全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (6): 540~544540
收稿 2011-04-01　　修定 2011-05-04
资助 河南省重点科技攻关项目(082102150009)和信阳师范学院
博士启动基金。
* 通讯作者(E-mail: xianwenli01@sina.com; Tel: 0376-
6390815)。
植物早期光诱导蛋白基因研究进展
李先文*, 谢素霞, 张苏锋, 陈世锋
信阳师范学院生命科学学院, 河南信阳464000
摘要: 植物早期光诱导蛋白(ELIP)是核编码的叶绿体蛋白, 它属于叶绿素结合蛋白超家族的成员。ELIP基因是一古老的基
因, 在原核细胞中即已存在。真核生物细胞核中的ELIP基因最初可能来源于其质体基因组。目前, 已从30多种不同植物中
克隆到该基因, 研究发现它们多属于胁迫诱导基因, 其功能可能涉及光保护作用。本文介绍了20多年来ELIP基因的克隆、
生物发生、表达调控和功能方面的研究进展, 以期为今后的进一步研究奠定基础。
关键词: 早期光诱导蛋白; 生物发生; 基因表达调控; 生理功能
Research Advances in the Genes of Early Light-Induced Proteins of Plants
LI Xian-Wen*, XIE Su-Xia, ZHANG Su-Feng, CHEN Shi-Feng
College of Life Sciences, Xinyang Normal University, Xinyang, Henan 464000, China
Abstract: Early light-induced proteins (ELIPs) are nuclear-encoded thylakoid proteins, and belong to the chlo-
rophyll a/b binding protein superfamily. ELIP genes are thought to be ancient as they have appeared in
prokaryocyte. ELIP genes of cell nucleus in eukaryocyte species may come from the genomes of the ancient
plastids. Currently, ELIP genes have been cloned from more than 30 plant species, and proven to be stress-in-
duced genes. It has been proposed that they may be involved in photoprotection role of plant leaves. In this pa-
per, it is presented that advances on the study in cloning, biogenesis, expression-regulation and function of
ELIP genes in past score years, in order to lay the foundation of further searching ELIPs.
Key words: early light-induced proteins; biogenesis; expression regulation; physiologic function
1 ELIP及其基因的克隆研究
植物早期光诱导蛋白(early light-induced pro-
teins, ELIP)最早发现于黄化豌豆幼苗的去黄化早
期, 并于叶绿体发育完成后迅速消失。由于在去
黄化时期, 它的mRNA和蛋白质比其他光诱导基因
的产物出现得都早, 并呈现瞬时积累的动力学特
点而得此名(Meyer和Kloppstech 1984)。后来, 人
们又发现, 成熟植株在多种胁迫条件下, ELIP基因
也被迅速而短暂地诱导(Adamska等1992; Tzvetko-
va-Chevolleau等2007)。目前已从30余种植物中克
隆出了ELIP基因, 包括藻类、苔癣、蕨类直到被
子植物, 如水绵(Spirogyra varians)、球蒴藓(Phy-
scomitrella patens)、北美云杉(Picea sitchensis)、
拟南芥(Arabidopsis thaliana)、大豆(Glycine max)、
杨树(Populus trichocarpa)、杜鹃(Rhododendron
catawbiense)、水稻(Oryza sativa)等。最近, 我们
研究组在茶树中也克隆到2个ELIP基因(Wang等
2009)。ELIP是由核基因编码的类囊体膜蛋白, 在
细胞质核糖体上以蛋白前体形式合成后被输入到
叶绿体内, 于加工后通过一条涉及到叶绿体信号
识别颗粒(the chloroplast signal recognition particle,
cpSRP)的路径, 在叶绿素a的参与下插入类囊体膜
上(Heddad和Adamska 2000; Hutin等2003)。而且,
人们推测ELIP蛋白的N端在叶绿体基质侧, C端在
类囊体腔侧(Heddad和Adamska 2000)。
目前对拟南芥的ELIP研究较为深入。在拟南
芥中, 有2个ELIP基因, 分别编码ELIP1和ELIP2蛋
白, 两者前体的大小分别为25.5 kDa和21.5 kDa, 成
熟的ELIP1和ELIP2大小分别为19.5 kDa和16
kDa。两个成熟蛋白中都有3个跨膜区域, 每个跨
膜区域包含19~23个氨基酸残基, 这与豌豆、大麦
的ELIP结构相似(图1-A)。而且, 这3个跨膜结构域
的氨基酸序列与光系统(PS)中捕光叶绿素a/b结合
综　述 Reviews
李先文等: 植物早期光诱导蛋白基因研究进展 541
蛋白(Cab)的对应区域高度相似, 并都能结合叶绿
素和类胡萝卜素(Heddad和Adamska 2000), 所以,
ELIP蛋白被归入叶绿素a/b结合蛋白超家族。目前
所克隆到的各种不同植物的ELIP基因编码蛋白都
具有上述特点。我们对来自进化地位差别较大的
10种生物的ELIP蛋白[3种绿藻: 盐生杜氏藻(Du-
naliella salina)的ABI79071、异形水绵(Spirogyra
varians)的ABR15761和淡水鱼腥藻(Chlorella vari-
abilis)的EFN59897; 2种针叶裸子植物: 地中海柏
木(Cupressus sempervirens)的ACJ09655和北美云
杉的ABK24316; 4种双子叶植物包括模式植物草
本拟南芥的XP_ 002885526、落叶木本毛果杨
(Populus trichocarpa)的XP_002312551、木质化草
本东方铁筷子(Helleborus orientalis)的ADV19257
和常绿木本茶树(Camellia sinensis)的ACB20694;
单子叶植物水稻的NP_001059030]进行了氨基酸
序列比对, 发现这类蛋白在结构上是高度保守的,
特别是在第一和第三跨膜螺旋及光合色素结合位
点谷氨酸(E)、天冬酰胺(N)和精氨酸(R)残基(Hed-
dad和Adamska 2000)都保持不变(图1-B), 暗示这
些结构对这类蛋白的功能发挥是非常重要的。
2 已克隆ELIP基因的发生学分析
在现已进行过相关研究的植物基因组中, ELIP
基因的复本数大多不超过3个(Peng等2008)。例如,
在豌豆和烟草中, ELIP仅由1个基因编码(Kolanus
等1987; Harari-Steinberg等2001), 而在大麦和拟南
芥中, 则由2个基因编码(Grimm和Kloppstech 1987;
Heddad和Adamska 2000)。在已克隆到的高等植
物ELIP的基因组序列中都含有3个外显子结构
(Heddad和Adamska 2000; Bruno和Wetzel 2004)。
图1 拟南芥ELIP1与 ELIP2推定的二级结构和10种不同植物的早期光诱导蛋白氨基酸序列的比对结果
Fig.1 The putative secondary-structures of ELIP1 and ELIP2 of Arabidopsis and the alignments
of the amino-acid sequences of 10 ELIPs from 10 plant species
A: 拟南芥ELIP1与ELIP2预测的二级结构(参考Heddad和Adamska 2000); B: 10种不同植物的早期光诱导蛋白氨基酸序列的比对结果,
下划线表示转运肽或跨膜螺旋(H1、H2和H3)结构区, H1和H3处“*”表示叶绿素a/b结合位点。
植物生理学报542
ELIP蛋白结构的高度相似性及其基因组序列的保
守性表明已克隆的ELIP是起源于同一祖先基因
的。
虽然高等植物的ELIP都是核基因编码在细胞
质中合成的, 但有些藻类(如Porphyra purpurrea和
Cyanidium caldarium)中也发现有细胞质染色体编
码的(Miroshnichenko-Dolganov等1995), 而在原核
生物蓝藻(如Cyanophora paradoxa)却存在于类核
基因组中(Green和Kuhlbrandt 1995)。因此, 人们推
测ELIP是一个古老的基因, 在原核生物时期即已
产生。而真核细胞的ELIP基因最初可能是来自原
始细胞质体基因组, 随后从质体转移到细胞核中,
再演化为多个拷贝(Pillen等1996)。
3 ELIP基因的表达及其调控
从ELIP发现至今的20多年中, 已有多种植物
ELIP基因的表达及调控得到了研究, 人们发现很
多胁迫因素都能诱导这类基因的表达 , 包括温
度、高盐、伤害、植物激素、光强光质和细胞发
育阶段等。低温是ELIP基因表达的主要诱导因素
之一, Shimosaka等(1999)研究发现, 小麦中的1个
ELIP (WCR12)基因在4 ℃时, 即使在低光强(50
μmol·m-2·s-1)条件下, 其mRNA也达到对照组(20 ℃,
250 μmol·m -2·s -1)的20倍。在4 ℃黑暗条件下 ,
WCR12的mRNA也可达到20 ℃高光强(1 000
μmol·m-2·s-1)条件下同样的水平。在冷驯化的拟南
芥和冬小麦叶(草本植物)、杜鹃和茶树的叶中(常
绿阔叶树种)以及蓝莓的芽中, ELIP基因都是表达量
被上调最高的成员(Wei等2005; Peng等2008; 何飞等
2008; Wang等2009)。盐胁迫可使胡杨叶中ELIP基
因表达显著上调(马群等2007); 而赤霉病菌毒素可
显著增强小麦的ELIP基因的表达(马璐琳等2009)。
另外, ELIP基因表达情况还与胚芽的发育时间长短
有关, 年龄越大的胚芽其ELIP mRNA的量越多。
然而, 研究最多的还是光对ELIP基因表达的
影响, 人们发现, 用白光处理豌豆和大麦幼苗时,
在1~250 μmol·m-2·s-1之间, ELIP转录本丰度没有明
显变化。但是, 单独的红光、远红光与蓝光都能
诱导ELIP基因表达, 而且蓝光诱导产生的ELIP比
红光多(Adamska和Kloppstech 1994; Adamska等
1992)。在球子蕨成熟孢子中贮藏有大量ELIP的
mRNA, 但其数量却随着红光诱导的孢子萌发过程
逐渐降低(戴绍军等2008)。在野生型拟南芥幼苗
的光形态建成中, 对ELIP基因表达情况及其在不
同波长下ELIP1和ELIP2 mRNA水平的研究发现,
在黑暗环境中处理4 d, 幼苗的2个ELIP基因都没有
表达。用红光、远红光、蓝光分别将幼苗处理1 h
后, 检测到2个ELIP基因的转录水平都上调了。在
黑暗环境中热激幼苗(在37 ℃下处理1 h)也能诱导
ELIP基因的表达。这表明黄化幼苗被暴露在光下
(即黄化质体向叶绿体转变的过程中), ELIP基因受
到光信号作用而诱导表达。在成熟植物体, 光胁
迫诱导的ELIP基因表达随着光照强度和胁迫持续
的时间而增加(Adamska等1992)。近年来, 人们还
发现, UV-A、UV-B等都可诱导ELIP基因的表达。
若在光照之前, 用放线酮(细胞质蛋白合成抑
制剂)处理黄化豌豆胚芽, 结果表明, 红光诱导ELIP
表达上调比未用抑制剂处理的材料中的量要高得
多, 但若把抑制剂处理时间放在光照之后, 则无此
变化, 说明红光诱导ELIP的正常产生需要某种核
编码蛋白的合成, 或者说此处存在着反馈调节。
如果用氯霉素(叶绿体蛋白合成抑制剂)处理豌豆
胚芽, 蓝光、红光都不能诱导ELIP基因表达, 这说
明叶绿体中新合成蛋白对诱导ELIP基因的转录是
必需的(Hutin等2002)。目前研究认为, 不同光质对
ELIP基因表达的调节是受不同种类光受体介导的,
由此启动不同的信号路径。在拟南芥中, 有5种光
敏色素分别感受红光和远红光刺激, 而隐花色素
则是相应的蓝光受体(Lin等1996)。光受体下游是
一系列起正/负调控作用的控制子, 其中, COP9信
号体(CSN)是一个多亚基调控复合体, 在黑暗环境
中它作为光形态建成的抑制子。CSN的一种靶物
质是HY5 (一个具有碱性亮氨酸拉链的转录因子,
它与光控基因的表达有直接的关系)。对拟南芥
hy5突变株的检测表明, 其中的ELIP2的表达水平
同野生型植株一样在光下会增加, 而ELIP1却没有
变化。这说明HY5与ELIP1基因转录有密切关系,
即HY5可激活ELIP1基因的转录。另外, 热激、低
温等胁迫因素也能诱导ELIP1和ELIP2的表达, 但
其作用机制与光信号转导之间没有明显联系, 是
相对独立的两条途径(Harari-Steinberg等2001)。至
于低温、高盐、病菌等胁迫是通过什么途径对
ELIP基因进行诱导目前尚无研究报道(图2)。
李先文等: 植物早期光诱导蛋白基因研究进展 543
4 ELIP功能研究
有关ELIP功能的研究已有不少报道, 一般认
为, ELIP具有光保护作用。例如, 在幼苗的去黄化
时, ELIP大量积累, 叶绿体成熟后就迅速消失了。
人们推测幼苗刚出土, 其色素含量低, 阳光下会出
现光损伤, 植物的光保护机制随即被激活。ELIP
在光损伤时被迅速诱导表明它有可能属于光保护
机构的成分。更直接的证据是2003年Hutin等利用
拟南芥的chaos突变体的实验, chaos突变体不能快
速积累ELIP而使植株对强光和低温更加敏感。若
将ELIP基因在chaos中组成型表达后发现, 转基因
拟南芥的强光耐受性又恢复到野生型状态。从而
使“ELIP具有光保护功能”的论点为更多人所接
受。至于其发挥作用的机制, 有多种推测: (1)光抑
制或光氧化胁迫条件下 , ELIP的积累总伴随有
LHCII mRNA水平降低和PSII反应中心D1蛋白的
快速更换过程, 说明它可能参与对破坏的光合元
件进行修复的过程(Wierstra和Kloppstech 2000;
Hutin等2003)。(2)由于ELIP含有叶绿素和叶黄素,
且二者的比率很高, 暗示ELIP在植物光胁迫时, 可
能是通过结合游离叶绿素, 与叶绿素、类胡萝卜
素结合形成三聚体, 通过热耗散过程阻止被活化
的叶绿素中的能量传给氧而产生自由基, 由此作
为临时色素载体或作为过量激发能储存、耗散场
所的作用等来发挥光保护作用(Adamska等1992,
1999; Hutin等2003)。(3)由于在拟南芥elip1/elip2
双突变体中发现其叶绿素和玉米黄质的含量下降,
而在超表达ELIP2的拟南芥中可导致其叶绿素合
成途径下调, 人们认为ELIP可能是作为叶绿素的
感受器, 阻止游离叶绿素的积累, 避免光氧化胁迫
(Tzvetkova-Chevolleau等2007)。
但是, 最近的一些研究结果对ELIP的光保护
作用理论提出了挑战, 例如, 对拟南芥双突变株
(elip1/elip2)的光耐受性的研究表明, 双突变体与野
生型相比, 对强光、低温、短暂光抑制的敏感度
是一致的, 此时在突变植株中也没有检测到其他
光保护蛋白[如胁迫增加蛋白(stress-enhanced pro-
teins, SEP)和单螺旋蛋白(one-helix proteins, OHP)]
的补偿性积累, 所不同的是在适宜光强下的绿化
过程中, ELIP的缺乏仅轻微降低叶绿素、玉米黄
质的积累速率和成熟叶片中色素的含量 , 说明
ELIP可能对这些天然色素的稳定性和合成过程有
某种程度的影响(Casazza等2005; Rossini等2006)。
另外, 小麦的ELIP (WCR12)基因的mRNA在4 ℃黑
暗条件下也可达到20 ℃高光强(1 000 μmol·m-2·s-1)
条件下同样的水平(Shimosaka等1999)和球子蕨成
熟孢子中也贮藏有大量ELIP的mRNA(戴绍军等
2008), 这些科学事实也都昭示ELIP的生理功能远
非光保护作用所能描绘, 仍需进一步深入探究。
综上所述, 可以看出ELIP虽然是一古老的基
因, 但却保持着高度保守性。其编码蛋白定位于
光合膜中, 并具有胁迫诱导特性, 说明它在高等植
物的质体中一定具有重要的功能, 对它的研究有
可能揭示出一些惊人的奥秘。
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图2 拟南芥幼苗中控制ELIP基因表达的信号转导通路的工作模型
Fig.2 Working model for the signal transduction pathways that regulate the expression of the ELIP genes in Arabidopsis
参考Harari-Steinberg等(2001)绘制。
植物生理学报544
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