全 文 ：乙烯是最简单的植物激素,在种子萌发、根毛
发育、根的结瘤、花的凋谢、脱落和果实成熟等植物
生命周期的多个环节中发挥重要作用,是植物生长
和发育的有效调节子[1]。
植物受病原菌侵袭、机械损伤、环境因子等生
物和非生物胁迫时,通过系统性获得抗性(SAR)和
诱导系统抗性(ISR)进行有效防御。乙烯作为抗病
信号分子的作用之前在科研界倍受争议,目前已经
确认受病原物侵染后植物可通过乙烯信号转导机
制来驱动特异的生物学反应。并且以双子叶植物黄
化幼苗的三重反应特性为基础,鉴定了大量的拟南
芥乙烯突变体 (如 eto类、ctr类、ein类、eer类等)[2];
确认了大量参与乙烯信号转导的基因位座(loci);
对部分基因产物进行了生化功能鉴定和遗传学分
析,使乙烯信号转导网络成为抗病信号系统中了解
得最为透彻的领域。本文概述了植物SAR和ISR过
程中乙烯的作用,以及乙烯信号的感知、转导以及在
核内的调节活动等乙烯信号网络的最新研究进展。
植物SAR和ISR中的乙烯信号转导网络
赵利辉 邱德文 刘峥
(中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081)
摘 要: 乙烯作为重要的信号分子在植物SAR和ISR中发挥重要作用。受病原物和其它激发子处理后,植物体内
乙烯被合成,为内质网上一个 His激酶类受体家族(Ⅰ型和Ⅱ型)所感知,在铜离子的转运活性下,乙烯与受体的结合使
Raf-类Ser/Thr激酶CTR1失活。在CTR1的下游,EIN2、EIN3、EIN5/AIN1、E 6、EIN7是乙烯反应的正调节子,负责
乙烯信号的传导。EIN2编码功能未知的新的膜整合蛋白,而EIN5/AIN1、E 6和EIN7尚未从分子水平上进行鉴定。定
位在核内的DNA结合蛋白EIN3,直接作用于ERF1,调节乙烯反应基因的转录,激活植物防御素和病程相关蛋白基因的
表达,使植物建立抗病性反应。
关键词: 乙烯 植物系统性获得抗性 植物诱导系统抗性 信号转导
Ethylene Signal Transduction in Plant Systematic Acquired
Resistance and Induced Systemic Resistance
Zhao Lihui Qiu Dewen Liu Zheng
(Institute of Environment and sustainable development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)
Abstract: Pathogen-induced broad-spectrum systemic acquired resistance (SAR) and non-pathogen rhizobacteria-
elicited induced systemic resistance (ISR) are developed when pathogen and other elicitors attacked plants. Ethylene as
signal molecule played an important role in the process. After elicitor-induced ethylene produced, it was perceived by a
receptor family with histidine kinase activity, the high affinity binding of ethylene to protein receptors,in which copper is
required, inactivated CTR1. CTR1 was a negative regulator of the pathway, allowing for its downstream positive regula-
tor EIN2,EIN3, EIN5/AIN1,EIN6,EIN7 to be transduced. The downstream component EIN2 encoded a new mem-
brane-integrated protein, whose function was still unknown. EIN5/AIN1,EIN6 and EIN7 have not yet been characterized
at the molecular level. Nuclear-located EIN3 directly targeted to a transcriptional factor ERF1, activating transcription of
a set of ethylene response genes, induced expression of PDF1.2 and PRs genes, and in the end resistance response estab-
lished.
Key words: Ethylene Systemic acquired resistance Induced systemic resistance Signal transduction
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2006年第3期
收稿日期:2005-10-31
作者简介:赵利辉(1974-),女,在读博士,研究方向:主要从事植物诱导抗性机理研究,E-mail:zhaoLihuihn@sohu.com
2006年第3期 赵利辉等:植物SAR和ISR中的乙烯信号转导网络
1 依赖于乙烯的 SAR
植物受病原菌侵染或受其他激发子处理后会
诱导产生 SAR,体内水杨酸(SA)水平明显增加,PR
蛋白基因表达量增加。但 SA不是介导 SAR的惟一
的信号分子,研究证实,乙烯作为重要的信号分子
在植物的抗病性途径中也起着重要作用:如受 TMV
侵染的烟草叶片坏死的同时乙烯合成增加[3];外源
施用 Et可诱导Ⅰ类碱性几丁质酶、Ⅰ类 "-葡聚糖
酶等碱性 PR蛋白的产生,使细胞壁加厚[4];而组成
型表达 ERF1的拟南芥可充分抵抗 Botrytiscinerea
和 Plectosphaerelacucumerina的侵染[5]。
植物对病原菌防御过程可能取决于多个方面,
包括植物对乙烯的感受能力、将乙烯信号从膜上转
导至核内的能力,以及对特定乙烯反应效应物基因
的表达激活的能力等,乙烯对 SAR的作用效果因病
原菌类型和植物种类的不同而异[1,6]。一方面外源乙
烯处理的不同植物对不同病原菌的抗性反应存在
差异。如外源施用乙烯后,接种上 Pencilium i-
talicumWhemer的柑桔果实其病斑直径减小,氨基
葡萄糖含量降低,甘薯抗 Ceratocystis fimbriata的
侵染能力增强;而乙烯处理却使接种 B.cinerea的
草莓发病症状更为严重,使 Diplodia natalensis引
起的柑橘类果实的腐烂进程加速[7~9]。另一方面乙烯
不敏感型突变体对不同病原菌反应也存在差异。如
乙烯敏感性降低的大豆突变体对 Psedomonassy-
ringaepvglycinea和 Phytophthorasojae、拟南芥和
番茄突变体对 Psedomonassp.和 Xanthomonassp.发
病症状减轻,而大豆突变体对 Septoriaglycines和
Rhizoctoniasolani、烟草突变体对 Pythium sp.、拟南
芥突变体对 B.cinerea和 Erwiniacarotovora的敏感
性增强 [10~13],拟南芥突变体对 A.brassicicola和 P.
parasitica的发病症状和发病进程均不受影响 [13~14]。
Berocal-Lobo等(2002)进一步分析认为,乙烯在不
同的植物-病原菌互作中表现出的这种不同作用,
可能在于不同病原菌的侵染机制不一,另外乙烯作
为植物生长发育的有效调节子,与多方面生理效应
相关,也间接导致了乙烯在一些植物-病原菌互作
中的反面作用[5]。
2 依赖于乙烯的 ISR
ISR是非致病的植物促生根瘤菌(PGPR)诱导
产生的另一类系统抗病性,在根部定植以后系统
发生[15],可增强对 Fusarium oxysporum 、Peronospora
parasitica、Xanthomonascamppestris和 Pseudomonas
syringae等多种病原菌的抗性[16~18]。
Pieterse等(1996)发现 P.fluresensWCS417r细
菌能够使缺乏 SA合成能力的 NahG植物抗 P.
syringaepv.TomatoDC3000,而 JA反应突变体 jar1-
1及各种乙烯反应突变体如 etr1、ein2、eir1-1却不能
表达 ISR[19],显示 JA和乙烯在 ISR中发挥重要作
用。但表达 ISR的拟南芥植物其 JA和乙烯反应基
因 Lox1、Lox2、Pdf1.2、Hel、Chib和 Pal1等在根和叶
中均不系统或局部被诱导激活[20],且 JA和乙烯含
量也不发生系统或局部的增加 [20,21]。只是表达 ISR
的植物 ACC氧化酶活性提高,从而增强将 ACC转
换成乙烯的能力,使感染位点具有更强的产生乙烯
合成潜力[21]。
目前关于 ISR的信号转导途径,普遍认为虽然
ISR不依赖于 SA和 PR蛋白的激活,但 NPR1却对
ISR的产生是必需的。研究表明乙烯能够诱导 jar1-
1植物产生 ISR,但不诱导 npr1植物表达 ISR,表明
在 ISR信号途径中乙烯反应组分居于 JA组分的下
游和 NPR1的上游[1]。
3 乙烯信号的感受-内质网上的受体家族
对各种生物和非生物胁迫的响应而产生的乙
烯为一个受体家族所感受,早先的研究认为乙烯受
体家族位于原生质膜上,但最新的研究表明,该受
体家族位于内质网膜上,与感受环境信号改变的细
菌双组分 His激酶同源[22,23]。乙烯受体首先从拟南
芥中分离得到,后从番茄水稻、康乃馨、嫩茎花椰
菜、苹果、Rumexpalustris和香瓜等植物中得到分离
鉴定[24]。拟南芥和番茄中的乙烯受体研究得较为透
彻,拟南芥中分离出 5个乙烯受体,分别为 ETR1、
ETR2、ERS1、ERS2和 EIN4,番茄中分离鉴定出 6
个,分别为 LeETR1~LeETR6。
典型的乙烯受体由N末端的乙烯结合区,紧随
其后的 GAF区和 C末端的 His蛋白激酶区构成,一
些受体家族在C末端还含有接收区[25]。根据受体结构
域中跨膜区的数量以及是否存在标准的组氨酸基序,
受体家族又可进一步分为Ⅰ-型和Ⅱ-型两个亚族[26]。
拟南芥中ETR1和ERS1,番茄中的LeETR1、LeETR2
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生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第3期
和 LeETR3属于Ⅰ-型亚族,其特征是在蛋白 N末端
结合乙烯的区域具有三个跨膜区,C末端含一个高
度保守的组氨酸激酶区。拟南芥中 ETR2、ERS2和
EIN4,番茄中 LeETR4、LeETR5、LeETR6则属于Ⅱ-
型亚族,据推测在 N末端区含有 4个疏水的延伸区
和一个退化的组氨酸激酶结构域,此结构域缺少了
催化活性所需的序列。更有研究认为Ⅱ-型受体的组
氨酸激酶结构域越退化,越有可能进化成 Ser/Thr激
酶结构域[27]。但多受体基因联合缺失突变体的研究
表明,His激酶或 Ser/Thr激酶活性对受体的信号转
导均不是必需的,乙烯信号的感受和转导通过非激
酶机制进行[28]。
通过多受体功能联合缺失突变体的表型发现,
乙烯受体是乙烯反应中的负调节子。受体本身处于
开启状态,抑制乙烯反应,而受体与乙烯的结合可能
关闭了受体的信号转导,诱导乙烯反应。这一现象的
产生与乙烯受体水平的改变影响植物对乙烯敏感性
直接相关 [29]。已知环境因子和发育因子均可影响乙
烯受体水平的改变,从而调节植物对乙烯的敏感性
[30~31]。
Rodrìguez等(1999)纯化 ETR1结合活性时发现,
铜离子的加入对恢复酵母提取液中 ETR1的乙烯结
合活性是必需的,且铜离子与 ETR1共纯化。如果
ETR1-1蛋白的第 65位 Cys突变成 Tyr,则 ETR1失
去了乙烯结合活性和铜离子的共纯化活性,揭示乙
烯与受体蛋白的高亲和结合需要转运金属铜离子作
为辅因子[32]。拟南芥 RAN1的克隆和鉴定进一步证实
了铜离子对受体结合活性的作用,RAN1编码铜离子
转运体,该转运体与铜离子转运 P-型 ATP酶相似。
植物体内的 RAN1将亚铜离子转运给受体,使受体
具有正常的乙烯结合活性[33]。ran1~3突变体失去铜
离子转运活性,产生乙烯受体功能缺失突变相似的
表型,而施用外源铜离子能部分挽救这种表型[33]。
4 乙烯信号的转导-CTR1的负调控和 EIN2
的正调控
基因上位性分析突变体已广泛用于确定基因产
物的作用顺序,研究表明 ctr1和 ein4,ctr1和 etr1双
突变体均表现ctr1的表型,而ctr1和ein2或ein3,ein5/
ain1,ein6,ein7双突变体都表现 ein表型,说明 CTR1
位于受体 EIN4和 ETR1的下游,和 EIN2、EIN3、EIN5/
AIN1、EIN6和 EIN7的上游[34]。
CTR1是乙烯信号途径中最早被分离的基因,对
CTR1突变位点(mutationale)的分析表明,任何位点
的突变都产生功能减弱或功能丧失的激酶,揭示
CTR1的磷酸化活性抑制下游的乙烯反应,CTR1是
下游信号转导中的负调节因子。对 CTR1基因的克隆
表明它属于 Ser/Thr蛋白激酶的 Raf家族,Raf激酶被
小的 GTP结合蛋白 Ras激活,调节哺乳动物中促分
裂原活化蛋白激酶 (MAPK)信号转导级联反应[35]。
CTR1的 N末端区功能尚不清楚,酵母双杂交和基
因敲除(pul-down)试验证实 N末端区能与 ETR1和
ERS1的 His激酶区相互作用,并且对于受体定位于
内质网膜上起着重要作用。而 C末端区与已知的
Raf-类 MAPKKs(促分裂原激活蛋白激酶激酶)具有
高度的相似性,提示 MAPKs级联反应可能介入了
对乙烯反应的抑制。
Gao等(2003)研究认为 CTR1在内质网膜上的
定位可能依赖于乙烯受体[23]。有两方面的证据可以
证明:(1)对拟南芥内质网膜微囊中 CTR1亲和纯化
时,ETR1也随之纯化,CTR1和 ETR1以蛋白复合物
的形式存在。Cancel等(2002)也认为 CTR1的 C末
端与Ⅱ型受体 ETR2有较弱的相互作用[36]。因此有
人推测,Ⅰ型受体和Ⅱ型受体均可通过 C末端的激
酶结构域与 CTR1相互作用,而Ⅰ型受体结合能力
较强,Ⅱ型受体结合力较弱;(2)多个乙烯受体功能
的缺失使 CTR1从内质网膜上解离下来。
通过 MAPKs级联反应,乙烯信号传递到 CTR1
的下游组分 EIN2。EIN2是乙烯信号级联反应中第
一个正调节子[37]。目前,从玉米、水稻等多种植物中
均已获得 EIN2的类似物 [38,39]。EIN2编码一种新的
膜整合蛋白,EIN2的 N末端疏水结构域虽然与金
属离子转运体的 Nramp家族成员具有相似性,但检
测不到金属转运活性;C末端亲水区虽然也含有典
型的参与蛋白质互作的结构模式,但与已知的任何
蛋白均不具有同源性[37]。在 ein2中,过量表达 EIN2
亲水的 C末端部分可组成型激活部分乙烯反应,并
使突变体部分恢复对百草枯和 JA产生反应的能
力,但没有完全恢复对乙烯反应的能力,这些结果
说明 EIN2的两个结构域可能具有不同的作用,N
末端可能对感受来自于信号转导途径上游组分的
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2006年第3期
信号发挥重要作用,而 C末端对于将信号传到下游
组分上是必需的,或部分执行该功能[37]。
CTR下游还存在 EIN5/AIN1,EIN6和 EIN7蛋
白,它们的具体的功能尚未确定,与信号转导组分
的关系也不清楚。
5 乙烯信号在核内的活动-EIN3/EILs的转录
后调节
EIN3的分子鉴定为乙烯信号转导早期核的调
节提供了直接的证据。EIN3编码一种位于核内的新
蛋白,该蛋白与拟南芥的多基因家族 EIL类蛋白
(EIL1EIL5)的氨基酸序列相似[40]。可能代表的是一
类新的转录调节因子,含有多个可能参与 DNA结
合的碱性结构域,也具有酸性结构域和富含脯氨酸
和谷氨酸的区域,及其它转录激活结构模式[40]。在
EIL类蛋白多基因家族中,EIN3和 EIL1结构功能
最为接近,都含有一小段带正电荷的氨基酸序列。
通过番茄、绿豆、烟草等多种植物的研究发现,过量
表达 EIN3和 EIL1的植物均表现出组成型三重反
应表型,而过量表达 EIL2EIL5的植物不表现野生
型表型[40]。有意思的是,尽管 ein3和 eil1单一缺失
突变体对乙烯不完全敏感,但 ein3和 eil1双突变体
却表现对乙烯的高度敏感性,充分表明 EIN3和
EIL1足以介导乙烯信号转导过程,而且 EIN3-类家
族成员在调节乙烯反应方面存在功能冗余[41],家族
成员与 EIL1亲缘关系越近在特定组织或特定发育
阶段的乙烯反应中所起的作用越大[28]。
EIN3的转录不受乙烯调控[42]。Leeetal(2003)发
现 EIN3/EIL的 mRNA水平的改变不受乙烯处理的
影响,也不是激活乙烯反应所必需的[42],但乙烯处理
却改变 EIN3/EIL蛋白水平,且过量表达 EIN3/EIL
的植物表现出组成型乙烯反应,说明 EIN3/EIL表达
的增强可诱导乙烯反应,这些基因在转录后水平上
受到乙烯的调控[43]。
转录因子 ERF1和 EDFs可能是 EIN3的作用
靶标,为 EIN3的下游可能存在一个转录级联反应
提供了证据 [29]。ERF1是植物特异性转录因子家族
EREBP(乙烯反应元件结合蛋白)的成员之一,离体
和活体实验均证实,EIN3与特定 ERF1启动子的原
初反应元件结合形成二聚体,ERF1反过来结合到
顺式作用元件 GCCbox上,调节 ERF1的转录[1,44]。
EIN3对 ERF1表达是必需的,能够充分刺激 ERF1
的表达。而且,ERF1的过量表达可表现一系列组成
型乙烯反应,部分挽救 EIN3的突变表型[45]。这些结
果表明 ERF1可能只调节 EIN3介导的乙烯反应的
一条支路。目前从拟南芥中已鉴定出 30多个
EREBPs,但只有少数几个已经被证实受到乙烯的调
节。此外,离体 DNA结合研究表明 EIN3或 EIL1蛋
白的同源二聚体也能结合到 EDFs上,EDF1~EDF4
可能也是 EIN3的潜在靶标,乙烯处理迅速使
EDF1~EDF4mRNA水平提高,且 edf1~edf4基因敲
除突变体表现出部分对乙烯的不敏感性。
6 结语
乙烯作为信号分子,介导了病原物和其他激发
子诱导的 SAR和 ISR,并且以拟南芥突变体进行的
大量研究,已总结出乙烯信号转导的线性模型,简
示如图 1。
要点如下:(1)已经确认在内质网膜上存在 His激
酶类受体家族,乙烯与受体的结合,使其下游组分
CTR1失活,从而打开乙烯信号通路。但乙烯与受体
的结合如何调节受体的功能,受体的直接作用靶标
是什么,受体与 CTR1之间是否存在中间组分,尚不
清楚。(2)CTR1和 EIN2、EIN3、EIN5、EIN6、EIN7负
责将信号从膜上转运到核内,并以不同的方式调控
乙烯反应。但目前有关这些组分的具体生化功能是
什么,各自的靶蛋白是什么,作用方式如何,需进一
步研究。(3)在核内,EIN3直接作用于转录因子
ERFs和 EDFs,激活或抑制乙烯反应基因的转录。但
EIN3之后是否存在转录级联反应,其细节如何,尚
需研究证实。
事实上,在植物的抗病信号转导网络中,乙烯
信号与其他信号如 SA和 JA等存在着一定的交叉
(crosstalk),作为激素的乙烯与其他激素如 ABA和
IAA等也存在一定的相互作用。相信先进的分子生
赵利辉等:植物SAR和ISR中的乙烯信号转导网络
注: 示抑制 示促进
图1 乙烯信号转导的简单线性模型[34]
31
生物技术通报Biotechnology Buletin 2006年第3期
物学手段、蛋白质组学技术和其他技术手段的结合
应用,将发现更多的交叉点,并深入揭示其参与生
命活动的分子机制。
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