趙青平,周 索

(南陽師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院；河南省艾草開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，河南 南陽 473061)

1 植物表皮毛的概述

1.1 植物表皮毛的主要生物學(xué)功能

植物表皮毛是表皮細(xì)胞經(jīng)過長期的適應(yīng)性進(jìn)化而形成的毛狀附屬物.形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，表皮毛種類繁多，不同類型表皮毛的構(gòu)造、顏色、分布范圍和疏密程度都有著較大的差異.根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，表皮毛分為不同的類型，按表皮毛是否可以分泌次級代謝物分為腺毛或非腺毛.腺毛能夠合成、儲存和分泌多種次級代謝物，如多糖[1]、蛋白質(zhì)[2]、生物堿[3]、苯丙烷類[4]和萜類[5-6]等化合物.人們對這些化合物進(jìn)行加工提煉，制成我們?nèi)粘Ｓ玫降乃幬?、香料、樹脂、精油、殺蟲劑和食品添加劑等.因此，能夠合成這些物質(zhì)的腺毛就具有了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值.非腺毛型表皮毛一樣具有重要的商業(yè)價(jià)值，如棉花(Gossypiumspp.)胚珠外珠被表皮毛是紡織工業(yè)天然原料棉纖維的主要來源[7].作為直接與環(huán)境接觸的最外層組織，表皮毛對自身有重要的保護(hù)作用，多而密的表皮毛像一層厚厚的氈絨，增加了植物表皮層的厚度，減少了干旱[8]、冷凍[9-10]、紫外線輻射[11]、鹽脅迫[12-13]等逆境帶來的損害.腺毛通過分泌尼古丁、生物堿和萜類等物質(zhì)來抵抗昆蟲與食草性動(dòng)物的侵食[14].植物莖、葉或花上的表皮毛通過分泌生物堿、驅(qū)逐劑或有毒物質(zhì)來防御食草性動(dòng)物的捕食和生物侵害從而減少農(nóng)藥的使用起到生物防治和保護(hù)環(huán)境的作用[15-17].葉表皮毛特征屬于植物的微性狀特征，其形狀、長短和密度在不同植物之間的區(qū)別顯而易見，這些區(qū)別在植物學(xué)分類研究中被廣泛使用[18].表皮毛因其形態(tài)特征明顯有別于周圍的表皮細(xì)胞而易于觀察，且單細(xì)胞表皮毛發(fā)育過程較為簡單.因此，表皮毛已成為細(xì)胞分化水平研究植物細(xì)胞命運(yùn)的理想模型[14, 19].

1.2 植物表皮毛發(fā)育的分子機(jī)制

近年來，隨著分子生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，人們對植物表皮毛發(fā)育調(diào)控機(jī)制的研究不斷深入.研究結(jié)果表明，表皮毛的發(fā)育起始于植物器官發(fā)生之初，其發(fā)育過程受到外界環(huán)境因子與植物體內(nèi)源信號物質(zhì)的共同調(diào)節(jié)，是一個(gè)高度協(xié)同的過程[14].擬南芥的表皮毛為單細(xì)胞非腺毛型表皮毛，結(jié)構(gòu)較為簡單，因此，很多表皮毛發(fā)育的分子機(jī)制研究是在擬南芥中進(jìn)行的.擬南芥中的研究結(jié)果表明，表皮毛的發(fā)育由WD/bHLH/MYB形成的三聚復(fù)合物MBW調(diào)節(jié)，該復(fù)合體結(jié)合到同源域蛋白GLABROUS2(GL2)的啟動(dòng)子上，激活GL2表達(dá)，促使靶細(xì)胞分化形成表皮毛[20- 21].MBW復(fù)合體調(diào)節(jié)擬南芥表皮毛發(fā)育的機(jī)制可以用激活-抑制和激活(底物)-消耗兩種模型來解釋[22].激活-抑制模型認(rèn)為表皮毛發(fā)育是激活因子GL1/MYB23-GL3/EGL3-TTG1(MBW復(fù)合物的一種)通過促進(jìn)表皮毛發(fā)育負(fù)調(diào)節(jié)因子TRIPTYCHON (TRY)和CAPRICE (CPC)向非表皮毛細(xì)胞的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的.TRY和CPC在非表皮毛細(xì)胞中含量的增加反過來抑制了這些細(xì)胞中MWB復(fù)合體的產(chǎn)生，因此，表皮毛細(xì)胞和非表皮毛細(xì)胞由于MWB復(fù)合體含量產(chǎn)生明顯差異而向不同的方向進(jìn)行分化[23-24].激活(底物)-消耗模型認(rèn)為，表皮毛細(xì)胞和非表皮毛細(xì)胞中MWB復(fù)合體含量產(chǎn)生明顯差異是由于TRANSPARENT TESTA GLABRA1 (TTG1)向GLABRA3(GL3)含量高的幼嫩組織細(xì)胞移動(dòng)并積累，促進(jìn)GL1/MYB23-GL3/EGL3-TTG1復(fù)合體形成，使這些細(xì)胞具有發(fā)育成表皮毛的能力，而臨近的非表皮毛細(xì)胞由于缺少M(fèi)WB復(fù)合物失去形成表皮毛的能力[24].

作為植物生理反應(yīng)的活性調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物激素如赤霉素(gibberellin, GA)[25]、細(xì)胞分裂素(cytokinin, CK)[26]、水楊酸(salicylic acid, SA)[27]、乙烯(ethylene)[28]和茉莉酸(jasmonate acid, JA)[29]等，在植物表皮毛的起始與發(fā)生、表皮毛數(shù)量以及分支方面發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用.其中JA不僅在非腺毛型表皮毛的發(fā)育中具有重要作用，而且參與腺毛型表皮毛發(fā)育的調(diào)控，本文就JA調(diào)節(jié)表皮毛發(fā)育機(jī)制的研究進(jìn)行較為詳細(xì)的綜述.

2 JA調(diào)節(jié)植物表皮毛發(fā)育的分子機(jī)制

2.1 JA的合成

茉莉酸(jasmonic acid , JA)是一種脂質(zhì)衍生的信號分子激素，不僅在種子萌發(fā)、根的伸長、表皮毛發(fā)育以及葉片衰老等植物生長發(fā)育方面具有重要的調(diào)節(jié)作用[30]，而且能夠特異性地響應(yīng)溫度、光照、干旱等環(huán)境信號刺激以及昆蟲、病原體的侵襲引發(fā)的植物免疫性反應(yīng)[31].JA的合成在單子葉和雙子葉植物中都得到了廣泛的研究，擬南芥中的研究最為清楚.目前的研究結(jié)果表明，擬南芥中至少有2條JA合成途徑，一條是從α-亞麻酸(18∶3)開始的正十八烷途徑，另一條是從棕櫚酸(16∶3)開始的十六烷途徑[32-34].這兩條途徑的合成過程非常相似，第一階段的反應(yīng)都在葉綠體中進(jìn)行，不飽和的脂肪酸18∶3和16∶3分別被轉(zhuǎn)化為12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoic acid, 12-OPDA)和脫氧甲基植物二烯酸(deoxymethylated vegetable dienic acid, dn-OPDA).第二階段的反應(yīng)都發(fā)生在過氧化物酶體中，12-OPDA和dn-OPDA經(jīng)過復(fù)雜的β-氧化轉(zhuǎn)化為茉莉酸.最后，兩條途徑合成的茉莉酸都被轉(zhuǎn)入細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中被加工為不同形式的茉莉酸，如茉莉酸甲酯(methyl jasmonate , MeJA)、茉莉酸-異亮氨酸(JA-isoleucine, JA-Ile)和12-羥基-茉莉酸(12-hydroxyjasmonic acid , 12-OH-JA)[35].這些不同形式的茉莉酸中，JA-Ile是植物中茉莉酸的主要活性形式[36].

2.2 JA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

JA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究發(fā)現(xiàn)，CORONATINE INSENSITIVE 1 (COI1)[37]，JASMONATE ZIM DOMAIN (JAZ)[38-39]和 MYC類轉(zhuǎn)錄因子[40]是JA信號通路的關(guān)鍵組分.COI1是SKP1/CULLIN/F-Box (SCF)COI1E3泛素連接酶復(fù)合物中的F-Box蛋白，在JA信號響應(yīng)過程中，作為JA受體發(fā)揮作用[41].JAZ蛋白是JA途徑負(fù)調(diào)節(jié)因子，含有2個(gè)保守的蛋白-蛋白互作結(jié)構(gòu)域ZIM和Jas，其中Jas結(jié)構(gòu)域主要介導(dǎo)JAZ蛋白與COI1或其他轉(zhuǎn)錄因子的相互作用，ZIM結(jié)構(gòu)域主要介導(dǎo)JAZ蛋白的二聚化[38].MYC類轉(zhuǎn)錄因子是植物生長過程中的負(fù)調(diào)節(jié)因子，通過抑制細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)抑制植物的生長，MYC2是JA信號途徑中重要的分子開關(guān)[40, 42-43].JAZ蛋白與MEDIATOR25 (MED25)競爭性地結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子MYCs[44].一般情況下，植物體具有生物活性的JA-Ile含量保持在較低水平，當(dāng)受到外界因素刺激后，JA-Ile含量迅速增加，增加的胞質(zhì)JA-Ile可以被JA 受體COI1識別并激活JA信號途徑.活化的COI1與JAZs蛋白結(jié)合后，導(dǎo)致泛素化修飾的JAZs蛋白經(jīng)26S酶體介導(dǎo)的途徑被降解.阻遏蛋白JAZs降解后，JA信號途徑下游轉(zhuǎn)錄因子，如MYC類轉(zhuǎn)錄因子被釋放，促進(jìn)JA應(yīng)答基因的表達(dá)，完成植物體內(nèi)JA信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[35, 45-46].當(dāng)植物體內(nèi)JA濃度較低時(shí)，JAZs蛋白不會(huì)被降解，此時(shí)，JAZ蛋白與轉(zhuǎn)錄因子MYC2結(jié)合，抑制MYC2的轉(zhuǎn)錄活性，阻礙JA響應(yīng)基因的表達(dá)，進(jìn)而抑制植物對JA信號的響應(yīng).

2.3 JA調(diào)節(jié)非腺毛型表皮毛發(fā)育的機(jī)制

JA調(diào)節(jié)非腺毛型表皮毛發(fā)育的起始主要通過降解JAZ蛋白實(shí)現(xiàn)(圖1).JAZ蛋白與bHLH類型轉(zhuǎn)錄因子GL3、EGL3，R2R3 MYB類型轉(zhuǎn)錄因子MYB75的相互作用，抑制了MWB復(fù)合物的形成，進(jìn)而阻礙JA誘導(dǎo)的表皮毛發(fā)育的起始[47].MWB復(fù)合物介導(dǎo)的表皮毛發(fā)育過程也依賴于COI1，在coi1突變體中超表達(dá)MYB75、GL3或EGL3可以回補(bǔ)該突變體表皮毛減少的表型[47].因此，JA調(diào)節(jié)表皮毛發(fā)育起始可能與SCFCOI1-26S蛋白酶體途徑降解JAZ蛋白有關(guān)，JAZ蛋白降解后，解除了該蛋白與MYB75、GL3或EGL3因子之間的相互作用，恢復(fù)MWB復(fù)合體的轉(zhuǎn)錄活性，保證表皮毛發(fā)育的正常進(jìn)行.

作為調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的重要因素，JA不僅參與表皮毛起始的調(diào)控，而且在表皮毛細(xì)胞的伸長以及表皮毛密度調(diào)控方面發(fā)揮重要作用[47-48].JA 處理能增加擬南芥表皮毛的數(shù)量和密度[49-50].棉花纖維也屬于非腺毛型單細(xì)胞表皮毛，其發(fā)育起始機(jī)制類似于擬南芥表皮毛[51].將棉花中的GhJAZ3基因或缺失C端58個(gè)氨基酸的GhJAZ3ΔCX基因轉(zhuǎn)入擬南芥后，轉(zhuǎn)基因擬南芥葉片上表皮毛的數(shù)量減少，表皮毛起始相關(guān)基因(GL2和MYB23)的表達(dá)量下降，但是表皮毛長度明顯增加，細(xì)胞伸長相關(guān)基因EXP8、EXPL2和XTH4的表達(dá)量上升[52].這些研究結(jié)果表明，JA通過不同的信號途徑調(diào)節(jié)非腺毛型表皮毛的形成以及表皮毛長度和密度的增加，但是具體的調(diào)節(jié)機(jī)制有待進(jìn)一步研究.

2.4 JA調(diào)節(jié)腺毛型表皮毛發(fā)育的機(jī)制

腺毛型表皮毛被認(rèn)為是生產(chǎn)多種次級代謝物的生物工廠[6, 53]，增加腺毛型表皮毛的密度是提高有用次級代謝產(chǎn)物含量的有效途徑，但是腺毛型表皮毛發(fā)育機(jī)制的研究非常匱乏.目前JA調(diào)節(jié)腺毛型表皮毛發(fā)育機(jī)制的研究主要集中在青蒿和番茄中.青蒿因?yàn)槟軌虍a(chǎn)生抗瘧疾的青蒿素而引起人們的廣泛關(guān)注，青蒿表皮毛由腺毛和T型的非腺毛組成[54-57].青蒿腺毛發(fā)育機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)含有亮氨酸拉鏈同源結(jié)構(gòu)域(HD-ZIP)Ⅳ的轉(zhuǎn)錄因子AaHD1在腺毛發(fā)育起始過程中發(fā)揮重要作用[58](圖1).外源JA處理誘導(dǎo)AaHD1的表達(dá)，AaHD1部分敲除突變體中JA誘導(dǎo)的腺毛發(fā)育過程受抑制，暗示AaHD1通過JA信號途徑調(diào)節(jié)腺毛發(fā)育.JA途徑的抑制因子AaJAZ8與AaHD1結(jié)合后，抑制了AaHD1的轉(zhuǎn)錄激活活性，當(dāng)JA存在時(shí)，活性的JA-lle介導(dǎo)JAZs蛋白的泛素化及隨后的26S酶體途徑的降解，被釋放的AaHD1激活下游靶基因的表達(dá)，而這些靶基因主要是在JA誘導(dǎo)的腺毛和非腺毛型表皮毛發(fā)育并釋放AaHD1蛋白過程中發(fā)揮重要作用的基因[58].

番茄葉表面產(chǎn)生7種表皮毛，分別被命名為Ⅰ～Ⅶ，其中Ⅰ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ屬于腺毛，Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ屬于非腺毛.Ⅰ和Ⅳ型腺毛屬于頭狀腺毛，具有一個(gè)單細(xì)胞的小型頭部，Ⅵ型腺毛頭部含4個(gè)細(xì)胞，Ⅶ型腺毛頭部含8個(gè)細(xì)胞[59].JA調(diào)節(jié)番茄腺毛發(fā)育機(jī)制的研究主要集中在Ⅵ型腺毛中.JA調(diào)節(jié)Ⅵ型腺毛發(fā)育與基因Woolly(Wo)和SIMYC1有關(guān)(圖1).與青蒿中的AaHD1基因相似，Wo基因編碼HD-ZIP Ⅳ型轉(zhuǎn)錄因子[59]，轉(zhuǎn)錄因子Wo與萜類合酶基因TPS啟動(dòng)子結(jié)合后可以招募轉(zhuǎn)錄因子SIMYC1，兩種轉(zhuǎn)錄因子(Wo與SIMYC1)的結(jié)合可以有效激活JA介導(dǎo)的Ⅵ型腺毛的形成，但是Wo/SIMYC1復(fù)合物的形成受到JA途徑負(fù)調(diào)節(jié)因子SlJAZ2的競爭性抑制[59].當(dāng)番茄體內(nèi)缺少JA時(shí)，SlJAZ2阻礙Wo/SIMYC1復(fù)合體的形成，抑制Ⅵ型腺毛發(fā)育，JA含量增加后，SlJAZ2通過泛素化途徑被降解，復(fù)合體Wo/SIMYC1形成并促進(jìn)JA誘導(dǎo)的Ⅵ型腺毛的發(fā)育[59].SIMYC1的表達(dá)不僅可以影響番茄中Ⅵ腺毛的數(shù)量，而且在腺毛細(xì)胞分化以及體積增加過程中也發(fā)揮重要作用[59-60].Wo不僅調(diào)節(jié)Ⅵ型腺毛的發(fā)育，也參與Ⅰ和Ⅶ型腺毛發(fā)育的調(diào)節(jié)[61-63].但是SIMYC1和Wo在腺毛其他方面或者其他類型腺毛發(fā)育中的作用是否受JA的調(diào)節(jié)有待進(jìn)一步的研究.

JA調(diào)節(jié)的腺毛發(fā)育也與JAZ蛋白的降解密切相關(guān)，暗示JAZ蛋白是JA調(diào)節(jié)表皮毛發(fā)育的關(guān)鍵因子，在腺毛和非腺毛型表皮毛發(fā)育的聯(lián)系中具有重要的橋梁作用.

3 展望

腺毛是植物體的“生物工廠”，能夠合成并分泌對人類具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值的代謝產(chǎn)物，如在抗癌衰老方面有著重要作用的苯丙烷類化合物[64]，能夠治療瘧疾的青蒿素化合物[5].但是目前對表皮毛發(fā)育機(jī)制的研究主要集中在以擬南芥表皮毛為代表的非腺毛型表皮毛中，腺毛發(fā)育的分子機(jī)理研究相對較少，發(fā)育調(diào)控模式尚未形成[57, 65].植物激素調(diào)控表皮毛發(fā)育機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，JA在腺毛的發(fā)育過程中起重要作用[27, 66-67]，如MeJA形式的JA外源處理促進(jìn)腺毛型表皮毛的密度增加的同時(shí)也提高了腺毛中次級代謝產(chǎn)物的含量[68-70].通過基因重組技術(shù)在青蒿中過表達(dá) JA途徑重要調(diào)節(jié)因子AaHD8 可以顯著提高青蒿素的產(chǎn)量，而且AaHD8的過量表達(dá)對植物的生長和適應(yīng)性沒有不利影響[58, 71].除了典型的非腺毛型表皮毛和腺毛以外，植物中還存在一些特殊形態(tài)的表皮毛，如黃瓜的果刺、玫瑰的皮刺[72]，這些表皮毛對植物的外觀性狀有重要影響，外源JA 是否參與這些植物表皮毛發(fā)育的調(diào)節(jié)目前還不清楚.因此，進(jìn)一步研究JA對表皮毛發(fā)育的影響不僅為植物表皮毛發(fā)育機(jī)制的揭示提供基礎(chǔ)與理論依據(jù)，也為提高植物表皮毛經(jīng)濟(jì)效益以及優(yōu)良表皮毛性狀種質(zhì)資源的培育提供指導(dǎo)和支撐.

圖1 JA調(diào)控表皮毛發(fā)育的模式圖

JA對表皮毛的發(fā)育調(diào)節(jié)主要依賴關(guān)鍵負(fù)調(diào)節(jié)因子JAZ蛋白.在非腺毛型表皮毛的發(fā)育過程中，JAZ蛋白與WD/BHLH/MYB復(fù)合體(或稱MWB)中的bHLH型轉(zhuǎn)錄因子或MYB類型轉(zhuǎn)錄因子相互作用，阻礙了MWB復(fù)合體的形成以及與下游HD-ZIPⅣ型轉(zhuǎn)錄因子GL2的結(jié)合，進(jìn)而抑制表皮毛的發(fā)育.在腺毛型表皮毛的發(fā)育過程中，JAZ蛋白直接與HD-ZIPⅣ型轉(zhuǎn)錄因子HD1或Wo結(jié)合，通過抑制HD1的轉(zhuǎn)錄激活活性以及Wo與MYC的直接結(jié)合，抑制腺毛型表皮毛的發(fā)育.當(dāng)植物體內(nèi)活性的JA-Ile含量增加時(shí)，JA受體COI1被激活，介導(dǎo)JAZ蛋白的泛素化以及26S酶體途徑的降解，JAZ蛋白被降解后，下游被抑制的轉(zhuǎn)錄因子活化，激活JA介導(dǎo)的腺毛和非腺毛型表皮毛的發(fā)育.