高秀華 傅向東

（中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 植物細(xì)胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101）

赤 霉 素（gibberellins或 gibberellic acid，GA）是一類屬于雙萜類化合物的植物激素，在植物整個生命周期中都起著重要作用，能促進(jìn)細(xì)胞分裂和伸長、種子萌發(fā)、下胚軸和莖稈伸長、根的生長及開花等［1-3］。20世紀(jì)30年代，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)GA能夠促進(jìn)植物生長。1926年，日本病理學(xué)家黑澤英一研究水稻“惡苗病”致病原因時，發(fā)現(xiàn)感染赤霉菌（Gibberella fujikuroi）的水稻植株會出現(xiàn)瘋長現(xiàn)象。將赤霉菌培養(yǎng)基的濾液噴施到健康水稻幼苗上，發(fā)現(xiàn)幼苗雖然沒有感染赤霉菌，但也會出現(xiàn)類似“惡苗病”的過度生長癥狀。1935年，日本藪田貞治郎和住木諭介從赤霉菌培養(yǎng)基的濾液中分離出這種活性物質(zhì)，鑒定了它的化學(xué)結(jié)構(gòu)，并將其命名為赤霉素。1956年，C.A.韋斯特和B.O.菲尼分別證明了高等植物中也普遍存在著類似的萜類化合物。迄今，已從不同維管植物、細(xì)菌及真菌中先后鑒定出了136種結(jié)構(gòu)明確的GAs，并按照時間順序?qū)⑺鼈兠麨镚A1-GA136。但是，只有部分GAs具有調(diào)節(jié)植物生長的生理效應(yīng)，如 GA1、GA3、GA4和 GA7等［4-5］。遺傳學(xué)的證據(jù)表明，盡管植物中已分離鑒定出GA3，但是在許多植物中GA1和GA4是主要的活性GAs。此外，在擬南芥和水稻中，GA4的活性成分強(qiáng)于GA1［6-8］。赤霉素作為植物生長調(diào)節(jié)劑已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在促進(jìn)種子萌發(fā)、莖稈伸長、果實發(fā)育以及提高植物耐逆性等方面發(fā)揮著重要作用。

植物需要產(chǎn)生和積累合適水平的活性GA以確保正常的生長發(fā)育。GA可以從合成位點轉(zhuǎn)運至生長發(fā)育過程中需要GA的組織或器官中［9］。近來的研究表明，GA轉(zhuǎn)運蛋白NPF（Nitrate transporter 1/peptide transporter family）家族及SWEET家族成員在GA的運輸過程中起了重要作用［10］。NPF3.1已被證明是植物中獨特的GA轉(zhuǎn)運體［11］。此外，GTR1（Glucosinolate transporter 1，即NPF2.10）也能夠轉(zhuǎn)運GA3［12］。目前，SWEET家族成員中僅SWEET13及SWEET14被報道為GA轉(zhuǎn)運蛋白［13］。有趣的是，SWEET13、SWEET14和NPF3的GA轉(zhuǎn)運活性并不局限于活性GA或特定的中間形式，而是可以運輸這兩種類型［11，13］。GA轉(zhuǎn)運蛋白的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步補(bǔ)充了GA可移動的證據(jù)，表明植物體內(nèi)存在一種有效的調(diào)節(jié)機(jī)制來指導(dǎo)GA的分布和在植物中流動，以確保合適的GA信號。

自20世紀(jì)60年代起，“綠色革命”中半矮化育種的大規(guī)模推廣大幅度地提高了世界主要糧食作物的產(chǎn)量。水稻和小麥的“綠色革命”都與赤霉素密切相關(guān)。水稻“綠色革命”基因sd1（semi-dwarf 1）編碼赤霉素生物合成途徑的一個關(guān)鍵酶GA20ox2；小麥“綠色革命”基因Rht1（Reduced height 1）編碼赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵調(diào)控元件DELLA蛋白［14-16］。近年來，隨著植物分子生物學(xué)和功能基因組學(xué)的發(fā)展，有關(guān)赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及GA-DELLA與其它激素和環(huán)境因子互作調(diào)控植物生長發(fā)育等研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。

1 赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

植物體內(nèi)存在GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)赤霉素受體感知GA信號后，激活信號傳遞通道，調(diào)控下游基因的表達(dá)，從而影響植物生長發(fā)育和形態(tài)建成。近年來，隨著擬南芥和水稻功能基因組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)及系統(tǒng)生物學(xué)的發(fā)展，人們已經(jīng)鑒定了多個參與GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的正/負(fù)調(diào)控因子，其中主要包括GA受體GID1蛋白、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的F-box蛋白及DELLA蛋白等［17-20］，為GA介導(dǎo)DELLA蛋白降解的分子模型的建立和赤霉素作用分子機(jī)理的解析奠定了基礎(chǔ)。

1.1 GID1蛋白：可溶性的GA受體

植物是如何感知GA信號并將其傳遞下去，從而引發(fā)一系列的生理學(xué)效應(yīng)的？可溶性GA受體GID1蛋白的發(fā)現(xiàn)可謂是GA信號研究領(lǐng)域取得的突破性進(jìn)展。2005年，日本科學(xué)家Ueguchi-Tanaka等［18］證實水稻GID1蛋白是一種可溶性的赤霉素受體，它能與活性GA結(jié)合，感知并傳遞GA信號，從而誘發(fā)一系列下游反應(yīng)。GID1基因編碼一種類似于激素敏感相關(guān)的脂肪酶HSL（Hormone sensitive lipase）蛋白。雖然它含有保守的HSL基序（motif）：HGG和GXSXG，但研究發(fā)現(xiàn)GID1蛋白本身并不具有水解酶活性。GID1蛋白能與水稻的DELLA蛋白SLR1（SLENDER RICE1）直接互作，而這種互作依賴于活性GA的存在［18］。GID1蛋白主要定位于細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)中，目前并沒有發(fā)現(xiàn)GID1在細(xì)胞膜上的定位。因此，是否存在質(zhì)膜定位的GA受體還需進(jìn)一步研究。

Nakajima等［21-23］從擬南芥中克隆了水稻GID1的3個同源基因：分別是AtGID1a，AtGID1b和AtGID1c。它們對活性GA都具有較強(qiáng)的結(jié)合能力，同時在GA存在的條件下均能夠直接與DELLA蛋白相互作用。由于這3個基因在功能上存在冗余，因此單突變體沒有明顯的GA不敏感的表型，而三突變體則對GA信號完全喪失響應(yīng)且生長發(fā)育受到抑制。但是在不同的生長發(fā)育階段，3個功能基因的表達(dá)模式及作用不盡相同，例如，AtGID1a在座果形成中發(fā)揮重要作用，而AtGID1b和AtGID1c分別在種子發(fā)育和果莢伸長等方面具有重要功能［24］。

赤霉素受體GID1蛋白晶體結(jié)構(gòu)的闡述對揭示GID1生物學(xué)功能和GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的分子機(jī)制提供了重要信息。2008年，日本兩個研究小組成功解析了水稻GID1-GA-DELLA復(fù)合體以及擬南芥GID1a-GA-DELLA復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)［25-26］。對GID1蛋白晶體結(jié)構(gòu)的解析發(fā)現(xiàn)GID1是一個球狀的單體蛋白，其C端的核心結(jié)構(gòu)形成GA結(jié)合的口袋，N端延伸結(jié)構(gòu)形成了蓋住口袋的蓋子。GID1蛋白與活性GA結(jié)合后形成類似于HSL的結(jié)構(gòu)：它們都是一種α/β水解酶折疊結(jié)構(gòu)，由中心8條β折疊且β折疊兩側(cè)由α螺旋緊密連接組成，GA與GID1的結(jié)合位點與HSL的活性位點一致［27］。根據(jù)復(fù)合體的晶體結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們提出了GID1蛋白的“變構(gòu)學(xué)說”。活性GA和GID1蛋白C端的核心結(jié)構(gòu)結(jié)合后，促使GID1蛋白 N端蓋住GA結(jié)合的口袋，并將GA分子包在結(jié)合它的口袋中（類似于關(guān)閉蓋子），進(jìn)而誘導(dǎo)GID1蛋白構(gòu)象轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生可與DELLA蛋白結(jié)合的疏水表面，促進(jìn)GID1-GA-DELLA蛋白復(fù)合體的形成［2］。

近來的研究表明，GID1蛋白能夠被E3泛素連接 酶 GARU（GA receptor RING E3 ubiquitin ligase）泛素化并經(jīng)由蛋白酶體途徑降解［28］。GID1能夠與GARU在體內(nèi)互作。染料木黃酮（Genistein）是酪氨酸激酶的抑制劑，染料木黃酮處理增強(qiáng)GID1A的泛素化，然而GA處理則抑制其泛素化。植物酪氨酸激酶TAGK2是染料木黃酮的靶標(biāo)，能磷酸化GARU 321位的酪氨酸（Tyr321）進(jìn)而抑制GARUGID1A的相互作用。染料木黃酮誘導(dǎo)GID1的降解及DELLA蛋白的積累。相反，garu突變及過表達(dá)TAGK2則會促進(jìn)GID1穩(wěn)定及DELLA蛋白的降解。因此GA的響應(yīng)受GARU-依賴的GID1泛素化負(fù)調(diào)控，而TAGK2磷酸化GARU的酪氨酸則能正調(diào)控GA的響應(yīng)［28］。這些研究結(jié)果進(jìn)一步闡明了GID1蛋白的降解途徑。

1.2 DELLA蛋白：GA信號途徑中的調(diào)節(jié)子

通過遺傳篩選和生化研究，科學(xué)家們分離鑒定了GA信號通路中的關(guān)鍵組分DELLA蛋白，它主要起阻遏作用，其N端都含有保守的DELLA結(jié)構(gòu)域。已分離的DELLA蛋白主要有玉米的d8（dwarf 8）、小麥的Rht1、水稻的SLR1、大麥的SLN1（SLENDER1）、 葡 萄 的 VvGAI及 番 茄 中 的PROCERA［29-30］。擬南芥中含有5個DELLA蛋白：GAI（GA insensitive）、RGA（repressor of ga1-3）、RGLl（RGA-Like1）、RGL2 和 RGL3［31-35］。 此 外，GAI和RGA蛋白與擬南芥的SCR（SCARECROW）蛋白在C端同源性較高，屬植物特異的GRAS（GAI、RGA和SCR）蛋白家族成員［36］。

DELLA蛋白的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其N端具有典型的DELLA和VHYNP結(jié)構(gòu)域，中間是多聚Ser/Thr/Val結(jié)構(gòu)域，C端則是GRAS結(jié)構(gòu)域。進(jìn)一步的研究表明，DELLA和VHYNP結(jié)構(gòu)域是GA信號響應(yīng)的功能域，主要介導(dǎo)DELLA與GID1蛋白的相互作用［31，37-38］。多聚 Ser/Thr/Val（多聚 S/T/V），通常作為磷酸化和糖基化的靶位點，是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。C端的GRAS結(jié)構(gòu)域主要有兩個亮氨酸重復(fù)序列LHR（Leu heptad repeat）及一個核定位信號結(jié)構(gòu)域（nuclear localization signal，NLS）和3個保守的VHIID、PFYRE及SAW等結(jié)構(gòu)域。亮氨酸重復(fù)（LHR）介導(dǎo)蛋白-蛋白間相互作用；而VHIID、PFYRE及SAW等結(jié)構(gòu)域是阻遏結(jié)構(gòu)域，介導(dǎo)GID1與F-box蛋白的相互作用［38］。

圖1 DELLA蛋白結(jié)構(gòu)示意圖

DELLA結(jié)構(gòu)域是GRAS蛋白家族中DELLA亞家族蛋白獨有的，該結(jié)構(gòu)域的功能與GA響應(yīng)有關(guān)。擬南芥gai是一個對外源GA處理不敏感的半顯性矮化突變體［39］，它是由于GAI基因的一個51 bp堿基缺失突變，導(dǎo)致DELLA結(jié)構(gòu)域中17個氨基酸丟失而造成。而RGA基因缺失相同的51 bp序列（rga-Δ17），其轉(zhuǎn)基因擬南芥植株也會產(chǎn)生GA不敏感的嚴(yán)重矮化表型［31］。這些研究表明DELLA結(jié)構(gòu)域的突變使gai（或者rga-Δ17）蛋白成為GA響應(yīng)的組成型抑制子，阻遏GA介導(dǎo)的植物生長發(fā)育。GA促進(jìn)植物的生長發(fā)育是通過解除DELLA蛋白的阻遏作用實現(xiàn)的，當(dāng)DELLA蛋白感知GA信號后，DELLA蛋白的阻遏作用被解除，植株表現(xiàn)出正常生長發(fā)育。如果DELLA蛋白的GA響應(yīng)功能域突變，使之不能感知GA信號，那么DELLA蛋白便組成性地阻遏植物生長發(fā)育，這類突變體表現(xiàn)為植株矮化、葉色深綠和晚花等類似GA缺失突變體表型，但對外源GA處理不敏感［34］。

1.3 DELLA蛋白降解依賴SCFSLY1/GID2/SNE

SCF（Skp1/cullin/F-box）復(fù)合體是26S蛋白酶體降解體系中的E3泛素連接酶，其中的F-box蛋白是SCF復(fù)合體的一個亞基，它決定了底物識別的特異性。在赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中，DELLA蛋白的降解依賴泛素-蛋白酶體降解途徑［40-41］。遺傳學(xué)研究表明，擬南芥中的SLY1及水稻中的同源基因GID2編碼F-box蛋白，是GA信號中的正調(diào)控因子［42］。

功能喪失的sly1突變體不能降解DELLA蛋白并且表現(xiàn)出GA不敏感的矮化表型［40］。DELLA蛋白能與SLY1蛋白在體內(nèi)直接互作，表明DELLA蛋白是SLY1蛋白的直接靶標(biāo)［42-43］。因此，SLY1蛋白作為SCFSLY1/GID2蛋白復(fù)合體組分之一，介導(dǎo)了GA誘導(dǎo)的DELLA蛋白的降解。當(dāng)GA處理或有GA信號時，SLY1能特異地與DELLA蛋白發(fā)生親和反應(yīng)，通過26S蛋白酶體蛋白降解途徑降解DELLA蛋白，從而去除DELLA蛋白的阻遏作用，實現(xiàn)GA的應(yīng)答反應(yīng)。

近來的研究表明，E3類泛素化（small ubiquitinlike modifier，SUMO）連接酶AtSIZ1能夠與SLY1蛋白互作，并通過類泛素化SLY1進(jìn)而正調(diào)控SLY1介導(dǎo)的GA信號［44］。與野生型相比，atsiz1-2突變體中的SLY1蛋白減少而DELLA蛋白增多。此外，GA促進(jìn)SLY1的類泛素化，且類泛素化的SLY1與DELLA蛋白互作，調(diào)控DELLA蛋白的降解。這些研究表明SLY1的類泛素化對于GA介導(dǎo)的DELLA蛋白的降解也非常重要［44］。

擬南芥中SLY1的同源基因為SNEEZY（SNE）或 SLEEPY2（SLY2），全長的SLY1與SNE基因在DNA及氨基酸序列上分別有55%及33%的相似性［45］。與sly1突變體相比，sly1 sne雙突變體表現(xiàn)出嚴(yán)重矮化表型，且育性顯著降低，表明SNE也是GA信號通路中功能冗余的正調(diào)控子［46］。此外，過量表達(dá)SNE（SLY2）能部分恢復(fù)sly1突變體的矮化表型，表明 SNE 在功能上能夠替代 SLY1［43，47］。然而，在sly1突變體中過量表達(dá)SLY1能夠?qū)е翿GA及RGL2蛋白的降解，但是在sly1突變體中過量表達(dá)SNE，只能導(dǎo)致RGA蛋白水平的降低，RGL2蛋白水平并不改變，表明SNE與SLY1的功能并不完成相同［45］。盡管AtSIZ1能與SLY1互作，但是AtSIZ1不能與SLY2互作，表明AtSIZ1以SLY1依賴的方式介導(dǎo)GA的響應(yīng)［44］。

1.4 GID1介導(dǎo)DELLA蛋白降解的分子模型

近年來，隨著GID1、SLY1/GID2及DELLA蛋白功能研究的不斷深入，人們對GA作用機(jī)理及其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有了非常清晰的認(rèn)識。在GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，DELLA蛋白主要起阻遏作用并抑制植物生長發(fā)育，而GA促進(jìn)植物生長發(fā)育是通過降解DELLA蛋白實現(xiàn)的。水稻GID2、擬南芥SLY1和SNE蛋白是SCFSLY1/GID2/SNEE3泛素連接酶蛋白復(fù)合體中的F-Box蛋白，而植物感知GA信號則依賴于GA受體GID1蛋白。當(dāng)活性GA分子與受體GID1蛋白結(jié)合后，GA-GID1復(fù)合體與DELLA蛋白N端結(jié)合，導(dǎo)致DELLA蛋白構(gòu)象改變并允許DELLA蛋白C端與SCFSLY1/GID2/SNE相互作用，GID1-GA-DELLA蛋白復(fù)合體的形成增強(qiáng)了DELLA與SCFSLY1/GID2/SNE間的互作，導(dǎo)致DELLA蛋白被泛素化，并經(jīng)由26S蛋白酶復(fù)合體降解，進(jìn)而解除DELLA蛋白的阻遏作用（圖 2）［19-20，48］。

圖2 DELLA蛋白介導(dǎo)的GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模型

1.5 DELLA蛋白修飾在GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用

盡管蛋白酶體依賴的DELLA蛋白降解途徑能夠解釋大多數(shù)的GA響應(yīng)，但是與GA合成缺陷的ga1-3突變體及gid1突變體相比，sly1及gid2突變體積累了更多的DELLA蛋白但并未表現(xiàn)出更加嚴(yán)重的矮化表型。研究表明，當(dāng)存在有功能的DELLA結(jié)構(gòu)域時，單獨的GA和GID1蛋白就能去除DELLA蛋白的阻遏作用，而不需要SLY1/GID2介導(dǎo)的DELLA蛋白的降解［49］。過量表達(dá)GID1通過增加GA-GID1-DELLA復(fù)合體的形成進(jìn)而解除了sly1-2突變體的種子休眠表型［50］。因此，可能存在另外一條不依賴于蛋白酶體降解的途徑，這種途徑可能是通過直接的蛋白-蛋白相互作用或者非直接地轉(zhuǎn)錄后修飾完成的［49，51］。

近年來的研究表明，植物體內(nèi)還存在磷酸化、糖基化和類泛素化等其他蛋白修飾作用影響DELLA蛋白活性。在水稻中的研究發(fā)現(xiàn)EL1（EARLY FLOWERING1），編碼一種酪蛋白激酶，可以磷酸化SLR1，而SLR1中預(yù)測的磷酸化位點突變可以顯著改變其對GA的響應(yīng)，表明磷酸化的DELLA蛋白對于其活性和生物學(xué)功能具有重要的作用［52］。此外，磷酸酶TOPP4作為GA信號中的正調(diào)控因子，通過直接去磷酸化DELLA蛋白，進(jìn)而促進(jìn)GA介導(dǎo)的DELLA蛋白的降解［53］。糖基化修飾也在GA信號通路中起重要作用。SPY（SPINDLY）是GA信號途徑負(fù)調(diào)控因子，SPY基因編碼O-連N-乙?；咸烟寝D(zhuǎn)移酶（O-linked N-acetylglucosamine（O-GlcNAc）transferases，OGTs）， 能 O-GlcNAc 糖 基 化 修 飾DELLA蛋白［54-57］。擬南芥的O-連N-乙?；咸烟寝D(zhuǎn)移酶SECRET AGENT（SEC）也能夠修飾DELLA蛋白。遺傳學(xué)分析表明，SEC和SPY在調(diào)控GA信號中發(fā)揮的作用不同。SEC是GA響應(yīng)的正調(diào)控因子，而SPY是負(fù)調(diào)控因子。在煙草細(xì)胞瞬時表達(dá)體系中，DELLA蛋白能夠被SEC O-GlcNAc糖基化但不能被SPY O-GlcNAc糖基化。此外，O-GlcNAc糖基化的RGA抑制了其與互作蛋白PHYTOCHROMEINTERACTING FACTOR 3（PIF3）、PIF4、JA ZIM domain protein 1（JAZ1） 及 BRASSINAZOLERESISTANT 1（BZR1）的結(jié)合，表明O-GlcNAc糖基化修飾的DELLA蛋白能整合發(fā)育和環(huán)境信號精細(xì)調(diào)控GA響應(yīng)［58］。最近研究表明，SPY作為新的O-巖藻糖轉(zhuǎn)移酶（O-fucosyltransferase）可以O(shè)-巖藻糖基化修飾DELLA蛋白，這種O-巖藻糖基化修飾增強(qiáng)了DELLA蛋白的活性，促進(jìn)了DELLA蛋白與PIF3、PIF4及BZR1互作，然而SEC O-GlcNAc糖基化修飾DELLA蛋白抑制了這種互作［59］。DELLA蛋白的類泛素化修飾（sumoylation）對于其活性和穩(wěn)定性也起了重要作用。DELLA蛋白的羧基端能夠被類泛素化修飾，GID1也含有類泛素化-互作基序。類泛素化的DELLA蛋白能夠以GA非依賴的方式與GID1的類泛素化-互作基序互作，導(dǎo)致非類泛素化的DELLA蛋白積累，阻礙植物生長，以利于植物適應(yīng)逆境環(huán)境［60］。

綜上所述，磷酸化、糖基化和類泛素化等修飾作用對于DELLA蛋白的活性和穩(wěn)定性具有重要的影響，不同修飾的DELLA蛋白整合發(fā)育和環(huán)境信號精細(xì)調(diào)控GA響應(yīng)。

2 GA-DELLA整合其它激素和環(huán)境因子信號調(diào)控植物生長發(fā)育的機(jī)理

越來越多的研究表明，DELLA蛋白作為GA信號途徑中的調(diào)控因子，能夠整合多種激素和環(huán)境信號調(diào)控植物的生長發(fā)育。DELLA蛋白缺少DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，且也沒有直接的證據(jù)表明DELLA蛋白能夠直接結(jié)合DNA。因此，DELLA蛋白調(diào)控靶基因的表達(dá)可能通過以下方式：一是，DELLA蛋白與轉(zhuǎn)錄因子互作，抑制轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合活性，從而抑制靶基因的表達(dá)；二是，DELLA蛋白與其它的轉(zhuǎn)錄因子互作，作為轉(zhuǎn)錄激活子，調(diào)控下游靶基因的表達(dá)（圖3）［61-62］。此外，DELLA蛋白還可以作為非轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，調(diào)控植物生長發(fā)育。

圖3 DELLA整合其它激素和環(huán)境因子信號調(diào)控植物生長發(fā)育

2.1 DELLA作為轉(zhuǎn)錄抑制子整合激素和環(huán)境信號調(diào)控植物的生長發(fā)育

光和GA調(diào)控植物生長發(fā)育的多個過程。光誘導(dǎo)光形態(tài)建成，抑制下胚軸的伸長，然而GA促進(jìn)黃化苗的生長及下胚軸的伸長。DELLA蛋白能夠與bHLH轉(zhuǎn)錄因子家族的PIF3和PIF4互作，通過結(jié)合到這些轉(zhuǎn)錄因子的DNA結(jié)合區(qū)域，抑制PIFs靶基因的表達(dá)進(jìn)而抑制下胚軸的伸長［63-64］。GA誘導(dǎo)DELLA蛋白的降解，釋放出PIFs，促進(jìn)PIFs激活基因的表達(dá)。因此，DELLA與PIFs互作整合GA和光信號進(jìn)而調(diào)控植物的光形態(tài)建成（圖3）。

GA與油菜素內(nèi)酯BR（Brassinosteroide）在調(diào)控植物的生長發(fā)育中也存在互作。在擬南芥中，轉(zhuǎn)錄因子BZR1及BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 1 EMS-SUPPRESSOR1（BES1）是BR信號途徑中的正調(diào)控因子。DELLA蛋白與BZR1的直接互作阻礙了BZR1結(jié)合到BR調(diào)控基因的啟動子區(qū)，從而抑制靶基因的表達(dá)，GA誘導(dǎo)DELLA蛋白降解后，釋放出BZR1，解除了這種抑制［65-67］。此外，DELLA及BZR1能夠與PIF4互作形成DELLA-BZR1-PIF4復(fù)合體，從而整合GA、BR及環(huán)境信號共同調(diào)控植物的生長發(fā)育［65，68］。進(jìn)一步研究表明，DELLA蛋白能夠與生長素響應(yīng)因子ARF6（Auxin response factor 6）互作，與BZR1及PIF4形成BZR1-ARF6-PIF-DELLA復(fù)合體，共同調(diào)控擬南芥下胚軸細(xì)胞的伸長［69］（圖 3）。

GA與乙烯信號在調(diào)控擬南芥頂端彎鉤發(fā)育過程中也存在互作。乙烯通過促進(jìn)下游轉(zhuǎn)錄因子ETHYLENE INSENSITIVE3（EIN3）及 EIN3-like（EIL）的積累，從而激活乙烯的信號響應(yīng)。頂端彎鉤形成的重要調(diào)控元件HLS1（HOOKLESS 1）是乙烯信號元件EIN3的直接靶基因。DELLA蛋白通過與EIN3/EIL1互 作， 抑 制 HLS1及RAP2.3（RELATED TO APETALA2.3）的表達(dá)及頂端彎鉤的形成［70-71］。DELLA蛋白通過與EIN3/EIL1直接互作，抑制EIN3/EIL1的轉(zhuǎn)錄活性，從而拮抗乙烯的響應(yīng)。DELLAEIN3互作進(jìn)一步揭示GA與乙烯共同調(diào)控頂端彎鉤發(fā)育的作用機(jī)理（圖3）。

近來的研究表明，植物特異的轉(zhuǎn)錄因子TCP（TEOSINTE BRANCHED1/CYCLOIDEA/PROLIFERATING CELL FACTOR）參與獨腳金內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，能夠抑制植物分枝［72-75］。DELLA蛋白能夠與I類的TCP轉(zhuǎn)錄因子（如TCP14和TCP15）互作，通過結(jié)合到TCP的DNA識別區(qū)域而阻礙TCP的功能［76-77］（圖 3）。在酵母中 DELLA 蛋白 SLR1能夠與獨腳金內(nèi)酯的受體D14（DWARF14）互作，表明GA信號與獨腳金內(nèi)酯也存在互作［78］。然而，DELLA-D14互作的功能還需要進(jìn)一步研究。

茉莉酸（Jasmonic acid，JA）也是重要的植物激素，調(diào)控植物的生長發(fā)育及脅迫響應(yīng)。研究表明GA和JA拮抗調(diào)控植物的生長發(fā)育及對生物及非生物脅迫的響應(yīng)。JAZ是茉莉酸信號中的關(guān)鍵抑制子，JAZ1在JA信號途徑中能與下游的關(guān)鍵正調(diào)控因子MYC2（JASMONATE INSENSITIVE1，JIN1/MYC2）相互作用，抑制MYC2對下游基因表達(dá)的調(diào)控作用。DELLA與JAZ互作抑制了JAZ的活性，增強(qiáng)了MYC2調(diào)控的JA介導(dǎo)的根的生長抑制及對病原菌Pst DC3000（Pseudomonas syringae pv tomato DC3000）的敏感性［79-81］。此外，DELLA和JAZ能夠與WD-repeat/bHLH/MYB復(fù)合體中的成員GL3/EGL3及GL1互作，協(xié)同GA與JA信號調(diào)控毛狀體的發(fā)育［82-84］（圖 3）。

在調(diào)控擬南芥開花方面，DELLA蛋白能夠與轉(zhuǎn)錄因子SPL（SQUAMOSA PROMOTER BINDINGLIKE）互作，SPL通過激活miR172及MADS-box基因的表達(dá)進(jìn)而促進(jìn)開花。長日照條件下，DELLA蛋白與SPL蛋白互作干擾了SPL的轉(zhuǎn)錄活性，降低了葉中miR172的表達(dá)及頂端分生組織中MADS基因的表達(dá)，使得開花延遲［85］（圖3）。在擬南芥中GA通過激活開花決定基因比如LEAFY（LFY）及SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION CONSTANS1（SOC1）進(jìn)而促進(jìn)開花。DELLA蛋白通過抑制LFY及SOC1的表達(dá)進(jìn)而抑制短日照條件下的開花［86-89］。近來的研究表明，DELLA蛋白能夠與重要的開花激活子CONSTANS（CO）互作，通過抑制CO的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控長日照條件下擬南芥的開花［90］（圖3）。此外，DELLA蛋白能夠與bHLH48 及 bHLH60互作，調(diào)控長日照條件下的開花［91］。DELLA蛋白也能夠與WRKY12、WRKY13及WRKY75互作，調(diào)控擬南芥的開花時間［92-93］。其它DELLA互作蛋白包括BOTRYTIS SUSCEPTIBLE1 INTERACTOR（BOI），BOI-RELATED GENE1（BRG1），BRG2 及 BRG3，統(tǒng)稱為BOIs，屬于RING結(jié)構(gòu)域蛋白家族。DELLA能與BOIs互作形成復(fù)合體，結(jié)合到GA響應(yīng)基因的啟動子區(qū)，抑制基因的響應(yīng)，進(jìn)而調(diào)控種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長到生殖生長的轉(zhuǎn)變及開花時間等［94］。

此外，在調(diào)控果實的發(fā)育方面，DELLA能夠與bHLH家族成員ALCATRAZ（ALC）互作，抑制ALC靶基因的表達(dá)，調(diào)控離層的分化，進(jìn)而調(diào)節(jié)果實的著生形態(tài)［95］。另有報道指出DELLA蛋白可以與同屬于bHLH家族的SPT（SPATULA）相互作用，共同調(diào)控種子的萌發(fā)和子葉的擴(kuò)張［96，97］（圖3）。

2.2 DELLA作為轉(zhuǎn)錄激活子整合激素和環(huán)境信號調(diào)控植物的生長發(fā)育

除了作為轉(zhuǎn)錄抑制子，DELLA蛋白也能夠作為轉(zhuǎn)錄激活子發(fā)揮作用。已有的研究表明，GA和ABA在調(diào)控種子的休眠和萌發(fā)中起拮抗作用?；钚訥A促進(jìn)種子的萌發(fā)，而ABA卻維持種子的休眠［98］。遺傳學(xué)的研究表明，ABA信號途徑中的轉(zhuǎn)錄因子ABSCISIC ACID INSENSITIVE 3（ABI3）及 ABI5 負(fù)調(diào)控種子的萌發(fā)［99］。近來研究表明，含有C3H鋅指蛋白SOMNUS基因負(fù)調(diào)控種子的萌發(fā)，DELLA蛋白能與ABI3和ABI5蛋白互作形成復(fù)合體，結(jié)合在SOMNUS等基因的啟動子區(qū)，激活這些基因的表達(dá)，從而調(diào)控逆境下種子的萌發(fā)［100］。DELLA蛋白與ABI3和ABI5互作揭示了GA與ABA互作調(diào)控種子萌發(fā)的機(jī)制（圖3）。

在擬南芥中SCL3（SCARECROW-LIKE 3）是GA信號中的正調(diào)控因子，SCL3的表達(dá)受DELLA的誘導(dǎo)但受GA的抑制。SCL3與DELLA蛋白互作通過拮抗DELLA蛋白的活性，進(jìn)而調(diào)控根的生長和種子的萌發(fā)［101-102］。擬南芥的基因組中含有16個含鋅指結(jié)構(gòu)域的INDETERMINATE DOMAIN（IDD）蛋白［103］，其中 IDD1、IDD3、IDD5、IDD9、IDD10 及IDD的同源蛋白GAF1能夠與DELLA蛋白互作，調(diào)控GA響應(yīng)［104-107］。IDD1與DELLA蛋白互作調(diào)控種子的休眠［104］；IDD3、IDD5、IDD9及 IDD10不僅與DELLA蛋白互作，也與SCL3互作。DELLA、SCL3及IDDs三個蛋白共同組成“共激活子/共抑制子調(diào)控系統(tǒng)”精細(xì)調(diào)控 GA 響應(yīng)［61，106］（圖 3）。在該系統(tǒng)中，DELLA蛋白作為共激活子，DELLA與IDD互作增強(qiáng)了SCL3的表達(dá)。此外，積累的SCL3作為共抑制子，SCL3-IDD蛋白復(fù)合體的增加抑制了SCL3 自身的表達(dá)［61，106］。

GA與細(xì)胞分裂素在調(diào)控植物的多個發(fā)育進(jìn)程中發(fā)揮拮抗作用［108］。ARR1（Arabidopsis response regulator 1）是細(xì)胞分裂素信號通路中重要的轉(zhuǎn)錄因子，DELLA蛋白能夠與ARR1互作，激活響應(yīng)基因的表達(dá)，調(diào)控根的生長及光形態(tài)建成［109-110］（圖3）。DELLA/ARR異二聚體揭示了GA與細(xì)胞分裂素互作的新調(diào)控機(jī)制，這與DELLA/IDD復(fù)合體類似，能轉(zhuǎn)錄激活目標(biāo)基因的表達(dá)［106］。

2.3 DELLA作為非轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子調(diào)控植物生長發(fā)育

除了作為轉(zhuǎn)錄激活子或者轉(zhuǎn)錄抑制子外，DELLA 蛋白還可作為非轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子調(diào)控細(xì)胞的增殖。GA通過PFD（Prefoldin）復(fù)合體調(diào)控皮質(zhì)微管Cortical Microtubule（cMT）的排列。PFD3及PFD5是微管蛋白伴侶分子，作用在胞質(zhì)中協(xié)調(diào)細(xì)胞增殖過程中微管蛋白的組織及聚合［111］。PFD復(fù)合體在細(xì)胞核中不能發(fā)揮功能，但是可被轉(zhuǎn)運至胞質(zhì)中促進(jìn)微管蛋白的折疊（tubulin folding）。DELLA蛋白能夠與PFD3及PFD5互作，使PFD被限制在細(xì)胞核內(nèi)并導(dǎo)致其不能在胞質(zhì)中發(fā)揮功能。當(dāng)有活性GA存在時，DELLA蛋白被降解，PFDs釋放到胞質(zhì)中促進(jìn)微管蛋白二聚化［112］。因此，GA可以通過DELLA-PFD-tubulin folding-cMT聚合級聯(lián)調(diào)控皮質(zhì)微管的排列［113］。

除了調(diào)控微管蛋白的折疊外，DELLA蛋白作為非轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子還參與到蛋白轉(zhuǎn)運過程中。Salanenka等［114］的研究表明，GA能平衡蛋白質(zhì)在液泡降解途徑及返回細(xì)胞表面的轉(zhuǎn)運過程。低GA水平促進(jìn)轉(zhuǎn)運物（包括PIN蛋白）向液泡傳遞和降解，而高GA水平促進(jìn)它們再循環(huán)到質(zhì)膜。GA的這種效應(yīng)需要蛋白質(zhì)逆向運輸復(fù)合體（Retromer）組分，例如，Sorting Nexin 1（SNX1）及與它互作的微管相關(guān)蛋白CLASP1（the cytoplasmic linker-associated protein 1）。GA調(diào)控SNX1及CLASP1的亞細(xì)胞分布，且GA在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運中的效應(yīng)需要完整的微管細(xì)胞骨架。如前所述，DELLA蛋白能夠與PFDs互作調(diào)控微管蛋白的折疊。因此，DELLA蛋白除了轉(zhuǎn)錄調(diào)控外，還可以通過其互作蛋白PFDs及下游的MT/CLASP1模塊，調(diào)控蛋白質(zhì)逆向運輸復(fù)合體的活性及蛋白質(zhì)從液泡途徑到質(zhì)膜的雙向轉(zhuǎn)運。通過這種機(jī)制，GA能夠調(diào)控諸多轉(zhuǎn)運蛋白和受體重新定位進(jìn)出細(xì)胞表面，從而調(diào)控一系列細(xì)胞過程，包括生長過程中細(xì)胞的增殖。

綜上所述，DELLA蛋白作為GA信號途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子，通過與其它不同信號途徑中的轉(zhuǎn)錄因子及非轉(zhuǎn)錄因子相互作用，影響下游基因的表達(dá)，從而實現(xiàn)對根的生長、下胚軸伸長、頂端彎鉤的發(fā)育、開花、果實發(fā)育、植物光形態(tài)建成和防御反應(yīng)等多種植物發(fā)育階段和生理反應(yīng)的調(diào)控。目前人們對這個復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)控過程的認(rèn)識還有待進(jìn)一步闡明。

3 總結(jié)與展望

GA-DELLA在調(diào)控植物的生長發(fā)育和脅迫反應(yīng)中扮演了重要的作用。近年來的研究已從分子水平上揭示了GA通過GID1介導(dǎo)的DELLA蛋白的降解來促進(jìn)植物的生長發(fā)育。盡管可溶性的GA受體GID1也存在細(xì)胞質(zhì)中，但是GA-GID1-DELLA蛋白復(fù)合體定位在細(xì)胞核中。在谷物的糊粉層細(xì)胞中，GA誘導(dǎo)的α-淀粉酶的產(chǎn)生可能需要質(zhì)膜定位的受體。因此，是否存在膜定位的依賴于GID1但是不依賴于DELLA蛋白的GA信號通路的共受體，還需進(jìn)一步研究。去阻遏調(diào)控機(jī)制表明GA促進(jìn)植物的生長發(fā)育是通過降解DELLA蛋白實現(xiàn)的。然而，對DELLA相關(guān)突變體的研究暗示，植物體內(nèi)可能存在不依賴于DELLA蛋白的GA信號傳遞過程［115］。在Maymon等［116］的研究中，GA能夠抵抗細(xì)胞分裂素對莖稈伸長的抑制作用，但是這個過程并不完全依賴于DELLA蛋白，因為DELLA缺失突變體global（缺失 GAI、RGA、RGL1、RGL2及RGL3）對細(xì)胞分裂素并沒有表現(xiàn)出完全不敏感的特點，暗示還有DELLA以外的因子參與該信號傳遞過程。此外，在研究global和ga1 global突變體時發(fā)現(xiàn)DELLA蛋白缺失并不等于GA作用完全飽和，global突變體仍然能夠響應(yīng)GA對單性結(jié)實果莢伸長的促進(jìn)作用［117］。另外研究表明，GA誘導(dǎo)的細(xì)胞質(zhì)中鈣離子（［Ca2+］cyt）的增加不依賴于DELLA蛋白的降解，在DELLA蛋白不能降解的轉(zhuǎn)基因材料（RGAΔ17）及global突變體中，GA處理仍能快速增加細(xì)胞質(zhì)中鈣離子［118］。這些實驗現(xiàn)象揭示，在已知的GADELLA信號調(diào)控模式之外，還可能存在未知的不依賴DELLA蛋白的信號調(diào)控模式參與GA響應(yīng)，目前這種不依賴于DELLA蛋白的GA信號組分還需鑒定。DELLA蛋白的磷酸化、糖基化及類泛素化修飾對于DELLA蛋白的穩(wěn)定性和活性至關(guān)重要，但是這些修飾的分子機(jī)制并不清楚。越來越多的證據(jù)表明，DELLA蛋白能夠與各種轉(zhuǎn)錄因子互作，通過GA誘導(dǎo)的DELLA蛋白的降解，整合發(fā)育和環(huán)境信號調(diào)控細(xì)胞的分裂和分化。然而，GA動態(tài)調(diào)控DELLA相關(guān)復(fù)合體響應(yīng)發(fā)育和環(huán)境信號的分子機(jī)制尚未可知，DELLA蛋白與其互作蛋白動態(tài)結(jié)合的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步闡述。水稻“綠色革命”基因sd1是赤霉素生物合成途徑的一個關(guān)鍵酶，小麥“綠色革命”基因Rht1是赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵成員——DELLA蛋白本身。今后利用遺傳、生化及系統(tǒng)生物學(xué)的方法，進(jìn)一步鑒定GA-DELLA響應(yīng)的新組分及調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)對GA的生物學(xué)效應(yīng)與其信號傳遞途徑的分子機(jī)制研究，無論對于我們理解植物生長發(fā)育與GA的作用機(jī)理，還是對于赤霉素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，都具有非常重要的意義。