光周期途徑E3泛素連接酶的開花調控機制

馬 達，李 魏，2，戴良英，2*

（1湖南農業(yè)大學植物保護學院，長沙410128；2作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南長沙410128）

光周期途徑E3泛素連接酶的開花調控機制

馬 達1，李 魏1，2，戴良英1，2*

（1湖南農業(yè)大學植物保護學院，長沙410128；2作物基因工程湖南省重點實驗室，湖南長沙410128）

開花是植物生長發(fā)育過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，光周期是影響植物開花的主要環(huán)境因素。E3泛素連接酶對光周期依賴型的開花起著重要調控作用。已發(fā)現(xiàn)的光周期調控開花途徑中多種組分均為E3泛素連接酶的靶蛋白，它們能通過E3泛素連接酶介導實現(xiàn)其泛素化降解，從而影響光周期信號，調控開花。綜述了E3泛素連接酶在參與調控光受體穩(wěn)定性、生物鐘功能以及開花調控因子CO穩(wěn)定性三個方面的研究進展。

植物；光周期調控；開花；E3泛素連接酶

現(xiàn)已知至少有四條途徑調控植物開花：光周期途徑、春化途徑、自主途徑和赤霉素途徑［1］。光周期途徑通過光信號與生物節(jié)律鐘相互作用實現(xiàn)，包括三個環(huán)節(jié)：光受體先吸收環(huán)境中的光信號，然后將其輸入到生物節(jié)律鐘的核心——振蕩器，最后由振蕩器周期性表達開花基因將光信號轉為開花信號［2］。

在研究擬南芥的過程中，人們發(fā)現(xiàn)植物通過監(jiān)測日照長度來適應環(huán)境變化，適時開花。擬南芥是兼性長日照植物，長日照條件促進其生殖生長，短日照條件則促進其營養(yǎng)生長。擬南芥光周期開花調控通路中的信號組分有CO，GIGANTEA（GI）和FLOWERING LOCUST（FT）等，其中FT被認為是成花素，CO和GI則是激活FT的關鍵因子［3］。將這三個基因進行敲除，擬南芥在長日照條件下具有晚花表型，但是過量表達這些基因后，無論是在長日照還是在短日照條件下，植株都表現(xiàn)出明顯的早花［3］。在光周期調控途徑中，CO是關鍵的轉錄調控因子。長日照條件下，CO激活FT的表達，然后FT蛋白移動到莖端分生組織，誘導開花［3］。

植物開花光周期調控途徑是一個復雜的過程，在植物生長發(fā)育中普遍存在，E3泛素連接酶在該調控途徑中發(fā)揮重要作用。光周期調控開花途徑中的多個組分均為E3泛素連接酶的靶標，它們可被泛素化修飾影響光周期信號進而影響開花。筆者擬從E3泛素連接酶參與調控光受體穩(wěn)定性、生物鐘功能以及開花調控因子CO穩(wěn)定性等三個方面來闡述它在開花光周期調控途徑中的作用。

1 E3泛素連接酶參與調控光受體的穩(wěn)定性

E3泛素連接酶COP1參與調控光受體PHYs蛋白的穩(wěn)定性。在擬南芥中，PHYA促進開花，而PHYB抑制開花［6］。磷酸化后的PHYA會優(yōu)先被E3泛素連接酶復合體CUL4-DDB1-COP1-SPA泛素化降解［7］。PHYA信號途徑中起正調控植物光形態(tài)建成作用的HFR1、HY5和LAF1蛋白也可以被起開花負調控作用的COP1泛素化［8］，說明COP1是通過調控這3個蛋白的穩(wěn)定性來負調控光形態(tài)建成的。在紅光條件下，擬南芥II型PHYs（PHYB-PHYE）也可與COP1互作，并被其泛素化降解［9］，這說明COP1參與調控擬南芥所有PHYs蛋白的降解。

藍光受體CRY2在藍光下被磷酸化轉變?yōu)榧せ顟B(tài)，被泛素化降解［4］，進而促進擬南芥開花。CRY2的泛素化降解需要COP1和SPA兩種蛋白，cop1和spa單突變體中CRY2的泛素化降解明顯降低［10，11］。但是，擬南芥CRY2蛋白在藍光下被泛素化的具體機制以及它是否在其它植物中保守還不清楚。

具有U-box結構的E3泛素連接酶PUB13也可以調控擬南芥開花，pub13突變體在長日照和中日照條件下表現(xiàn)早花，而在短日照條件下沒有明顯早花表型［12］。PUB13的泛素化靶蛋白HFR1參與光受體PHYA信號轉導［12］。由于pub13的早花表型依賴于光周期，因而PUB13很有可能是通過泛素化來調節(jié)HFR1蛋白的穩(wěn)定性以調控擬南芥開花和光形態(tài)建成。

2 E3泛素連接酶參與調節(jié)生物節(jié)律鐘的功能

振蕩器是生物鐘的核心部分，決定光周期開花基因的日常表達模式，在光周期開花調節(jié)通路中發(fā)揮重要作用。擬南芥生物鐘的中心循環(huán)涉及3個核心蛋白：LHY、CCA1和TOC1［13］。具有RING結構域的E3泛素連接酶SINAT5可以介導LHY泛素化降解，而參與抑制光形態(tài)建成的E3泛素連接酶CDD復合體組分DET1可以抑制SINAT5對LHY的泛素化活性［14］。

此外，E3泛素連接酶COP1與Early Flowering 3（ELF3）蛋白在控制生物鐘輸出組分方面一起發(fā)揮作用。ELF3蛋白控制著植物夜間生長的生物節(jié)律。在光周期途徑中，COP1和ELF3可以在藍光受體CRY2下游、GI上游調節(jié)日長信號［15］。同時，COP1也能識別ELF3，調節(jié)ELF3蛋白豐度，從而影響ELF3的作用［15］。E3泛素連接酶ZTL、LKP2和FKF1是F-box蛋白家族的成員，三者均參與調控擬南芥的開花啟動。ZTL和LKP2負調控擬南芥光周期途徑的開花［16］，而FKF1則正調控擬南芥光周期途徑的開花［17］。ZTL對重設生物鐘具有重要作用，它可作為藍光受體調節(jié)靶蛋白TOC1和PRR5的降解，是振蕩器產生晝夜節(jié)律很關鍵的一步［18］。FKF1可以在藍光下與GI結合，GI-FKF1復合體可導致開花抑制子CDF1及CDF2的泛素化降解［19］，CDF1能與CO結合，并調節(jié)CO的表達。長日照條件下，由于CDF1被泛素化降解，CO表達被誘導，促進開花；而在短日照條件下，由于GI-FKF1結構不穩(wěn)定，促進了CDF1的積累，進而CO的表達被抑制，開花被推遲［19］。ztl突變體具有長周期節(jié)律，而ztl，lkp2，fkf1的三突變體則具有更長周期，導致一些生物鐘輸出信號節(jié)律不強，從而使得擬南芥表現(xiàn)晚花。這很有可能是因為FKF1、ZTL和LKP2參與調控CDF蛋白的穩(wěn)定性，使得CO轉錄水平下降，進而延遲開花［20］。

3 E3泛素連接酶參與調控CO穩(wěn)定性

開花因子CO是生物鐘輸出途徑中的重要元件，是監(jiān)測日照長度、將光信號轉為開花信號的一個關鍵因子，正調控擬南芥光周期依賴型開花［3］。E3泛素連接酶復合體SPA-COP1在黑暗中可特異降解CO。SPA家族蛋白（SPA1-4）在黑暗條件下抑制光形態(tài)建成，可與CO互作，負調控CO蛋白穩(wěn)定性［21］。COP1與CO在植物體內體外均可互作，功能缺失的COP1在黑暗中促進CO蛋白含量明顯增加，說明CO蛋白穩(wěn)定性也受到COP1負調控［22］。SPA1也可和DET1一起調控光形態(tài)建成［23］，因此，SPA和COP1在擬南芥光周期調控開花過程中起著很重要的作用，可能作為泛素連接酶復合體通過促進靶蛋白CO在黑暗中的降解來延遲開花。然而，在長日照條件下，CRYs負調控COP1蛋白活性，使得CO蛋白在晚上積累進而誘導FT的表達，促進擬南芥開花［22］。

擬南芥ESD6基因是光周期調控開花途徑中的一個新成員，ESD6編碼一個含有RING-finger結構的E3泛素連接酶HOS1。HOS1／ESD6通過介導泛素化降解轉錄調控因子ICE1來調控CBFs基因的表達［24］。hos1／esd6雙突變體具有早花表型，該表型需要一個活性CO基因［25］。另外，CO與HOS1在體內體外均可互作，如果將HOS1突變掉，CO的蛋白含量會在光照條件下尤其是在早晨大量增加。HOS1和COP1具有協(xié)同作用，無論是在長日照還是短日照條件下，hos1cop1雙突變體都具有明顯的早花表型，但是CO的突變會嚴重抑制hos1cop1雙突變體的早花表型［25］。因此，HOS1在調控光周期開花反應中具有重要作用。

近期研究發(fā)現(xiàn)CO和FKF1能在植物體內互作，F(xiàn)KF1的LOV結構域涉及到CO與FKF1的體內互作，在藍光下促進FKF1和CO的結合，長日照條件下，維持CO在傍晚的穩(wěn)定性，從而促進FT的表達［26］，這與FKF1在降解CDFs時的作用正好相反，說明FKF1在調控光周期誘導開花過程中具有多重作用。FKF1維持CO的穩(wěn)定性，這為在長日照條件下有效誘導FT表達提供了一條新的可靠機制［26］，說明FKF1在擬南芥對光周期作出反應的開花轉型中占有重要地位。

4 總結與展望

涉及光周期調控開花的蛋白主要包括光受體蛋白和生物鐘蛋白，近年來的實驗結果表明，E3泛素連接酶在光周期調控開花途徑中具有重要作用。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多光周期調控開花途徑中的蛋白是E3泛素連接酶的靶蛋白，能被E3介導實現(xiàn)泛素化降解，從而影響植物光周期調控的開花。

現(xiàn)已在許多植物體內找到擬南芥E3泛素連接酶和涉及光周期調控開花蛋白的同源蛋白，如已在水稻中找到COP1、DDB1、ZTL1、FKF1、SPA和PUB13的同源物，在番茄、洋蔥、二穗短柄草等植物中也發(fā)現(xiàn)了與擬南芥E3泛素連接酶的同源物，此外，光受體蛋白PHYs、CRYs，生物鐘相關蛋白如CCA1、LHY等，也存在于大量植物中，說明E3介導的蛋白的泛素化降解在光周期調控植物開花中發(fā)揮著重要的作用。雖然目前對E3泛素連接酶參與調控光周期依賴型開花的研究越來越深入，但是這些研究都還主要集中在擬南芥上，在其它植物中的研究成果大都還只停留在基礎階段，對其在調控光周期依賴型開花中的分子機制還知之甚少，這種調控開花的機制在其它植物中是否高度保守，還有待進一步研究。解決這些問題，將有利于人們從分子水平上進一步理解光周期如何影響植物開花，有助于人們控制植物的開花，打破氣候條件的限制，增強作物適應環(huán)境變化的能力，服務于生產。

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Regulation of E3 Ubiquitin Ligase in Photoperiod Dependent Flowering

MADa1，LIWei1，2，DAILiang-ying1，2，*

（1 College of Plant Protection，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China；2 Crop Gene Engineering Key Laboratory of Hunan Province，Hunan Agricultural University，Changsha，Hunan 410128，China）

Flowering is very important in the development of plants，and the photoperiod is amain environmental factor affecting plant flowering.The E3 ubiquitin ligases plays an important role in regulation of photoperiod dependent flowering.Some of the components in photoperiod regulated flowering pathway are the targets of E3 ubiquitin ligase，which could be degraded by E3 ubiquitin ligase-mediated pathway to regulate flowering through affecting photoperiod signal.Here，we review the function and molecularmechanism of Arabidopsis E3 ubiquitin ligases in flowering pathway in regulating photoperiod dependent flowering.

Plant；Photoperiod regulation；Flowering；E3 ubiquitin ligase

Q945.4

A

1001-5280（2014）04-0424-04 DOI：10.3969／j.issn.1001-5280.2014.04.23

2014 02 17

馬 達（1989-），女，湖南龍山人，碩士研究生，Email：princessm2＠126.com。*通信作者：戴良英，教授，主要研究方向：微生物與植物分子互作，Email：daily＠hunau.net。

（20134320110013，20134320120001）；農業(yè)部轉基因專項（2013ZX080001-002）。