全 文 ：植物学通报 2006, 23 (5): 519~530
Chinese Bulletin of Botany
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30370130)
* Author for correspondence. E-mail: jszhang@genetics.ac.cn
乙烯的生物合成与信号传递
陈涛,张劲松*
中国科学院遗传与发育生物学研究所, 国家植物基因组重点实验室, 北京 100101
摘要 乙烯是气体植物激素, 它在植物的生长发育过程中有很多作用。所以了解乙烯的生物合成及其
信号转导是非常重要的。二十年来, 通过筛选有异于正常三重反应的突变体, 人们发现了乙烯信号转导
的粗略轮廓。在拟南芥中, 有5个受体蛋白感受乙烯, ETR1、ERS1、ETR2、ERS2、EIN4。它们表现出
功能冗余, 是乙烯信号的负调控因子, 在植物体内以二聚体的形式存在。ETR1的N端与乙烯结合时需要
铜离子(Ⅰ)的参与。尽管已经发现ETR1有组氨酸激酶活性, 而其它受体有丝氨酸/苏氨酸激酶活性, 但受
体参与乙烯信号转导的机制还不是很清楚。受体与Raf类蛋白激酶CTR1相互作用, CTR1是乙烯反应的负
调控因子。CTR1蛋白失活使EIN2蛋白活化。EIN2的N端是跨膜结构域, 与Nramp家族金属离子转运蛋白
的跨膜结构域类似。EIN2的C端是一个新的未知结构域, 与乙烯信号途径的下游组分相互作用。EIN3位
于EIN2的下游, EIN3和EILs诱导ERF1和其它转录因子的表达, 这些转录因子依次激活乙烯反应目的基因
的表达, 表现出乙烯的反应。EIN3受到蛋白酶体介导的蛋白降解途径的调节。由于乙烯是一种多功能的
植物激素, 其信号途径与其它信号途径有多重的交叉。
关键词 乙烯, 信号转导, ETR1, CTR1, EIN2, EIN3, 激酶, 交叉
Ethylene Biosynthesis and Signal Pathway Model
Tao Chen, Jinsong Zhang*
State Key Laboratory of Plant Genomics, Institute of Genetics and Development Biology, Chinese Academy
of Sciences, Beijing 100101, China
Abstract The gaseous hormone ethylene has numerous effects during plant growth and development. It is
important to know how ethylene is synthesized and how the signal is transduced. During the past twenty
years, the isolation and characterization of various mutants that show an altered triple-response phenotype has
uncovered a largely linear ethylene signaling pathway with branches in the downstream response pathway. In
Arabidopsis, perception of ethylene is performed by five receptors, ETR1, ERS1, ETR2, ERS2, EIN4, which
exhibit structural and functional redundancy and are negative regulators of ethylene signaling. The receptors are
homodimer in vivo. The membrane-bound N-terminal of ETR1 binds ethylene with the assistance of a copper
cofactor Cu (Ⅰ). Although ETR1 was reported to possess histidine kinase activity whereas other receptors
have serine/theronine kinase activity, the mechanism of ethylene receptors signaling is largely unclear. The
receptors interact with a Raf-like protein kinase CTR1, which is a negative regulator in the ethylene response.
Inactivation of CTR1 leads to activation of EIN2, which consists of a novel C-terminal signaling domain, and a
N-terminal transmembrane domain with sequence similarity to the Nramp family of metal ion transporters.
综述 . 乙烯
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1 乙烯简介
乙烯(CH2=CH2)是最早发现的植物激素之
一。早在 1 9 0 1 年 , 俄罗斯植物生理学家
Neljubov就发现照明气中的乙烯会引起黑暗中
生长的豌豆幼苗产生“三重反应”(Neljubov,
1901)。1934年, 英国人Gane研究发现植物能
自身产生乙烯, 因此说明了乙烯是植物生长发育
的内源调节剂(Gane, 1934)。1965年 Burg和
Burg提出, 乙烯是一种植物激素(Burg and Burg,
1965), 此后这个观点便得到了公认。
乙烯是一种具有生物活性的简单气体分子,
它调节着植物生长发育和许多生理过程, 如种子
萌发、根毛发育、植物开花、果实成熟、器
官衰老及植物对生物和逆境胁迫的反应等
(Bleecker and Kende, 2000)。典型的乙烯反应
是“三重反应”, 即: 乙烯处理的暗生长的植物
幼苗会表现出下胚轴变短和横向膨大; 根伸长
受到抑制; 顶钩弯曲度增大。
乙烯几乎参与了植物生长发育直至衰老死
亡的全部过程, 它的内源产生以及信号转导一直
是人们所关注的焦点。
2 乙烯的合成及调节机制
2.1 乙烯的合成
几乎所有的植物组织都能产生乙烯, 但大
多数情况下浓度都很低。Yang和 Hoffman
(1984)通过一系列精巧的实验阐明了乙烯的合
成途径(Bleecker and Kende, 2000)。乙烯衍生
自甲硫氨酸(图1), 它的产生过程分为以下几个
步骤:
(1)甲硫氨酸在S-腺苷甲硫氨酸合成酶(S-
adomet synthetase, SAMS)催化下变成 S-腺苷
甲硫氨酸(SAM)(图 1)。SAM是植物体内主要
的甲基供体, 用做许多生化合成途径的底物, 例
如乙烯合成途径和精胺 /亚精胺合成途径等。
(2)SAM在ACC合酶(ACC synthase, ACS)
的催化下产生氨基环丙烷羧酸(1-aminocyclo-
propane-1-carboxylic acid, ACC)和5’-甲硫腺苷
(MTA)。ACC合酶是整个乙烯合成途径中的
图 1 乙烯的合成
Fig. 1 Ethylene biosynthesis
Downstream of EIN2, EIN3 and EILs function as primary transcription factors that can induce expression of
ERF1 and other secondary transcription factors, which in turn regulate a large number of ethylene response
genes. EIN3 is regulated by a proteasome-mediated protein degradation pathway. As ethylene is a versatile
phytohormone, its response pathway has multiple interactions (crosstalk) with other signaling pathway.
Key words ethylene, signal pathway, ETR1, CTR1, EIN2, EIN3, kinase, crosstalk
5212006 陈涛 等: 乙烯的生物合成与信号传递
关键酶和限速酶。ACC用于产生乙烯; MTA
则通过甲硫氨酸循环变回甲硫氨酸。
(3)ACC在ACC氧化酶(ACC oxidase, ACO)
催化下产生乙烯。
2.2 乙烯合成的调控
由于ACC合酶是整个途径的关键酶和限
速酶, 所以对ACC合酶的调控对整个合成途径
来说是最重要的。
在植物体内, ACC合酶(ACS)是由一个大家
族编码的。以拟南芥为例, 全基因组序列显示
共有 12个 ACS, ACS1-12, 分布于整个 5条染
色体。其中, 8个(ACS2, 4-9, 11)是有功能的,
ACS1是无功能的, ACS3是假基因, ACS10和
ACS12编码对天冬氨酸和芳环氨基酸特异的转
氨酶(aminotransferase, ATase)(Yamagami et al.,
2003)。在其它植物中也有类似的情况, 例如番
茄和水稻。ACS2受环己酰亚胺(CHX)、伤害
和乙烯处理诱导; ACS4在幼苗期受 CHX、吲
哚乙酸(IAA)及伤害诱导; ACS5受氯化锂诱导,
并且仅在黄化苗中受低浓度细胞分裂素诱导;
ACS6受氰化物诱导, 也受 CHX、IAA、乙烯
诱导(Liang et al., 1992, 1996; Arteca and Arteca,
1999)。 以上结果说明不同ACS基因受不同因
素的调节。
对拟南芥中乙烯合成的遗传研究显示ACS
受转录后调控。拟南芥中筛到3个乙烯过量表
达突变体 eto1、eto2、eto3。eto1是一个隐
性突变体而 eto2和 eto3是显性突变体。eto突
变体组成型乙烯反应的表型可以被乙烯合成及
乙烯感受的抑制剂所抑制, 表明这些突变体在乙
烯合成的调节时受到影响。分子分析显示
eto2突变体是由于ACS5基因的单碱基插入造
成C端后11个氨基酸的中断产生的。虽然eto2
中mRNA的水平有少许的变化, 但eto2黄化苗
中乙烯的产量是野生型黄化苗的20倍, 表明乙
烯产生的增加不是由于基因表达水平改变造成
的, 而是由于ACS5的活性增加造成的。cin突
变体的发现进一步阐明了ACS5的调控机制。
低剂量的细胞分裂素(0.5-10 mmol.L-1)能刺激
乙烯的产生。通过筛选不能在有细胞分裂素
的情况下增产乙烯的突变体, 得到了cin突变体
(cytokinin-insensitive, cin1-cin5)。通过图位
克隆得到CIN5, 它与ETO2和ACS5非常近似,
也是ACS5的一种同工型, 这表明这种同工型是
细胞分裂素调控的主要靶标。另外, 细胞分裂
素介导的乙烯产生并不与ACS5 mRNA的诱导
有关, 这说明细胞分裂素增强ACS5的功能主要
是一种转录后调节机制。总之, 上述结果表明
ACS5的C端对蛋白的功能有负调节作用, 细胞
分裂素可能部分地通过减轻这种抑制来提高乙
烯的合成(Vogel et al., 1998a, 1998b)。
从eto1和eto3突变体分析来看, ACS的功
能也是受转录后调节的。ETO1基因编码一个
含有肽结合结构域的蛋白, 通过这个结构域
ETO1与ACS5相互作用并抑制其活性, 但ETO1
并不与ACS5的一种同工型 ETO2相互作用。
过量表达ETO1可以抑制细胞分裂素诱导的乙
烯产生并且通过依赖于蛋白酶体的途径加快
ACS5的降解。ETO1也与CUL3(Cullin3)相互
作用, CUL3编码一个E3泛素连接酶复合体的
亚基。因此表明, ETO1有两种功能: 抑制ACS
酶的活性并且使其降解(Wang et al., 2004)。
eto3突变体与eto2相似, 它的表型是由于ACS9
的C端有错义突变所致(Chae et al., 2003)。
总结以上结果, 乙烯合成调节的一种重要
机制是调节ACS蛋白的活性, 这种调节至少部
分通过蛋白的 C端结构域来实现。
乙烯合成途径的最后一步, 由ACC变成乙
烯, 是由ACC氧化酶(ACO)催化的。目前已经
从很多植物中克隆出了 ACO基因。在拟南芥
中, ACO是一个多基因家族, 但是关于这些基因
的更详细报道却比较少。知道在有外源乙烯
情况下, AtACO2的转录水平升高; 3个ACO基
因和1个类ACO基因受乙烯影响(Raz and Ecker,
1999; de Paepe et al., 2004)。
522 23(5)
3 乙烯的信号转导
关于乙烯信号转导途径的了解大部分来源
于遗传学的研究。通过分离突变体, 乙烯的信
号转导途径已经有了一个大概的轮廓。最早
筛选乙烯突变体的方法是基于植物对乙烯的三
重反应特征, 乙烯反应的突变体主要分成两大
类: ①对乙烯不敏感或敏感性减弱的突变体, 特
征是在黑暗中萌发的种子, 即使在存在乙烯或
ACC的条件下, 也不再有或者有减弱的三重反
应, 命名为 ethylene/ACC-insensitive(ein/ain)和
ethylene-resistant(etr)以及 weak ethylene-
insensitive(wei)(Bleecker et al., 1988; Roman et
al., 1995; Alonsonet et al., 2003)。②组成型乙
烯反应突变体, 特征是在黑暗中萌发的种子, 在
不存在乙烯的条件下, 仍能表现出三重反应。
这类突变体根据其对乙烯合成抑制剂(例如
AVG、硫代硫酸银)的敏感程度又分为两类: 其
表型能被抑制剂抑制的乙烯过量产生突变体
(ethylene-overproducers, eto); 其表型不能被抑
制剂抑制的组成型乙烯反应突变体(constitutive
triple-response, ctr)。
至今, 用标准的三重反应筛选突变体似乎
已经饱和了; 于是又发展了一些其它方法, 其中
一种是筛选在低浓度乙烯下显示增强的乙烯反
应的突变体, 得到了 eer1(enhanced-ethylene-
response 1)突变体(Larsen and Chang, 2001)。
另外还发展了不同于三重反应的新筛选方法, 例
如使用乙烯拮抗剂筛选对拮抗剂有反应的突变
体。得到 ran突变体(response to antagonist)
(Hirayama et al., 1999)。
通过对这些突变体进行遗传学及分子生物
学的研究分析, 已在拟南芥中确立了一条从在膜
上对乙烯的接受到在核内的转录调控的线性的
乙烯信号转导途径。
3.1 乙烯的感受
拟南芥中共有 5 个乙烯受体, E T R 1、
ETR2、ERS1、ERS2和EIN4, 这些受体和细菌
的双组分调控蛋白具有相似性。根据结构上
的特点可将其分为两类(图2), 第一类包括ETR1
和ERS1, 它们都具有氨基端乙烯结合结构域和
非常保守的羧基端组氨酸激酶结构域; 第二类
受体包括ETR2、ERS2和EIN4, 它们具有氨基
端乙烯结合结构域, 但组氨酸激酶结构域是不完
整的, 缺少催化活性所必需的一个或多个元件。
在5个受体中, ETR1、ETR2和EIN4还多有一
个接收器结构域, 但其功能尚不清楚(Guo and
Ecker, 2004)。
拟南芥5个乙烯受体中的任何一个发生显
性突变都会使植物变得对乙烯不敏感, 表明所有
这5个乙烯受体都参与了对乙烯的感受。在酵
母系统中的乙烯结合实验验证了这个推测并发
现结合过程需要有Cu(Ⅰ)参与(Rodriguez et al.,
1999; O’Malley et al., 2005)。通过对 ETR1、
ETR2、EIN4和 ERS2这 4个基因的功能缺失
型突变体的分析发现, 一个和两个受体功能缺失
的突变体没有明显的乙烯反应表型, 说明这些受
体之间的功能是高度重叠的。而3个和4个受
体的突变则表现出组成型乙烯反应的表型, 显示
这些蛋白对乙烯反应起负调控作用, 拟南芥中乙
烯反应的诱导是由于这些蛋白的失活而不是激
活(Hua and Meyerowitz, 1998)。
图2 拟南芥中乙烯受体家族 GAF: GAF结构域;
I. 亚家族I; II. 亚家族II; H. 保守组氨酸; N,G1,F,G2.
ATP结合结构域
Fig. 2 Ethylene receptor family in Arabidopsis
5232006 陈涛 等: 乙烯的生物合成与信号传递
在 ers1 etr1双重突变体(Ⅰ类受体全部功
能缺失的突变体)中, 过量表达任何一个Ⅱ类受
体都不能互补其表型(Wang et al., 2003), 而在
etr2 ein4 ers2三重突变体中过量表达Ⅰ类受体
也不能完全互补Ⅱ类受体缺失造成的表型
(O’Malley et al., 2005), 这说明Ⅰ类和Ⅱ类受体
间虽有功能互补, 但各自可能还有独特的功能。
作为最早被发现的乙烯受体, ETR1的研究
最为详尽, Gamble等(1998)证明了ETR1有组氨
酸激酶活性。Wang等(2003)在ers1-2 etr1-7双
重突变体中过量表达ETR1、激酶活性失活的
ETR1, 都能互补其表型, 说明激酶活性不是必需
的, 而Qu和Schaller (2004)在etr1-6 etr2-3 ein4-4
三重突变体中转入全长ETR1可以互补其表型,
但转入失去激酶活性的截短形式后却不能互补,
说明ETR1的激酶活性是必需的, 所以关于激酶
活性与信号转导的关系还不是很清楚。
在烟草中发现的Ⅱ类受体NTHK1有丝氨
酸 /苏氨酸激酶活性; 另一个Ⅱ类受体NTHK2
在不同离子情况下, 分别表现组氨酸激酶活性
和丝氨酸 /苏氨酸激酶活性(Xie et al., 2003;
Zhang et al., 2004)。随后Moussatche等(2004)
研究了全部 5个拟南芥乙烯受体的激酶活性,
除ETR1外, 其余4个都有丝氨酸激酶活性, 包
括属于Ⅰ类受体的ERS1。ERS1可能还有组氨
酸激酶活性。
在植物体内, 有功能的乙烯受体是以二聚
体形式存在的, 乙烯与处于跨膜区内的氨基酸结
合, 此过程需要Cu离子的参与。RAN1是拟南
芥的一种Cu2＋转运蛋白, 突变体功能分析表明
它对于乙烯受体正常的功能发挥是必需的
(Hirayama et al., 1999)。
3.2 乙烯的胞质内信号转导
对组成型乙烯反应突变体 ctr1的研究发
现, 其表现为乙烯信号通路组成型激活, 而ctr1
是一个功能缺失型突变体, 因此说明CTR1是乙
烯信号转导的负调控因子(Kieber et al., 1993)。
由于ctr1 etr1双重突变体仍表现为组成型乙烯
反应, 所以CTR1应该位于ETR1的下游。
CTR1基因编码821个氨基酸的蛋白, 其C
端序列含有一个与Raf家族丝氨酸/苏氨酸激酶
结构域相似的结构, 且它的激酶活性得到验证
(Huang et al., 2003); 而其N端与Raf却有很少
的相似性。酵母双杂交和体外结合实验表明,
CTR1的 N端可以与 ETR1的接收器结构域
(receiver domain)直接结合, 也可以与ERS1的激
酶结构域直接结合(ERS1无接收器结构域), 这种
结合对于乙烯信号的负调控是必需的(Clark et
al., 1998)。但是Ⅱ类受体ETR2与CTR1结合比
起Ⅰ类受体要弱得多(Cancel and Larsen, 2002)。
通过这些发现, 可以解释Ⅰ类受体在乙烯信号转
导中扮演着极其重要的角色可能是由于两类受
体与 CTR1作用的强弱所致。
到此, 乙烯信号转导的前几步可总结如下:
当没有乙烯存在时, 乙烯受体处于活性有功能
的状态, 与CTR1结合, CTR1抑制了下游的乙
烯反应; 当乙烯存在时, 受体失活, 不能与CTR1
结合, CTR1抑制的下游乙烯反应开启, 表现为
乙烯反应。
另外, 有几个现象表明乙烯的信号转导并
非完全依赖于CTR1。一个是在 ctr1功能缺失
突变体中仍有一点对乙烯反应的能力(Larsen
and Chang, 2001); 另一个是乙烯受体的四重突
变体有着比ctr1功能缺失突变体更加严重的表
型(Hua and Meyerowitz, 1998)。这些现象表
明植物体内还存在不依赖于CTR1的其它乙烯
信号转导途径。Hass等(2004)研究发现了一
条不依赖于CTR1的、传统的两组分信号系统
的途径。
虽然存在不依赖于CTR1的乙烯信号转导
途径, 但总体上来说, 植物体内的大部分乙烯反
应是通过CTR1转导的。CTR1作为一个有激
酶活性的MAPKKK, 可能通过激活MAPK级联
信号系统来行使功能。
近来发现, 乙烯能活化拟南芥中MAPK 47
kD蛋白。Quaked等(2003)在研究苜蓿中MAPK
524 23(5)
对不同生物和非生物胁迫时发现, 两个MAPK
—盐胁迫诱导的MAPK(SALT-STRESS-INDUCI-
BLE MAPK, SIMK)和苜蓿MAPK3(Medicago
MAPK3, MMK3), 被ACC诱导, 并且它们的活
性是受SIMKK(SIMK Kinase)诱导的, 而且ACC
处理刺激SIMKK的活性。在拟南芥中发现, 乙
烯能诱导拟南芥MAPK(MPK6)的活化, 而且此
过程需要有功能的乙烯受体和CTR1参与, 但并
不需要 EIN2和 EIN3。这些证据暗示了由
SIMKK和SIMK(MPK6)组成的MAPK级联信
号系统参与了乙烯反应途径, 并且处于乙烯受体
和 CTR1的下游。
过量表达SIMKK的转基因拟南芥显示组
成型的乙烯反应表型。与 ctr1表型类似, 此转
基因植物表型不被乙烯合成抑制剂AVG所抑
制, 表明此表型是由于乙烯信号转导增强而非乙
烯过量表达所致。在SIMKK过量表达植物中,
AtMPK6的活性被组成型地活化了。这些证据
表明SIMKK-MPK6途径是乙烯反应的正调节
因子(Quaked et al., 2003)。Liu等(2004)发现
ACS2和ACS6是AtMPK6的底物。ACS6被
MPK6磷酸化后稳定性增强, 导致胞内ACS的
水平增高从而提高乙烯产量。
虽然此途径看似可行, 但还有几个问题需
要解决: 一个是如果CTR1是SIMKK的上游, 由
于CTR1为乙烯反应的负调节因子而SIMKK-
MPK6途径是乙烯反应的正调节因子, 所以
CTR1必须负调节 SIMKK, 但动物和植物的
MAPK级联信号系统中从未报道过负调节的情
况, 所以需要更多的证据来证明这种情况。另
外, 由于EIN2和EIN3是乙烯反应所必需的组分,
需要在ein2和ein3突变体中过量表达SIMKK
以确定它处于EIN2和EIN3的上游还是不依赖
于 EIN2和 EIN3。
在CTR1之后是EIN2, ein2功能缺失突变
体表现为乙烯完全不敏感, 因此, 在乙烯信号转
导途径中, EIN2具有关键性的作用。上位分析
表明EIN2位于CTR1的下游。EIN2编码一个
1 294个氨基酸的膜蛋白, 它有 12个跨膜结构
域。其N端与阳离子转运蛋白Nramp家族有
较高的同源性, 而其 C端是一个未知的结构
域。EIN2的 C端参与了乙烯的信号转导, 在
EIN2缺失突变体ein2-5中过量表达EIN2的C
端(EIN2CEND), 成年的转基因植株显示组成型
的乙烯反应和组成型表达乙烯调控的基因, 但在
暗生长的幼苗不能诱导三重反应。这个结果
说明EIN2的N端作为一个信号接受域与上游的
信号因子相互作用; 而C端是将此信号向下转
导所必需的结构域(Alonso et al., 1999)。
由于 EIN2与Nramp家族蛋白类似, 所以
EIN2被假设能作为二价阳离子转运蛋白发挥作
用, 然而并没有发现EIN2的金属结合或金属转
运功能。所以EIN2在乙烯信号转导中究竟如
何发挥作用至今仍不清楚。
有趣的是, 在其它信号途径的突变体筛选
中也独立地筛选到ein2突变体, 例如筛选生长
素极性运输、细胞分裂素反应、ABA敏感性
和衰老延迟等。这表明EIN2在多种信号途径
中起作用, 或者可能是多种信号途径的交叉点,
当然也存在其它可能性。另外, ein2突变体也
对某些细菌及真菌的敏感性有变化, 因此EIN2
可能也参与了生物胁迫。
3.3 乙烯的核内信号转导
在ein2缺失突变体中过量表达EIN3引起
植物表现组成型乙烯应答, 这表明EIN3在乙烯
信号途径中处于EIN2的下游。ein3功能缺失
突变体表现乙烯部分不敏感, 这说明EIN3是一
个乙烯反应的正调节因子(Chao et al., 1997)。
EIN3编码一个由 628个氨基酸组成的转录因
子 。
乙烯对EIN3调控是通过泛素降解途径来
完成的。乙烯不存在条件下, EIN3很快地通过
由两个F-box蛋白, EBF1和EBF2(EIN3-binding F
box protein 1和2), 介导的泛素 /蛋白酶体途径
降解。过量表达EBF1的植物对乙烯不敏感; 相
反的, ebf1ebf2双突变体显示组成型的乙烯反应
5252006 陈涛 等: 乙烯的生物合成与信号传递
(Guo and Ecker, 2003, Potuschak et al., 2003)。
通过上述研究表明泛素/蛋白酶体途径通过降
解EIN3来对乙烯反应进行负调控。在乙烯信
号转导中, EIN3的降解需要降低或关闭以允许乙
烯刺激后 EIN3的积累。有几种机制可以解释
乙烯是怎样调控 EIN3活性的。一种是感知乙
烯刺激后, SCFEBF1/EBF2被负调节以积累EIN3;
另一种是直接保护EIN3不被泛素途径降解。
EIN3/EILs作为转录因子的直接证据是发
现它们能结合ERF1(ethylene response factor)基
因的启动子元件, 即初级乙烯应答元件(primary
ethylene-response element, PERE)。ERF1是
EIN3的已知仅有的目标。EIN3/EIL1/EIL2是以
同源二聚体形式与ERF1的PERE结合的。
ERF1属于一大类植物特异的转录因子家
族, 在拟南芥中有124个成员, 这个家族也被称
为 EREBPs(ethylene response element binding
proteins)。其中的某些转录因子能结合次级乙
烯反应元件(secondary ethylene response
element, SERE), GCC-box。这个元件序列是一
些防御基因表达所必需的。一些ERF基因编
码转录激活因子, 而另一些编码转录抑制因子。
不同ERF基因的表达所受的调控也不同, 其中
只有一小部分受乙烯调节, 例如ERF1、ERF14
等。一些ERF基因的启动子序列也包含了GCC
box, 表明这些ERF基因能被ERF家族其它成员
调控。这种家族多个成员转录级联使得其能
在多个点被不同途径调节(Solano et al., 1998)。
综上所述, 乙烯的信号转导通路可以用图3
来概括。
3.4 乙烯信号转导中的其它组分
除了上面已详尽鉴定的突变体外, 还有一
些突变体也显示影响了乙烯信号转导。基于
双重突变体分析, 乙烯不敏感突变体ain/ein5、
ein6和ein7位于CTR1的下游(van der Straeten
et al., 1993; Roman et al., 1995)。隐性突变体
aux1和eir1/pin2/agr1, 其下胚轴对乙烯有反应
而根显示乙烯不敏感。aux1突变体是生长素
抗性的而 eir1突变体是对生长素有反应的。
Aux1是生长素转运蛋白, 在生长素的转运和重
新分配中起作用(Bennet et al., 1996)。aux1和
eir1/pin2/agr1的根对乙烯不敏感可能与乙烯
调控生长素的运输有关。
通过使用低浓度的乙烯, 鉴定出了增强的
乙烯反应突变体 eer1 (enhanced ethylene
response)。eer1突变体在其下胚轴和茎有增
强的乙烯敏感度而在根部的乙烯敏感度却降低
了。对eer1进行分子克隆显示, 它的表型是由
RCN1的功能缺失造成的。RCN1是拟南芥中
蛋白磷酸酶 2A(PP2A)的三个调节亚基之一。
其参与乙烯途径可能是PP2A调节CTR1的活性
(Larsen and Cancel, 2003)。
用低剂量筛选到了弱的乙烯不敏感突变体
we1。wei1、wei2和 wei3幼苗仅在根部显示
乙烯不敏感性, 而wei4和wei5在根和下胚轴显
示不敏感性。wei1是 TIR1的隐性突变, TIR1
编码一个生长素反应中SCF蛋白泛素连接酶的
一个组分。wei4是由于乙烯受体ERS1的一个
突变造成的。wei2和wei7分别编码邻氨基苯
甲酸酯合酶(anthranilate synthase)的 a和 b两
个亚基。邻氨基苯甲酸酯合酶是色氨酸合成
途径的限速酶。
图3 乙烯信号转导通路模型(引自Chang, 2003)
Fig. 3 Ethylene signal pathway model (Chang, 2003)
526 23(5)
最近, Resnick等(2006)在etr1-2乙烯不敏感
突变体基础上进行突变筛选, 得到两个有乙烯反
应的突变体, etr1-2 rte1-1和 etr1-2 rte1-2。
RTE1编码一个可能膜蛋白, 它在植物和原生生
物中高度保守。遗传分析表明, RTE1是乙烯信
号转导的负调控因子并通过调节ETR1的功能
参与乙烯反应(Resnick et al., 2006)。
4 乙烯与其它信号转导通路间的交叉
激素的相互作用在植物的整个生活周期
内、不同组织器官内、不同类型细胞内一直
存在。不同激素信号的整合介导了植物的生
长发育、衰老死亡以及对环境的反应。
4.1 乙烯与生长素
上述的 aux1和 eir1突变体说明了乙烯与
生长素之间有相互作用。另外一个例子是hls1
突变体, 它在暗生长时有乙烯的情况下失去形成
显著的顶钩的能力。这种无顶钩的表型可以
通过加入生长素或生长素转运抑制剂来模拟。
HLS1编码一个预测的N-乙酰转移酶, 它通过抑
制生长素反应因子ARF2在顶钩区控制生长素
的反应。乙烯和光都通过HLS1来调节ARF2,
这表明HLS1在乙烯、光、生长素共同调节
的顶钩的形成、保持和展开的过程中起着关
键的枢纽作用(Lehman et al., 1996; Li et al., 2004)。
另外一个突变体alh1是ACC相关的长下胚轴
突变体, 它的表型是在有光没有乙烯情况下, 比
野生型有更长的下胚轴, 这个表型可以被生长素
转运抑制剂所恢复(Vandenbussche et al.,
2003)。近来研究发现两个生长素反应因子
ARF19和ARF7既参与了生长素的信号也参与
了乙烯的反应(Li et al., 2006)。总之, 上述证据
都表明乙烯与生长素在很多点都有交叉。
4.2 乙烯与ABA
筛选 ABA信号转导途径突变体时发现,
EIN2和CTR1分别是ABA不敏感突变体abi1
的抑制因子和增强因子(Beaudion et al., 2000)。
era3突变体以前被鉴定是ABA超敏感的, 后来
发现与 ein2是等位的。植物对乙烯不敏感的
突变体, 例如etr1和ein2, 在萌发过程中对ABA
的敏感性增强, 而ctr1突变体在萌发过程中对
ABA的敏感性降低。ctr1突变体加强了 abi1-1
对 ABA不敏感性, 而 ein2则相反。这些结
果说明这两种激素作用于同一条或两条平行
的途径。
4.3 乙烯与水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)
在大多数情况下, 植物对广谱病原的系统
获得抗性, 是通过提高内源水杨酸(SA)的水平来
实现的。SA诱导表达一些病原相关基因, PR
基因的表达。然而有一些病原通过激活乙烯
和茉莉酸(JA)的信号通路来诱导植物的防御反
应。乙烯信号途径突变体 ein2和 JA信号途径
的突变体coi1不能诱导一些PR基因的表达, 这
些基因包括 PDF1.2、PR-3、PR-4, 于是导致
了这些突变体对某些病原的易感性。有趣的
是PDF1.2的诱导需要JA和乙烯信号的共同参
与, 而这两个激素介导的大多数其它反应只对其
中一个激素有特异性。这说明乙烯与 JA信号
途径相互作用, 共同调节一些参与植物防御的基
因表达。由于只有少数基因是受两个信号影
响的, 所以两个信号通路的相互作用可能是在下
游, 可能是在某些防御基因的启动子水平上。
然而乙烯和 JA信号通路也可以独立地作用来
调节防御反应的不同过程。Brader等(2001)研
究显示防御化合物3-吲哚-甲基芥子油苷的病
原诱导积累是与 JA介导的而不通过乙烯或
SA。拟南芥的两个突变体 cpr5和 cpr6, 在没
有病原入侵时也表达PR-1和PDF1.2。ein2突
变体加强了 SA在 cpr5中的积累却减弱了 SA
在 cpr6中的积累, 这说明乙烯与 SA之间既有
正相互作用也有负相互作用, 其作用机理是复杂
的。还有一些实验表明SA与乙烯间信号的相
互作用还表现在 CTR1、MAPK和 ERF水平,
说明这两个信号之间存在多个点, 多个层面以及
多种调节机制的相互作用。
4.4 乙烯与细胞分裂素
5272006 陈涛 等: 乙烯的生物合成与信号传递
低剂量的细胞分裂素(0.5-10 mmol.L-1)能
刺激乙烯的产生。上面提到的突变体 cin5是
细胞分裂素不能诱导产生乙烯的突变体, 此表型
是由于 ACS5发生突变造成的。这表明ACS5
是细胞分裂素调控乙烯生产的目标之一, 这种调
控主要是通过增强ACS5功能而不是通过提高
其mRNA的表达水平, 是一种转录后调节(Vogel
et al., 1998a, 1998b)。另外, 过量表达ETO1可
以抑制细胞分裂素诱导的乙烯产生(Wang et al.,
2004)。
4.5 乙烯与糖
Gibson等(2001)分离出了糖不敏感突变体
sis1(sugar insensitive 1), 它的表型是幼苗发育
期对高浓度糖的抑制效应不敏感。SIS1基因
是 CTR1的等位基因(Gibson et al., 2001)。另
外一个突变体 sis4也和 ctr1是等位的(Zhou et
al., 1998)。这些遗传研究表明乙烯信号通路在
植物对糖的反应中扮演角色。然而以上并不
能说明CTR1是乙烯调节糖信号途径的位点, 而
可以解释为CTR1失去功能使乙烯信号组成型
产生, 从而导致了对糖的不敏感性。糖对乙烯
信号途径的调节可能发生在转录因子水平。
研究发现糖和乙烯在调节EIN3蛋白稳定性上
起拮抗作用。糖加速了EIN3的降解而乙烯使
EIN3更加稳定。植物糖感受器己糖激酶介导
了这个反应(Yanagisawa et al., 2003)。DNA
microarray 分析显示有几个乙烯合成和信号转导
的基因受糖抑制(Price et al., 2004)。
4.6 乙烯与逆境胁迫
由于乙烯合成可以被病原、机械伤害、
干旱、高温、盐等多种逆境所诱导(Johnson
and Ecker, 1998), 因此乙烯也常常被认为是与逆
境应答有关的植物激素。逆境条件下乙烯信
号的提高主要是由于SAM到ACC的转化效率
提高, 这表明ACS表达水平的提高是植物在逆
境条件下乙烯产量提高的主要原因。
在研究中发现, 拟南芥乙烯受体ERS2的表
达受盐诱导。烟草乙烯受体NTHK1的表达也
受盐诱导, 过量表达NTHK1的拟南芥和烟草都
对盐敏感性增加, 盐处理转基因拟南芥和烟草能
使 NTHK1的mRNA积累。转基因 NTHK1拟
南芥中, 盐反应基因 AtERF4、Cor6.6 和 rd17
的表达都增强了。NTHK1的不同结构域在植
物的盐胁迫反应中具有不同的功能, GAF结构
域能诱导 Cor6.6的表达, 激酶结构域能诱导
AtERF4的表达。NTHK1可能通过调控下游
NAC基因等参与盐胁迫反应。另外, 乙烯受体
功能获得突变体 etr1-1、ein4-1等都有盐敏感
表型, 乙烯受体功能缺失突变体 etr1-6、etr1-8
等与野生型相比并没有明显提高盐敏感性, 这与
这些受体对乙烯的反应是一致的。研究 ein2
功能缺失突变体也发现其对盐敏感性增强, 表明
EIN2能增加植物的抗盐能力。但是另外一个
乙烯不敏感突变体ein3-1, 与野生型相比其对盐
的敏感性没有明显变化, 说明植物的盐胁迫反应
并不通过EIN3,可能由EIN2沿另一个支路向下
转导(Zhang et al., 2001; Xie et al., 2003; He et al.,
2005; Cao et al., 2006; Zhou et al., 2006)。这些
发现都表明乙烯信号途径是植物盐胁迫反应所
需要的。
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