光敏色素互作因子PIFs是整合多种信号调控植物生长发育的核心元件

植物生理学报PlantPhysiologyJournal2014,50(8):1109~1118　　doi:10.13592/j.cnki.ppj.2014.02201109收稿2014-05-12　　修定2014-07-18资助中央高校基本科研业务费专项资金(DL13BAX08)和国家自然科学基金项目(31272200和30730078)。*通讯作者(E-mail:[e-mail];Tel:[phone])。光敏色素互作因子PIFs是整合多种信号调控植物生长发育的核心元件杨剑飞,王宇,杨琳,李玉花*东北林业大学生命科学学院,哈尔滨150040摘要:光敏色素互作因子(PIFs)蛋白家族隶属于bHLH转录因子家族,参与多种信号转导途径,调控植物的生长发育进程,如抑制种子萌发、促进幼苗的暗形态建成和调控开花时间等。作为一个胞内信号调控的重要组分,PIFs广泛参与到由多种植物内源激素如赤霉素、乙烯、生长素、油菜素内酯、脱落酸和外部环境因素如高温、光等所介导的信号网络中。本文从PIFs的结构、参与途径及调控植物发育进程3个方面,简要介绍近年来国内外对PIFs在信号网络调控方面的最新研究进展。关键词:PIFs;信号转导;植物发育Phytochrome-InteractingFactorsIntegrateMultipleSignalstoControlPlantGrowthandDevelopmentYANGJian-Fei,WANGYu,YANGLin,LIYu-Hua*CollegeofLifeSciences,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,ChinaAbstract:Phytochrome-interactingfactors(PIFs),whichbelongtoasmallsubsetofbasichelix-loop-helix(bHLH)transcriptionalfactors,playimportantrolesinvarioussignaltransductionpathwaystocontrolplantgrowthanddevelopmentsuchasrepressionofseedgermination,promotionofseedlingskotomorphogenesisandregulationoffloweringtimethroughregulatedexpressionofoverathousandgenes.Recently,PIFshavebeenidentifiedtointegratemultiplesignalsforinternalplanthormonefactorssuchasgibberellins,ethylene,auxin,brassinosteroid,abscisicacidandforexternalfactorsliketemperatureandlight,toregulatethetranscrip-tionalnetwork,actingaspivotalcomponentsincellularsignalhub.Inthispaper,thelatestadvancesinresearchofPIFs’functiononsignalpathwaysarereviewedinordertohighlightfromtheaspectsofstructure,signaltransductionandregulation.Keywords:PIFs;signaltransduction;plantdevelopment高等植物生长发育过程中存在精密的信号转导系统:一方面,植物通过受体接收外界环境信号,调控植物内源信号水平,整合不同的信号转导途径共同调节植物的生长发育;另一方面,植物又能够通过内源激素水平影响环境应答反应途径,从而形成复杂的信号转导网络。近年来对于植物激素的生物合成与信号转导相关研究取得了较大进展,已经发现各类激素之间存在错综复杂的相互作用,但是研究表明这些激素主要通过自身转导途径调控植物幼苗的早期发育(Nemhauser等2006)。光作为一种重要的环境信号,能够激发植物体内的光受体,并通过一定的信号传递、放大过程,最终诱导光响应基因的表达和特定的生理反应(刘明等2005)。不同的信号通过各自的转导途径共同调控植物的生长发育进程,如种子的萌发、暗形态的建成、光形态的建成、开花时间及气孔发育等(Casson等2009;deLucas等2008;Lee等2012;Oh等2012)。最近的研究多集中于揭示环境和激素信号在分子水平上的交叉作用及协同调控,并且一些相关的信号因子已经被确定在这些途径中起整合作用。其中,光敏色素互作因子(phyto-chrome-interactingfactors,PIFs)蛋白家族不仅在光及温度介导的环境信号传递中起关键作用,还参与植物内源信号途径,如油菜素内酯(brassinos-teroid,BR)、脱落酸(abscisicacid,ABA)、赤霉素(gibberellins,GA)、生长素、乙烯的信号传递,PIFs作为一种重要的信号整合因子参与到不同信植物生理学报1110号通路之间协同调控植物的生长发育(Lau和Deng2010)。本文着重介绍PIFs在不同信号途径间调控植物发育进程中的核心作用,有助于完善环境信号与植物内源信号之间的交互调控网络,希望能对今后的相关研究起指导作用。1PIFs家族的结构PIFs家族蛋白作为一种重要的bHLH(basichelix-loop-helix)类型转录因子,其主要特点是能与光敏色素(phytochrome,PHY)发生相互作用。通过系统进化分析发现PIFs蛋白隶属于bHLH转录因子家族第15亚家族,该家族的成员除PIFs外还包括具有光形态建成功能的HFR1(longhypocotylinfar-red1)和PIL1(phytochromeinteractingfactor3-like1)因子、具有调控种子萌发功能的SPATU-LA(SPT)和未被鉴定功能的其他5种bHLH蛋白(Leivar和Quail2011)。PIF3最初通过酵母双杂交方法被确定与PHYB互作,随后的研究发现PIF3还能与具有生理活性的远红光(farredlight,FR)吸收型Pfr形式的PHYA结合,调控下游基因的转录。目前已知的PIFs家族成员中只有PIF1和PIF3能够与PHYA发生相互作用,其中PIF1与PHYA的结合能力比PIF3强,而所有的PIFs均能特异地与Pfr形式的PHYB结合(赵晓玲2009)。通过对PIFs家族成员的结构进行分析,人们发现PIFs家族的N-端含有一个相对保守的APB结构域(activephyB-bindingdomain),是PIFs与PHYB特异性结合必不可少的功能结构域,采取点突变的手段证明APB结构域中的4个氨基酸(EL××××GQ)是主要的相互作用功能域,而其两侧的序列可能也对PHYB的结合起到一定的促进作用(Khanna等2004);在PIF1与PIF3中发现了另外一个类似APB的APA结构域(activephyA-bindingdomain),这种APA结构对于PIF3(而不是PIF1)与PHYA的结合是必需的,但不如APB结构保守(Al-Sady等2006;Shen等2008)。PIFs蛋白的C-端具有bHLH家族蛋白共有的bHLH功能域,该功能域含有碱性DNA结合域和螺旋环螺旋(helix-loop-helix,HLH)结构域(图1-A)。其中大部分bHLH家族蛋白的DNA结合区可以与靶基因启动子区的顺式调控元件E-box(5'-CANNTG-3')相结合,在转录水平上调控靶基因的表达,而PIFs家族蛋白主要与E-box中的G-box(5'-CACGTG-3')和PBE-box(5'-CACATG-3')结合(Zhang等2013)。另外,bHLH功能域中的HLH结构域可以介导PIFs蛋白家族成员之间的相互作用。研究表明,PIF1、PIF3及PIF4不仅可以形成同源二聚体行使功能,PIF3还能够与PIF4或PIF1形成异源二聚体,共同结合靶基因启动子的G-box元件来调节下游基因的转录,而PIF4和PIF5还能分别与HFR1形成异二聚体调控HFR1在避荫性反应中的蛋白水平(Bu等2011;Hao等2012;Hornitschek等2009)(图1-B)。在植物体内,BR途径中的受体蛋白BZR1(brassinazole-resistant1)可以与PIF4形成异源二聚体共同调控相关基因的表达促进植物生长;而GA途径中的负调控因子DELLA蛋白可以通过与PIF3及PIF4的DNA结合域相互作用的方式抑制PIF3和PIF4行使转录调控的功能(Feng等2008)。综上所述,PIFs既可以通过HLH结构域形成同源二聚体,也可以与其他PIFs或含有HLH结构域的蛋白形成异源二聚体,从转录水平调控下游基因表达,而异源二聚体参与调控的模型或许能够解释PIFs家族在不同植物生长发育进程中的功能冗余作用;PIFs蛋白还可以与其他蛋白互作,从蛋白水平调控相应的信号转导途径。这种双重调节决定了PIFs能够整合不同信号通路,具有调控植物生长发育进程的核心作用。2PIFs参与多种植物体内信号转导途径2.1PIFs参与光信号转导途径植物通过光受体接收光信号,改变植物内部应答光反应基因的转录和翻译水平,最终导致植物内源代谢变化,促进光形态建成。而PIFs蛋白作为光信号转导途径中的负调控因子,从不同方面抑制植物早期光形态建成反应,如促进下胚轴伸长、抑制叶绿素和花青素的积累、抑制光合作用基因的活化、促进子叶伸展等(Leivar和Quail2011)。PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF6和PIF7均能够直接与Pfr形式的光敏色素结合,并参与介导光敏色素信号通路中PHYA/B信号下游基因的表达调控(Castillon等2007)。除了PIF7能够在光下稳定存在,其他PIFs受光敏色素激发参与26S蛋白酶体降解途径,其中PIF3与光敏色素的互作对光诱导PIF3的泛素化降解是必不可少的(Al-Sady等杨剑飞等:光敏色素互作因子PIFs是整合多种信号调控植物生长发育的核心元件11112006)。Park等(2012)通过免疫共沉淀(co-immuno-precipitation,CoIP)和蛋白的Pull-down实验证明不能诱导PIF3降解的PHYBN-端NGB(NG-GUS-NLS)区域能够抑制PIFs的DNA结合能力;研究证明PHYB至少通过2种途径抑制PIFs的功能,包括阻止PIFs与靶基因的结合及降低PIFs的蛋白水平。Leivar等(2008)对获得的pifq(pif1345)四突变体进行研究发现,其表型与cop1突变体一致,即在黑暗中也表现出光形态建成的表型,且cop1突变体中PIFs水平下降,证明植物在暗形态建成阶段除了依靠泛素系统中COP1-SPA复合物对HY5(longhy-pocotyl5)的降解,还需要PIFs转录因子的调控作用。非典型的bHLH蛋白HFR1和PAR1/2能与PIFs形成异二聚体,抑制PIFs结合DNA,而COP1-SPA1可以通过抑制HFR1活性间接增强黑暗中PIFs的稳定性(Bauer等2004;Duek等2004)。最近研究表明,光敏色素早期信号传递组分HEMERA(HMR)蛋白的缺失影响光敏色素与相应转录因子的互作,其中,HMR蛋白参与到PIFs的降解过程中,促进光形态建成。在红光下,hmr突变体中PHYA和PIFs的降解均受到抑制,其幼苗中的PHYA、PIF1和PIF3的含量均比野生型高,而PHYA的降解对于PHYA行使功能非常重要,所以hmr突变体中PHYA的积累影响其对PIF1和PIF3的降解,从而产生伸长的下胚轴(Chen和C