曾冰潔, 閻晉東 , 楊 飄 , 周 娟, 李新梅 , 趙小英*

(1.湖南大學(xué) 生物學(xué)院 植物功能基因組學(xué)與發(fā)育調(diào)控湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082；2.湖南大學(xué) 深圳研究院，廣東 深圳 518057)

植物的生長(zhǎng)受到多種環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度、光照等。光不僅是能量來(lái)源，也作為周圍環(huán)境的一部分影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。植物能夠通過(guò)各類光受體敏銳地感知光質(zhì)和光強(qiáng)的變化，進(jìn)而適應(yīng)環(huán)境的變化。植物體內(nèi)有一類紅光/遠(yuǎn)紅光受體：光敏色素[1](Phytochromes)和兩類藍(lán)光受體：隱花色素[2]和向光素[3]。在擬南芥中，主要含有兩種同源的隱花色素，CRY1和CRY2。CRY1主要參與藍(lán)光對(duì)下胚軸伸長(zhǎng)的抑制作用[4]，CRY2則主要參與調(diào)控植物的開花時(shí)間[5]。擬南芥的向光素也有兩種，即phot1和 phot2，主要參與控制植物的向光性[3]。F-box蛋白家族成員ZEITLUPE (ZTL)，F(xiàn)LAVIN-BINDING KELCH REPEAT F-BOX1 (FKF1)和LOV KELCH PROTEIN2 (LKP2)含有與向光素高度類似的LOV(Light,Oxygen, or Voltage)結(jié)構(gòu)域[6]，能夠吸收藍(lán)光，被證明作為藍(lán)光受體在植物體內(nèi)發(fā)揮作用[7-9]。本文對(duì)ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族的生物學(xué)功能研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，探討其作用機(jī)制。

1 ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族的結(jié)構(gòu)

ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族包含了三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：LOV (Light,Oxygen, or Voltage)、F-box和Kelch repeats(見(jiàn)圖1)[10]。LOV結(jié)構(gòu)域是一個(gè)小的光感原件，屬于PAS結(jié)構(gòu)域大家族中的一員[11]。ZTL/FKF1/LKP2家族成員的LOV結(jié)構(gòu)域通過(guò)結(jié)合黃素單核苷酸(其作為發(fā)色團(tuán))而參與藍(lán)光感知。F-box結(jié)構(gòu)域通過(guò)與ASK蛋白家族成員結(jié)合參與形SKP1/CUL1/F-box (SCF)泛素連接酶復(fù)合體[12]。kelch重復(fù)結(jié)構(gòu)域由kelch基序的5～7個(gè)串聯(lián)重復(fù)組成，并形成β-螺旋槳結(jié)構(gòu),是典型的蛋白互作結(jié)構(gòu)域[13]。F-box蛋白在SCF復(fù)合體中通過(guò)其kelch結(jié)構(gòu)域參與識(shí)別和結(jié)合靶蛋白，促進(jìn)靶蛋白被泛素化降解[14]。ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族在植物體內(nèi)通常通過(guò)其F-box結(jié)構(gòu)域和kelch結(jié)構(gòu)域，行使SCF泛素連接酶的功能[15-16]。因此，這三個(gè)功能結(jié)構(gòu)域賦予ZTL/FKF1/LKP2即能作為藍(lán)光受體在植物體內(nèi)參與光信號(hào)傳導(dǎo)，也具有F-box蛋白的功能。ZTL/FKF1/LKP2通常介導(dǎo)靶蛋白以藍(lán)光依賴的方式通過(guò)泛素蛋白酶體途徑降解，進(jìn)而調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖1 ZTL/FKF1/LKP2的蛋白結(jié)構(gòu)Fig.1 Protein structures of ZTL/FKF1/LKP2

2 ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族的功能

ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族雖然在氨基酸序列上具有很高的相似性(70%～80%)[7-9]，但三者并沒(méi)有表現(xiàn)出很明顯的功能重疊，在植物體內(nèi)的功能差異較大。例如：ZTL在生物鐘的調(diào)控中更為關(guān)鍵；FKF1則在光周期開花調(diào)控中的作用更為顯著[7-8]；LKP2在生物鐘調(diào)控中也扮演著重要的角色[17]。因?yàn)檫@些相似與差異，三者的作用機(jī)制也更為復(fù)雜。

2.1 ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族參與調(diào)控生物鐘

植物生物鐘振蕩受到多種轉(zhuǎn)錄因子和蛋白的調(diào)控，包括TIMINGOFCABEXPRESSION1(TOC1，也叫做PRR1)、CIRCADIANCLOCKASSOCIATED1 (CCA1) 和LATEELONGATEDHYPOCOTYL(LHY)。這些轉(zhuǎn)錄因子和蛋白構(gòu)成多個(gè)負(fù)反饋循環(huán)，組成中心振蕩器，共同維持生物鐘的正常運(yùn)行[18-19]。例如：TOC1在夜晚表達(dá)，能夠在黎明通過(guò)直接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子CCA1HIKINGEXPEDITION(CHE)的活性，使CCA1和LHY的表達(dá)增加，而CCA1和LHY則負(fù)調(diào)節(jié)TOC1 的表達(dá)，從而形成負(fù)反饋循環(huán)共同調(diào)控生物鐘振蕩[20-22]。在擬南芥中，ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族主要通過(guò)調(diào)節(jié)生物鐘蛋白的穩(wěn)定性，參與調(diào)控生物鐘振蕩。ZTL的LOV結(jié)構(gòu)域能夠特異的結(jié)合TOC1和PSEUDO RESPONSE REGULATOR 5 (PRR5)，進(jìn)而促進(jìn)這些蛋白通過(guò)泛素蛋白酶體途徑降解(見(jiàn)圖2)[23]。TOC1和PRR5蛋白在ztl突變體中積累，在ZTL過(guò)表達(dá)株系中則減少[24]。在白天，藍(lán)光誘導(dǎo)ZTL與GIGANTEA(GI)結(jié)合，從而保護(hù)TOC1和PRR5免于被ZTL降解(見(jiàn)圖2)[25]。雖然LKP2和FKF1都能夠與TOC1和PRR5結(jié)合，但是其作用較ZTL弱[23]。最近研究發(fā)現(xiàn)，ZTL與CHE直接相互作用，介導(dǎo)CHE的泛素化降解(見(jiàn)圖2)。在黑暗中，CHE蛋白降解，而在ztl突變植物中降解速度變慢[14]。此外，ZTL也可通過(guò)感知藍(lán)光強(qiáng)度的變化來(lái)調(diào)控植物的生物鐘振蕩[26]。

Somers等[8]2000年報(bào)道，長(zhǎng)日照(LD)條件下，ztl突變體表現(xiàn)出明顯的長(zhǎng)周期表型，而fkf1突變體則沒(méi)有明顯的生物鐘周期缺陷[23]。lkp2功能缺失突變體的生物節(jié)律與野生型也基本一致[27]。與ztl單突變體相比，lkp2ztl雙突變體的周期節(jié)律并沒(méi)有明顯變化，而fkf1ztl則表現(xiàn)出較長(zhǎng)的周期[28]。在紅光或藍(lán)光下，將ZTL的LOV或LOV-F-box結(jié)構(gòu)域過(guò)表達(dá)導(dǎo)致晝夜節(jié)律延長(zhǎng)[25]。LKP2的LOV或LOV-F-box結(jié)構(gòu)域過(guò)表達(dá)植株則表現(xiàn)出更短的周期[17]。ZTL LOV和LKP2 LOV對(duì)生物鐘調(diào)控的不同作用可能是由于它們的相互作用蛋白不同，或者對(duì)相互作用蛋白的親和力不同有關(guān)，還有待進(jìn)一步研究。

圖2 ZTL/FKF1/LKP2光介導(dǎo)調(diào)控生物鐘蛋白的穩(wěn)定性Fig.2 ZTL/FKF1/LKP2 mediate light regulation of circadian clock proteins stability

2.2 ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族在光周期開花途徑中的功能

植物開花時(shí)間受到多種內(nèi)外源因素精確調(diào)控，形成了光周期、自主開花、赤霉素和春化多種開花途徑[29]。擬南芥是長(zhǎng)日照植物，長(zhǎng)日照誘導(dǎo)其開花，短日照則抑制其開花。鋅指型轉(zhuǎn)錄因子CONSTANS(CO)對(duì)FLOWERINGLOCUST(FT)基因表達(dá)量的調(diào)控，在擬南芥光周期開花途徑中至關(guān)重要[30]。長(zhǎng)日照下，CO直接結(jié)合FT的啟動(dòng)子，促進(jìn)FT的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)開花[31]。ZTL、FKF1和LKP2通過(guò)直接調(diào)控CO蛋白的穩(wěn)定性，或者調(diào)控CO基因的轉(zhuǎn)錄水平，進(jìn)而調(diào)控光周期開花。ZTL在長(zhǎng)日照中介導(dǎo)CO蛋白在早上降解[32]；FKF1則在長(zhǎng)日照中通過(guò)其LOV結(jié)構(gòu)域與CO蛋白結(jié)合，維持CO蛋白在傍晚的穩(wěn)定性，進(jìn)而促進(jìn)FT的表達(dá)(見(jiàn)圖3)[33]。FKF1/ZTL/LKP2還協(xié)同介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子CYCLING DOF FACTOR 1 (CDF1)和CDF2蛋白降解，解除CDF1和CDF2對(duì)CO轉(zhuǎn)錄的抑制作用，誘導(dǎo)CO轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而促進(jìn)開花(見(jiàn)圖3)[34-36]。此外，光依賴的FKF1-CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC1 (COP1)相互作用，通過(guò)抑制E3泛素連接酶COP1的活性，解除COP1對(duì)CO蛋白的降解，進(jìn)而促進(jìn)FT的表達(dá)和開花(見(jiàn)圖3)[37-38]。最近研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)KF1與赤霉素信號(hào)途徑關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)子DELLA蛋白互作，部分通過(guò)促進(jìn)DELLA蛋白降解進(jìn)而促進(jìn)植物開花(結(jié)果未發(fā)表)。此外，ztl突變還導(dǎo)致花開放、香味散發(fā)、花梗運(yùn)動(dòng)的節(jié)律發(fā)生改變[39]。

圖3 FKF1在光周期開花途徑中的功能Fig.3 Function of FKF1 in the control of photoperiodic flowering

在光周期開花信號(hào)通路中，雖然ZTL/FKF1/LKP2有多個(gè)相同的靶蛋白，但其中起主導(dǎo)作用的是FKF1。長(zhǎng)日照下，fkf1突變體表現(xiàn)出明顯的晚花表型[36]。短日照下，ztl突變體表現(xiàn)微弱的早花表型；在短日照和長(zhǎng)日照下，lkp2突變體無(wú)明顯開花表型，lkp2ztl雙突體則表現(xiàn)出比ztl單突變體更明顯的早花表型，且這種早花表型依賴于FKF1[24]。相反，過(guò)表達(dá)ZTL或者LKP2下調(diào)了CO和FT的表達(dá)，導(dǎo)致植物在長(zhǎng)日照下開花延遲，這種晚花表型也依賴于FKF1[24]。ZTL和 LKP2主要通過(guò)調(diào)控FKF1蛋白定位和蛋白水平，進(jìn)而調(diào)控植物光周期開花[24,40]。

2.3 ZTL/FKF1/LKP2蛋白家族的其它功能

ZTL/FKF1/LKP2除了影響植物光周期開花以及生物鐘節(jié)律外，在植物光形態(tài)建成、逆境脅迫響應(yīng)中也起重要調(diào)控作用。LKP2促進(jìn)白光下擬南芥幼苗下胚軸伸長(zhǎng)。LKP2過(guò)表達(dá)導(dǎo)致擬南芥幼苗中生長(zhǎng)素IAA水平升高，PHYTOCHROME-INTERACTING FACTOR4 (PIF4) 和 PIF5的表達(dá)水平上調(diào)，進(jìn)而使下胚軸伸長(zhǎng)[41]。ZTL也促進(jìn)白光下擬南芥幼苗下胚軸伸長(zhǎng)，并且在高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)中起正調(diào)控作用[42]。fkf1突變體在紅光和藍(lán)光下則表現(xiàn)出短下胚軸的表型，因此FKF1在光形態(tài)建成中可能起負(fù)調(diào)控作用[7]。Gil等[43]2017年研究發(fā)現(xiàn)ZTL能夠與Heat shock protein 90(HSP90)互作，介導(dǎo)響應(yīng)高溫而形成的蛋白聚集體的泛素化降解，控制蛋白的質(zhì)量，從而穩(wěn)定生物鐘并增強(qiáng)植物的耐熱性。此外，LKP2在植物干旱脅迫響應(yīng)中起正調(diào)控作用，LKP2過(guò)表達(dá)使植物氣孔孔徑變小，干旱脅迫響應(yīng)基因表達(dá)量上升，耐旱性增強(qiáng)[44]。

3 展 望

近年來(lái)，關(guān)于ZTL/FKF1/LKP2的研究更多的關(guān)注于其在植物生物鐘和光周期開花途徑中的功能及其調(diào)控機(jī)制。ZTL/FKF1/LKP2也參與調(diào)控植物其它生物學(xué)過(guò)程，包括光形態(tài)建成和逆境脅迫響應(yīng)，但其作用機(jī)制尚不完全明確。已有的基因芯片結(jié)果顯示，LKP2過(guò)表達(dá)引起了眾多信號(hào)通路基因的改變，尤其是生長(zhǎng)素信號(hào)通路相關(guān)基因表達(dá)發(fā)生明顯改變[44]。目前，有研究報(bào)道，藍(lán)光受體CRY1和紅光/遠(yuǎn)紅光受體PHYB /PHYA能夠與AUX/IAA蛋白互作來(lái)影響生長(zhǎng)素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育[45-46]。同時(shí)，CRY1能夠通過(guò)調(diào)節(jié)油菜素內(nèi)酯(BR)的合成[47]與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[48-49]來(lái)影響植物的光形態(tài)建成。最新研究表明，紫外光UV-B與BR信號(hào)協(xié)同調(diào)控下胚軸伸長(zhǎng)[50]。因此，ZTL/FKF1/LKP2也可能在光信號(hào)通路與激素信號(hào)通路的交叉會(huì)話中發(fā)揮作用，這為我們今后的研究提供新的思路。