是第二大轉錄因子家族，包含一個高度保守的氨基酸基序，該基序可以在整個真核生物中找到，包括PRE在內的許多bHLH蛋白質廣泛參與植物逆境脅迫響應[1-7]．

多效唑是具有植物激素活性的三唑類化學物質，是高效低毒的植物生長延緩劑，具有抑制莖枝伸長，使莖稈粗壯，促進花芽形成，提高產量，增強植株抗性等多種功能[8]．在赤霉素的生物合成過程中，內-貝殼杉烯在內-貝殼杉烯氧化酶催化下，發生氧化反應產生內-貝殼杉烯酸，多效唑對內-貝殼杉烯氧化酶的活性具有抑制作用，從而抑制赤霉素的合成，這也是多效唑的主要生化功能[9]．在植物生理作用方面，多效唑對植物具有明顯的矮化作用，主要原因是多效唑能夠提高生長素氧化酶的活性，加速體內生長素的分解，調節植物體內生長素和脫落酸含量，抑制植株的生長．黃相[10]等設置不同用量的多效唑處理，結果表明，適期、適量的多效唑處理對香蕉（）營養生長均具明顯的抑制作用．多效唑能通過增厚莖壁和機械組織，影響質膜穩定性；通過提高超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、吲哚乙酸氧化酶等蛋白質的活性，改變脫落酸、赤霉素、過氧化氫、丙二醛、離子自由基、脯氨酸、多胺的含量，從而提高植物對鹽和重金屬等脅迫的抗性[11-13]．在植物體內，基因可以編碼抗多效唑的蛋白質分子[6]593，除拮抗多效唑之外還有其他的生物學功能．

近年來，對基因的性質和功能缺少系統性的概述．本文對基因的基本性質、功能和植物的生長發育方面進行綜述，旨在為今后其他植物相關基因的研究提供可行性理論基礎．

1 PRE基因的基本性質

擬南芥（）基因組編碼超過160個bHLH蛋白質，這些蛋白質被分為15～25個亞家族，典型的bHLH是植物激素轉導途徑和多種生物合成途徑中的關鍵轉錄調節因子[1-2]．bHLH包含一個堿性區域和一個螺旋-環-螺旋結構域，堿性區域參與DNA結合，螺旋-環-螺旋結構域與堿性區域相連，參與蛋白質與蛋白質的相互作用[7，14-16]．含有bHLH結構域的蛋白質通常作為同源或異源二聚體調節靶基因的表達，這些靶基因參與許多生理過程，在植物激素的生物合成、代謝和轉導中具有廣泛的功能．這些轉錄因子在植物生長發育、應激反應和生化功能中都具有調節作用[14-18]．在擬南芥中有147個堿性HLH蛋白質缺乏DNA結合結構域[18]1750，但這些蛋白質可以與其他bHLH因子二聚化以抑制DNA結合[1，4-5，17-18]．

植物PRE類轉錄因子基因家族包括6種基因，分別是/（），/，//（），/，，/（）[1-7]．在相關的遺傳學突變體材料構建方面，Shin[19]等通過RT-PCR分析，發現在擬南芥的，或突變體中相對應的基因確認是無效等位基因，而突變體中的是異形等位基因，突變體沒有進一步研究，因為突變體（GK646C02）的T-DNA插入在3-UTR區域，這不會改變轉錄水平，對于基因，目前沒有可用的T-DNA插入突變體．

2 PRE基因及其編碼蛋白質在植物生理調控中的作用

PRE亞家族蛋白質參與激素、溫度和光反應的信號轉導途徑，并以多種方式調節植物的生長發育，在植物中對赤霉素、油菜素內酯、生長素和光信號的反應中正向調節細胞伸長[4-6，16，20-21]，主要通過與另一種bHLH轉錄因子IBH1（ILI1 binding bHLH1）相互作用而發揮功能[22-23]．

通過廣泛的信號調節參與植物的生長過程，這些信號包括油菜素內酯、生長素和光等[2-5]，基因的表達對這些植物激素或環境信號表現出差異性響應．在特定的環境條件或發育背景下，不同基因的異位表達會引起非常相似的發育改變，包括發芽提前、開花提前和營養器官生長伸長等，在差異的空間表達模式下，基因可能根據發育環境的不同發揮不同的功能[6，17]，所以認為基因之間有功能相似性和不相等冗余性[22]869．

在促進細胞伸長方面，LEE[6]等使用PRE1-GUS融合蛋白質的亞細胞定位分析，結果顯示，PRE1在擬南芥細胞核中定位，同時發現抑制赤霉素生物合成導致突變體的矮化表型，表明參與赤霉素調節的細胞伸長．在擬南芥和水稻（）中，及其同源物lNCREASED LAMINA INCLINATION1（ILI1）的過表達會增加油菜素內酯誘導的細胞伸長率[3，14，24]．此外還發現，PRE家族成員通過相互作用和形成異二聚體抑制非典型bHLH蛋白質間接促進細胞伸長[3-5]．

最初被確定為赤霉素反應正調節因子，赤霉素信號通過GID（GIBBERELLIN-INSENSITIVE DWARF）受體和DELLA依賴性機制增加轉錄水平[6]597．轉基因研究表明，與同源的基因在功能上是冗余的，并可能在擬南芥赤霉素依賴性生長和發育的各個方面具有調節作用，如發芽、下胚軸和葉柄的伸長，花誘導和果實發育[6，25-26]．在擬南芥中所有發育階段顯示，其他成員的過表達表現出與的過表達相似的赤霉素過量表型，表明不同基因可能受到赤霉素的調節程度有所差異[6，15]．

進一步研究表明，介導油菜素內酯、生長素和光信號轉導[3，25-26]．在擬南芥中，基因與ARF6（AUXIN RESPONSE FACTOR 6）協同調節擬南芥的細胞伸長，PRE1與IBH1、HBI（HOMOLOG OF BRASSINOSTEROID ENHANCED EXOR ESSION2 INTERACTING WITH IBH1）組成一個三方HLH/bHLH級聯反應，PRE1-IBH1-HBI1相互作用調控植物發育，其中PRE1和IBH1可結合形成異二聚體，達到相互拮抗的效果，而IBH1與HBI1相互作用后可抑制HBI1與DNA結合，阻止HBI1調控下游基因的表達，從而影響植物對油菜素內酯、赤霉素、溫度和光信號的調控途徑[22]4917．其他基因與可能存在功能冗余，表現在敲除包括在內的基因可顯著降低轉基因擬南芥對生長素的靈敏度[27]1；采用激活標記技術發現激活標記突變體下胚軸變長，過表達基因的下胚軸長度也增加[6]592；，，均能被油菜素內酯誘導[4]3784．

番茄（）中的被鑒定具有控制花柱長度的功能，此外被發現可能通過影響參與光信號傳導的bHLH蛋白質活性來影響植物形態變化，是果實葉綠素和類胡蘿卜素積累的負調節因子[28]．過表達的被鑒定為表型的顯性抑制因子，可以抑制油菜素內酯不敏感突變體的表型，的突變體顯示出與生長素相關的表型，參與擬南芥光信號轉導的調節[2，4]．

擬南芥中PRE6是一種光信號抑制因子，被認為與光信號傳導有關[26]688，通過負調節HFR1（LONG HYOOCOTYL IN FAR-RED1）活性來減弱日光條件下光介導的反應[1，5，29]．參與避蔭反應[30-33]，是一個生長素應答基因，其表達直接受到ARF5和ARF8的調控，是一種負調控生長素反應的轉錄抑制因子，同時還與其他共同參與擬南芥脫落酸和抗鹽反應的調節：鹽處理會誘導，，，的表達，過表達或的轉基因植物耐鹽性增強[34-35]．在擬南芥生長素信號調節中發揮作用，其在莖尖分生組織和根分生組織中均有表達，其過度表達使植物表現出與生長素功能相關的表型，出現加長的初生根和降低的側根密度，這種效應可以通過外源應用生長素處理來恢復，表明在調節生長素介導的根發育過程中發揮了功能[2，36-37]，這種根表型也可能是光信號調節的結果，因為光可以正向調節根發育．另外，是生長素響應因子ARF5的靶基因，這是根莖發育所必需的調控元件[2]913．擬南芥中和的表達均受光調節，導致非常相似的表型，而響應方式相反，紅光、遠紅光和藍光誘導表達，但抑制的表達．因此，盡管這兩個基因的過表達導致非常相似的光敏感表型，但它們的表達受到光的不同調節，這表明它們可能在光信號通路的調節中發揮不同的作用[5，29]．和都是對生長調節和環境敏感的基因，其相關研究表明這樣一些基因參與脫落酸的反應[34，38]．擬南芥中影響與光相關的生理過程，也稱，突變體顯示出與光調控相關的表型，如葉綠素水平降低、萼片和心皮顏色改變、開花時間發生變化等．一些是依賴光形態發生和發育信號通路調節開花時間必需的基因，，，在花中表達并參與光信號傳導[1]690，它們參與調節與光相關的bHLH的活性，是花瓣中APETALA3/PISTILLATA（AP3/PI）負調控的直接靶基因[1，5]．

LI[39]等通過轉基因技術證明，蘋果（）增加了對NaCl、脫落酸和生長素的敏感性，并提高了對油菜素內酯的耐受性，但是不會影響蘋果對赤霉素的反應．可能是油菜素內酯信號通路的負調節劑，而且蘋果的基因表達譜顯示，不同的成員在根、莖、葉、花和果實組織中存在差異表達，表明它們的時空多樣性與其在不同組織和不同生長發育階段的功能有關，這些結果與之前在其他植物組織中的研究結果一致[19]872．在草莓（）中，被生長素抑制并被脫落酸激活，但其表達不受赤霉素的影響[38]586．

在擬南芥中，Shin[19]等采取反向遺傳方法構建不同基因的高階突變體，一些雙階或高階前突變體表現出花發育缺陷，導致生育力下降，通常具有生育能力，和均顯示生育能力降低，突變體的生育力下降加劇，表明這些基因的冗余和關鍵作用．自花授粉和掃描電鏡分析研究表明，的不育主要歸因于花藥絲的細胞伸長率降低，限制了花粉進入柱頭．

基因在不同植物激素或環境信號中的差異表達和不同組織的優先表達模式也暗示了基因發揮冗余和特定的作用[3，6，24，40]．多種蛋白質相互作用介導了PRE的不同調節過程，AIF1（APOPTOSIS-INDUCING FACTOR1），HFR1，IBH1，HBI1與所有PRE蛋白質相互作用，并參與各種生物學功能，如對激素信號的反應等，而這些不同的蛋白質與PRE相互作用的親和力有所不同，所調控的具體生物學過程也有所不同[41-43]，AIF1負向調節油菜素內酯信號[41]1；IBH1響應赤霉素和油菜素內酯信號，負調控細胞和器官伸長[44]．此外，PRE蛋白質與屬于BRE1家族的HUB1和AT3G06590蛋白質相互作用，這些蛋白質也參與油菜素內酯信號通路，說明基因家族成員與油菜素內酯信號通路成員關系密切[24]669．

3 結語

近年來，對基因家族的研究從未停止，發現可通過參與各種激素、溫度和光響應等信號通路在調節植物生長發育方面發揮關鍵作用．目前已發現一些過表達可提高植物耐鹽性[35]239，但在植物抗逆功能的研究中仍十分稀少，需更多研究來發掘相關功能，由于不同PRE響應的各種植物激素都參與一些植物抗逆過程，推測PRE可以通過調控植物激素發揮植物抗逆相關功能．此外，在所有基因中，鮮少被研究，目前已知的表達可由生長素誘導[24]9，但在調控植物形態、信號轉導方面的研究較少．不同物種組織表達模式不同，表明它們參與了多種生物學過程，具有相對復雜的功能，基因功能在擬南芥研究中報道較多，在其他植物中的研究仍較少．本文對各基因功能進行綜合，以期對今后在其他植物中進行基因功能和分子機制的深入研究提供幫助．

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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

黑龍江省省屬高等學?；究蒲袠I務費科研項目（145109135）；黑龍江省普通本科高等學校青年創新人才培養計劃項目（UNPYSCT-2020073）；黑龍江省省屬高等學?；究蒲袠I務費科研項目青年創新人才項目（145109212）

路文婧（1998-），女，內蒙古赤峰人，在讀碩士研究生，從事植物逆境分子遺傳學研究．E-mail：2833380559@qq.com

馬天意（1989-），男，黑龍江齊齊哈爾人，副教授，博士，從事植物逆境分子遺傳學研究．E-mail：tyma8902@qqhru.edu.cn