全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (7): 669~679 669
收稿 2011-05-09　　修定 2011-06-10
资助 国家自然科学基金(30700511)。
* 通讯作者(E-mail : yqsun@hznu.edu.cn; Tel : 0571-
28862816)。
植物生长素反应因子研究进展
刘瑞娥1, 胡长贵2, 孙玉强1,*
1杭州师范大学生命与环境科学学院, 杭州310036; 2建德市野生动植物保护管理站, 浙江建德311600
摘要: 生长素反应因子(ARFs)是植物生长和发育的重要调节因子, 在生长素早期反应蛋白(Aux/IAAs)的参与下, 通过和生
长素反应基因启动子区AuxRE元件的TGTCTC序列结合, 共同调控这些基因的表达。近年来关于生长素反应因子的分子
结构和ARF与Aux/IAA的相互作用及其对植物生长和发育的影响、作用的靶基因以及分子机制受到人们的重视,并在这些
方面做了大量的研究。
关键词: 生长素反应因子; AuxRE元件; Aux/IAA阻遏子
Advances in Plant Auxin Response Factors
LIU Rui-E1, HU Chang-Gui2, SUN Yu-Qiang1,*
1College of Life and Environmental Science, Hangzhou Normal University, Hangzhou 310036, China; 2Wild Animals and Plants
Protection of Jiande, Jiande, Zhejiang 311600, China
Abstract: Auxin response factors (ARFs) are key regulator in plant growth and development. With participa-
tion of primary/early auxin response proteins (Aux/IAAs), ARFs bind specially to TGTCTC-containing auxin
response elements (AuxREs) found in promotors of primary/early auxin response genes. In recent years, the
molecular structure of auxin response factors, interaction of ARF and Aux/IAA, their function in plant growth
and development, target genes for ARF transcription factors and molecular mechanisms involved in ARFs’ reg-
ulation of gene expression in Arabidopsis and rice were focused on and illuminated by many research papers.
Key words: auxin response factors; AuxRE elements; Aux/IAA repressors
植物生长素是由植物分裂和活性旺盛的细胞
产生的调节植物生长方向的激素, 天然植物生长
素的主要活性形式为β-吲哚乙酸, 对植物的生长
和发育有重要的作用, 例如: 植物的胁迫反应、顶
端优势、侧根的形成、维管组织的分化等都与生
长素有关。大量的遗传学和生物化学实验研究表
明, 多数植物的生长素反应基因受两类转录因子
家族的调控: 一类是生长素反应因子(auxin re-
sponse factors, ARFs), 另一类是生长素反应阻遏子/
抑制子(Aux/IAA阻遏子)。ARFs蛋白和Aux/IAA
阻遏子都属于生长素早期反应基因的转录调控因
子(Hagen和Guilfoyle 2002)。
ARF是介导生长素反应, 调控生长素反应基
因表达的一种转录因子(Hagen和Guilfoyle 2002;
Tiwari等2003)。ARFs蛋白可以和生长素反应基因
的启动子区的生长素反应元件(auxin response ele-
ment, AuxRE)中的TGTCTC序列特异结合, 从而介
导生长素反应基因的转录, 而在一定的生长素浓
度下, Aux/IAA蛋白又可以先和ARFs结合形成二
聚体, 阻止ARFs蛋白与AuxRE元件的结合, 从而调
控生长素反应基因的表达。结合近年来有关生长
素反应因子的研究, 本文就ARFs在植物的生长和
发育中的作用及其分子调控机制作一论述。
1 两类生长素转录调控因子家族的分子结构
1.1 ARFs蛋白的分子结构
拟南芥中存在23种ARFs蛋白, 大部分ARFs包
含3个结构域, 一个位于氨基末端的DNA结合区
(DNA binding domain, DBD), 一个位于羧基末端的
二聚体形成区(carboxy-terminal dimerization do-
main, CTD) (Ulmasov等1999b; Hagen和Guilfoyle
2002)和一个长的中间区(middle region, MR), 根据
MR区所含氨基酸的丰度和组成特点, 可将其分为
激活区(activation domain, AD)和抑制区(repression
domain, RD) (图1)。
ARFs蛋白的DBD区属于植物特异B3型DBD,
在体外结合实验中需要加入大量的氨基末端和羧
植物生理学报670
基末端氨基酸 , 才能有效的与A u x R E元件的
TGTCTC序列结合。用核磁共振(nuclear magnetic
resonance, NMR)法研究其分子结构(Yamasaki等
2004), 发现该蛋白的B3型DBD区和大肠杆菌中限
制性核酸内切酶EcoRII的DBD的组成相似, 由7个
β折叠片围绕成一个开环的β桶, 2个α螺旋处于开
环β桶的两端。利用ARF激活子和ARF抑制子的
DBDs的交换实验做的有关ARF DBDs的结构域性
质的研究, 已有报道(Tiwari等2003)。
ARF的AD区或RD区位于DBD和CTD之间,
又称为中间区, 根据其所含主要氨基酸的种类, 可
分为两类, 一类为富含Glu、Ser和Leu残基的激活
子, 另一类为富含Ser和部分Pro、Leu和Gly残基的
抑制子(图1)。原生质体转染实验证实了这一分类,
但由于该实验是通过ARF基因在叶肉细胞或悬浮
培养的原生质体中的瞬时表达来验证ARF蛋白是
起激活还是抑制作用的, 因此, 这样给ARF分类并
不是十分严格, 在特定的细胞形态和环境下, 可能
是抑制子起了激活作用, 而激活子起了抑制作用,
或者说ARF具有激活和抑制的双重功能(Lee等
2009)。此外, ARF的AD和RD区具有简单易辨的
特点, 把ARF中间区和酵母菌中GAL4蛋白DBD区
融合, 转染带有GUS报告基因和最小或组成型启
动子的原生质体, 实验结果证实了ARF的AD和RD
区的这一特点。
ARF的CTD区的组成及功能和Aux/IAA蛋白
结构域III和IV相似。通过原生质体转染实验以及
酵母双杂交技术证实, ARF的CTDs可以和Aux/
IAA蛋白结合(Hardtke等2004; Remington等2005;
Muto等2006)。而ARF3、13和17蛋白不含CTD区,
它们也能转染原生质体 , 说明A R F激活子与
AuxREs的结合不依赖于生长素, 而生长素反应需
要ARFs蛋白的CTDs (Tiwari等2003; Wang等
2005b)。
1.2 Aux/IAA蛋白的分子结构
拟南芥中存在29种Aux/IAA蛋白, 该类蛋白大
多具有4个保守结构域: 结构域I、II、III和IV。结
构域I负责Aux/IAA蛋白的阻遏作用, 如果该区域
要发挥阻遏作用需要和激活子的启动子区相邻,
如果两者相距太远, 该区域将不能发挥作用。III
和IV结构域具有和ARFs蛋白的CTDs的同源结构
域, 负责Aux/IAA蛋白自身的二聚化和多聚化以及
图1 拟南芥中的转录因子ARF家族的分子结构(Guilfoyle和Hagen 2007)
Fig.1 The ARF family of transcription factors in Arabidopsis
大多数ARFs蛋白包含3个区域: DBD区、MR区(即AD区或RD区)和CTD区(即结构域III和IV)。ARF家族包括5个转录激活子, ARF5、
6、7、8、19, 其AD区富含Glu (Q)、Ser (S)和Leu (L), 其余的都为ARF抑制子, RD区富含Ser (S)和部分Pro (P)、Leu (L)和Gly (G)残基(Ha-
gen和Guilfoyle 2002; Tiwari等2003; Hardtke等2004; Wang等2005b; Wilmoth等2005)。所有的ARFs都含有一个DBD, 但ARF10、16、17在
DBD区内还含有一段额外的32~36个氨基酸残基序列, ARF23蛋白只含有一段不完整的DBD区。ARF3、13、17不含保守的CTD区。研究
表明, ARF13含有和其他的1号染色体ARF丛上相似的CTD基因序列, 并且全长cDNA也含有完整的CTD序列, 但这个序列位于结构框之外,
导致编码的ARF13蛋白缺失CTD结构域(Okushima等2005)。
刘瑞娥等: 植物生长素反应因子研究进展 671
Aux/IAA蛋白与ARFs形成异二聚体, 从而阻遏生
长素反应基因的转录。最近的定量实验表明, Aux/
IAA和ARF之间的作用较Aux/IAA蛋白自身聚合
作用强一些。结构域II含有一段其他转录阻遏子
所含有的亮氨酸基序, 负责Aux/IAA蛋白的快速降
解, 并且被证明是必要的生长素信号, 如果Aux/
IAA蛋白的该区域发生突变, 再超表达Aux/IAA基
因, 则这些群体都恢复了显性或半显性的发育特
性。随后也证明Aux/IAA蛋白的保守结构域II突变
株中能维持Aux/IAA蛋白的稳定, 后来的aux/iaa突
变株实验也证实了这一点(Dharmasiri等2005; Ku
等2009; Song等2009)。
2 拟南芥和水稻中ARF基因的比较
由于拟南芥和水稻基因组的相似性, 并且两
者分别作为双子叶植物和单子叶植物的代表, 下
面我们将两者基因组中的有关ARF基因的不同作
一比较。
2.1 ARF基因的含量及构成
拟南芥中含有23种ARF基因, 有22个为全长
基因序列, ARF23为只编码部分B3型DBD的短基
因(Okushima等2005; Remington等2005) (图1), 目
前对其研究还不清楚, 推测它可能是一个假基因,
而该基因如果表达可能会干涉其他ARF基因的正
常表达(Tian等2004; Pekker等2005; Schruff等
2006)。水稻中含有25种ARF基因(简称OsARF), 有
17个为全长基因序列, OsARF2、3、13、14、15和
20不含有CTD, OsARF5有两个B3型DBDs, 并且这
两个DBDs序列有31%的相似性, OsARF20也含有
两个B3型DBDs, 为假基因, 可能只有在某种特殊
条件或植物发育过程中才能表达(Wang等2007)。
2.2 ARF基因的转录活性分类
根据ARF激活子中间结构域富含Glu、Ser和
Leu残基的特点, 拟南芥中有5种ARF激活子, 包括
ARF5、6、7、8和19, 其余的都为抑制子。水稻中
有9种OsARF激活子, 包括OsARF5、6、11、12、
16、17、19、21、25, 其余的都为抑制子。
2.3 ARF基因的分布及存在方式
拟南芥中这23个基因分布于5条染色体上, 其
中ARF12、13、14、15、20、21和22组成一个基
因丛, 位于1号染色体的上臂上, 这些基因的核酸
序列及编码的蛋白质氨基酸序列高度相似, 推测
可能起源于一个串联副本(图2)。ARF23这个假基
因也位于I号染色体上。
拟南芥中ARF基因通常成对存在, 如ARF1和
图2 拟南芥ARF基因家族(Okushima等2005)
Fig.2 The ARF gene family of Arabidopsis
A: ARF基因家族染色体定位。拟南芥的23个ARF基因在拟南芥I到V号染色体上位置, ARF基因位置标在染色体的右侧, 已经得
到的ARF基因突变体在染色体的左侧, I号染色体上的ARF基因丛用方框框起来。B: 系统发育进化图。图上显示了基因名称、编号、
蛋白质标志和全长开放阅读框的编号数目, 对ARF14、ARF15、ARF21和ARF23结构的研究是用的基因组中预测存在的开放阅读框。
ARF2、ARF6、ARF7、ARF8、ARF11、ARF12、ARF13、ARF19、ARF20和ARF22的全长阅读框是在这个研究过程中被构建的, ARF13
(AY680406)的可变剪接形式最近已经被克隆。
植物生理学报672
2、3和4、6和8、7和19、11和18, 或3个基因一起
存在, 如ARF10、16和17 (Remington等2005)。水
稻中这25种ARF基因分布于10条染色体上, 目前还
没有发现位于3号和9号染色体上的OsARF (Wang
等2007)。大部分的OsARF也和拟南芥中的一样,
成对存在, 共有9对, 但是每对都不在同一条染色
体上, 有趣的是, 它们不存在和拟南芥中一样的直
系同源基因, 说明在植物进化过程中有一部分基
因发生了丢失或是分化出了一个亚型(Guilfoyle和
Hagen 2007; Shen等2010)。
通过对拟南芥和水稻ARF基因的聚类树分析
表明(Wang等2007), ARF基因家族在单子叶植物和
双子叶植物分化之前就已经存在了, ARF2和Os-
ARF24、ARF5和OsARF1为同源基因, 有相同的功
能, 共同调控胚胎早期植物维管的延伸和植物中
轴线的形成。水稻和拟南芥中仍存在两对相似性
很高的保守序列, OsARF16/ARF7/ARF19和Os-
ARF7/OsARF9/ARF1, 只是可能由于它们复制本的
存在, 演化出了功能的多样性。
2.4 ARF基因中所含的核定位信号(nuclear loca-
tion signal, NLS)
拟南芥中ARF基因所含的的NLS是PQRNK-
RPR, 但目前还没有证据能证明这一点。OsARF在
DBD区含有两个NLS (Wang等2007; Gomez和Ar-
chambault 2009), 一个为位于DBD区中间的不规范
的双向NLS, 另一个为位于DBD区末尾的单向
NLS, 这个单向的NLS基因组成类似于猿病毒
V40。尽管没有证据能直接证明OsARF蛋白中存
在不规范的双向NLS, 但在病毒和人体中已经发现
了B3型DBD区含有一段该序列 , 并且通过对
OsARF18/19/22/25-GFP融合蛋白的研究发现, 单
向的NLS能有效的使OsARFs蛋白定位于细胞核
中, 而双向的NLS没有这种功能。
2.5 ARFs蛋白与IAA阻遏子的相互作用
拟南芥中存在29种Aux/IAA蛋白。酵母双杂
交实验表明, ARF激活子与ARF激活子、Aux/IAA
阻遏子作用很强, 但是与ARF抑制子的作用很弱,
相反, ARF抑制子只与ARF抑制子的作用强, 与
ARF激活子、Aux/IAA阻遏子的作用很弱(Shen等
2010)。
而水稻中存在31种Aux/IAA蛋白(简称OsIAA),
但是目前发现的能和OsARFs蛋白发生作用的只有
15种(Wang等2007)。OsIAA基因与拟南芥中Aux/
IAA基因相比, 功能的保守性和特异性还是未知
的。OsARF激活子与IAA的结合能力比OsARF抑
制子与IAA蛋白的结合能力要强得多, 并且带有
MR或是不完整的CTD, 对OsARF与IAA的结合具
有抑制作用。这种结果表明, CTD是ARF和Aux/
IAA结合所必须的, MR对它们的结合具有抑制作
用(Ulmasov等1997)。目前通过对OsIAA1的研究证
实, OsIAA1在植物的各个组织和器官中都有表达,
并且经过T-DNA插入突变实验发现, OsIAA1和Os-
ARF1可能是共同起作用的(Lee等2009)。
3 ARF基因的表达调控
不同的ARF基因在不同组织和器官中的表达
情况有所不同, 并且这些基因的表达受不同信号
的影响。本文就通过对拟南芥中几种arf突变株的
研究情况, 来介绍ARF基因表达和ARF蛋白的调
控。
3.1 不同的ARF基因在不同组织和器官中的表达
情况
分析拟南芥和水稻的各种ARF基因表明, 它
们可以在拟南芥的大多数器官和悬浮培养的细胞
中广泛表达。通过把拟南芥ARF基因启动子和报
告基因融合及原位杂交来研究ARF基因的表达方
式, 结果发现ARF基因的表达具有特异性和多样
性。如ARF1在花的发育中转录物含量较高, 而在
其他部位含量较低, 甚至不表达(Ellis等2005)。
ARF2在花器官(Finet等2010), ARF3和4在营养组
织, ARF5在胚胎和维管组织(Weijers等2006; Wen-
zel等2007), ARF6在花(Wu等2006), ARF7在幼苗、
根和胚胎发育中(Hardtke等2004; Wilmoth等2005),
ARF8在幼苗、种子和果实(Tian等2004; Wu等
2006), ARF12在种子(Okushima等2005a), ARF16在
胚胎、根冠以及根部分生组织和叶片(Wang等
2005a), ARF19在幼苗和根(Okushima等2005;
Wilmoth等2005; Li等2006)这些相应的发育过程中
转录物水平相对较高, 但在其他部位相对较低。
并且发现, 马铃薯和番茄中的ARF基因也表现出了
表达的多样性, 如马铃薯的ARF6基因在种子萌发
早期的顶芽, 尤其是顶端分生组织周围, 转录物表
达水平较高, 它还在原形成层和早期维管组织中
刘瑞娥等: 植物生长素反应因子研究进展 673
有表达。但是, 在休眠的芽中没有发现ARF6的表
达, 当分生组织的活性重新开始且顶芽的休眠解
除时, ARF6表达被强烈诱导(Faiver-Rampant等
2004)。分析番茄SLARF12基因的时空表达时发现,
SLARF12的转录物主要富集于叶片和胚轴中, 在根
和生殖器官的组织(如花、种子和果皮)中未发现
其转录物(Jones等2002)。
在某些情况下, ARF基因的表达也受环境和激
素信号的影响, 对于不同的外界刺激, 不同的ARF
基因会有不同的表达。如用黑暗诱导, 拟南芥叶
片中ARF2、7和19转录物的表达量都在很大程度
上增加, 而ARF1却减少(Ellis等2005)。而光照时,
拟南芥中ARF8基因的表达量会增加(Tian等2004),
OsARF8的表达量会因光照微量减少 (Wang等
2007)。用生长素或乙烯处理, 位于拟南芥根中
ARF4、5、16、19和水稻根中OsARF1、23的表达
量都会微量增加, 而OsARF5、14、21会微量减少
(Okushima等2005; Li等2006; Wenzel等2007)。在
应对激素和环境信号时, 大部分ARF转录物的含量
都表现出微量变化, 这说明还有一些额外的因子
在A R F基因的调控过程中起作用 ( We n z e l等
2007)。
3.2 ARF基因的转录后调控机制
现有大量的资料表明, ARF基因转录后水平的
调控比转录水平的调控对植物更为重要。ARF基
因的转录后调控是通过小RNAs (简称miRNAs或
miR)和反式作用小干扰RNAs (简称ta-siRNA)来实
现的。在单子叶植物和双子叶植物中这些内源性
小分子RNA可以直接破坏与其互补的靶mRNA,
包括大量的ARF转录物和一些其他的调节蛋白转
录物, 并且这些miRNAs也可以对外界非生物胁迫
和营养匮乏等作出反应, 从而调控植物的生长和
发育, 如器官的形态和极性, 叶片的生长以及应对
激素信号时的反应等(Siré等2009)。推测miRNAs
和ta-siRNAs对ARF转录因子的切割可以使得细胞
中的ARF转录因子在受外界信号刺激时迅速发生
改变(Bartel和Bartel 2003), 通过miRNAs和ta-siR-
NAs与ARF miRNA结合来阻止ARF基因的表达比
起ARF基因停止转录并且mRNAs以正常的途径降
解要快得多。因此, 对ARF基因转录后水平的调控
越来越受研究者的重视。
研究发现, 不同的miRNA和ta-siRNA会以不
同的ARF基因为作用靶基因, 并且miRNA和ta-siR-
NA及ARF mRNA之间可能会形成一个调控网络。
如ARF6和ARF8 mRNAs是miR167的作用靶基因,
ARF10、ARF16和ARF17是miR160的作用靶基因
(Rhoades等2002), ARF2、3、4是TAS3 ta-siRNAs
或tasiR-ARF的作用靶基因(Allen等2005; Williams
等2005), 最近又有研究也证实了这一点, 并且发现
ARF、ta-siRNA、miR390可以共同形成一个生长
素反应调控网络来调控侧根的生长。ta-siRNAs是
在侧根形成位点特异表达的miR390作用的靶基
因, 通过切割ta-siRNAs, 解除ta-siRNAs对ARF2、
3、4的抑制, 从而使侧根得到生长, 并且ARF2、
3、4能影响miR390的积累。ARF2、3、4对
miR390的这种正向和负向反馈调控, 使得ARFs蛋
白在侧根形成和生长过程中能维持一个最合适的
浓度, 在叶的生长和发育中也存在这种调控机制
(Mar in等2010)。对于为什么 t a - s iRNAs会以
ARF2、3、4为作用靶基因, 而miRNAs以ARF6、
8、10、16和17为作用靶基因, 目前还没有定论。
推测可能是miRNAs被局限在其自身的细胞中, 因
此只能调控它自身或邻近的ARF mRNA, 而ta-siR-
NAs可以通过运动对整个植物组织和细胞中的
ARF mRNA进行远距离调控(Garcia等2006; Hunter
等2006)。
被miRNA和ta-siRNA作用的突变体或靶基因
会产生各种各样的表型变化(Vaucheret等2004;
Wang等2005a; Garcia等2006)。miR167对ARF6和
ARF8的调控直接影响花药和胚珠的发育(Wu等
2006), miR160对ARF17的调控会影响依赖GH3基
因表达和生长素稳态的植物的生长和发育(Mal-
lory等2005; Sorin等2005), 并且miR160对ARF10和
ARF16的调控在根冠的形成过程中起着巨大的作
用。也有最新研究表明, miR160对ARF10的调控
在种子的萌发以及胚胎后发育过程也起着重要作
用(Liu等2007; Nonogaki 2008)。TAS3 ta-siRNA对
ARF3和ARF4的调控会影响原叶的发育和由幼叶
向成熟叶的转变这一过程(Perigine等2004; Hunter
等2006; Adenot等2006)。
ARF基因转录后水平的调控还有另外两种途
径, 一种途径是在ARF mRNAs的5端含有一个上
植物生理学报674
游开放式阅读框(uORFs), 在ARF3、5中该阅读框
可以阻止ARF基因阅读框在转染原生质体和体外
翻译体系里面的翻译(Nishimura等2005)。另一种
情况是ARF蛋白的含量受乙烯的调控, 如番茄中外
源乙烯的处理可对叶片和成熟的绿色果实中的
SLARF12转录本进行负调控(Jones等2002)。
4 ARFs蛋白在植物的生长和发育中的作用
4.1 ARF单基因突变和双基因突变对植物的影响
有关ARF生物学功能的主要资料最早来自拟
南芥ARF基因功能缺失突变体表型的研究, 迄今已
获得了许多非常有意义的表型。如拟南芥arf2突
变体, 白化苗顶钩弯曲的形成是有缺陷的, 并且种
子变大, 推迟叶片调亡的时间(Li等2004; Schruff等
2006)。arf3/ettin影响雌蕊群远轴的同一性(Ses-
sions等1997), arf5/monopment (mp)在胚胎发育和
维管组织的形成中有缺陷, arf7/nonphototropic hy-
pocotyl (nph4)对胚轴向性及生长素和乙烯的拮抗
性有影响(Li等2006), arf8突变体中, 果实不能受精,
arf19突变体对生长素和乙烯含量的变化不敏感。
目前, 至少有18个拟南芥ARF基因功能被T-DNA插
入突变经过筛选证实, 除了上述用遗传学方法证
实的那些基因所具有的功能之外, 其余的ARF基因
突变后没有对植物的生长和发育造成明显的影响
(Tian等2004; Wilmoth等2005; Wang等2005a)。
在拟南芥中, ARFs蛋白之间表现出相互协同
的作用, 双基因突变比单基因突变对植物的生长
和发育有更强烈的影响(Ku等2009)。例如arf7和
arf19单突变体会微量减少不定根和侧根的数量,
但双突变会严重影响侧根的形成, 侧根数量大大
减少, 近年来有关ARF7、19更多的研究也证实了
这一点(Nishimura等2005)。arf2单基因突变花
期、叶衰亡和花脱落的时间推迟, 并且对顶钩弯
曲的形成也有一定的影响, 但是在arf1arf2双突变
体中, 这些表型又被放大(Li等2004; Ellis等2005;
Okushima等2005)。arf3arf4会影响整个侧生器官
包括叶的同一性形成(Pekker等2005), arf5arf7双突
变体在胚和维管组织的形成上比arf5植株有更加
明显的缺陷(Hardtke等2004), 单个arf6和arf8突变
体都表现出花成熟期推迟和生育率降低的现象,
但arf6arf8双突变会导致植株在幼苗发育之前就阻
止花的发育并且种子完全不育(Lee等2009)。ar-
f10arf16双突变体在根冠的形成和侧根的向地性上
有很大的缺陷, 而它们的单突变对植物几乎没有
影响(Wang等2005b)。
4.2 ARFs蛋白和Aux/IAA蛋白在植物体中的相互
作用
Aux/IAA蛋白的表达受具体时间和空间的调
控, 这说明Aux/IAA蛋白在生长素信号的调控中有
独立但也有重叠的功能, 在植物的生长和发育中
有重要的作用。在iaa1/axr5、iaa3/shy2、iaa7/
axr2、iaa12/bdl、iaa14/slr、iaa17/axr3、iaa19/
msg2和iaa28突变株中都得到了证实。例如, 研究
发现iaa14/slr和arf7arf19突变株有相似的表型, 它
们的侧根形成以及向性都严重受损, 这说明IAA14
和ARF7、ARF19对拟南芥的发育影响通过相同的
遗传途径发挥作用。IAA18几乎在植物的各个组
织部位都有表达, 尤其是在侧根形成的早期阶段
IAA18基因的启动子活性非常强, 在体外用酵母双
杂交的方法证实了IAA18蛋白和ARF7、ARF19都
有相互作用, 这说明IAA18可能与IAA14协同作用,
阻遏ARF7、ARF19与生长素反应基因的结合, 从
而调控侧根的形成, iaa12/bdl突变体中, 在胚胎形
成期就导致了幼苗的死亡(Lee等2009)。
5 ARFs蛋白作用的靶基因
由上可知, ARF基因突变直接影响到了植物的
生长和发育, 那么ARF转录因子作用的潜在靶基因
是哪些呢, 已通过很多研究方法解决这一问题, 包
括RNA干涉、差减杂交、原生质感染、通过生长
素诱导基因的DNA芯片分析绘制转录图谱分析
等。通过这些实验, 大量ARF所作用的靶基因被认
证, 例如SAUR (小的生长素上调RNA)、Aux/IAA家
族、GH3家族、Lateral organ boundaries-domain/
Asymmetric leaces-like2 (LBD/ASL2)家族、第一类
KNOX基因等(Mattsson等2003; Hardtke等2004;
Okushima等2005, 2007; Lee等2009; Song等2009)。
原生质体转染实验发现 , 植物体中不同的
ARF蛋白可以作用于相同的生长素反应基因(Ul-
masov等1999a; Tiwari等2003; Wang等2005a;
Wilmoth等2005)。并且体外结合实验也证实, ARF
的DBD可以结合同样的AuxRE元件的TGTCTC序
列。这表明不同的ARF蛋白可以作用于相同的靶
基因。
刘瑞娥等: 植物生长素反应因子研究进展 675
例如, 通过对arf6arf8突变株的研究发现, 相
关SAUR和Aux/IAA基因的表达量均下降, 这说明
ARF6和ARF8蛋白可以激活一些与器官繁殖有关
的生长素反应基因。GH3基因家族中, 如GH3.5和
GH3.6受ARF8的激活和ARF17的抑制(Sorin等
2005)。同时在arf7和arf7arf19突变体中发现
GH3.6基因的表达量都明显下调, 这表明GH3.6可
以至少是ARF7、ARF8和ARF19三个ARF激活子
及ARF17这一个抑制子的靶基因。拟南芥中LBD/
ASL2基因是ARF蛋白直接作用的靶基因(Inukai等
2005; Okushima等2007)。用体外结合实验及染色
质免疫沉淀法(chromatin immunoprecitation, ChIP)
研究表明, ARF的DBD区直接结合到LBD/ASL2的
TGTCTC序列上, 如在拟南芥arf7arf19突变体中,
ARF7可以用激素诱导的方式激活LBD/ASL2基因
的表达, 并证实ARF7的结合区必须结合到生长素
反应基因的启动子区才能激活这些基因的表达,
如果过量诱导表达LBD16/ASL18和LBD29/ASL16,
也可以正常诱导侧根的形成。因此, 在LBD/ASL2
家族中, LBD16和LBD2均是ARF7和ARF19直接作
用的靶基因。同样, 第一类KNOX基因是拟南芥中
ARF6、ARF8蛋白所直接作用的靶基因, 通过抑制
该类基因, 可以阻遏茉莉酸的合成, 从而提前花器
官发育的时间(Tabata等2010)。
这些结果表明, 在启动子区含有AuxRE元件
TGTCTC或GAGACA序列的生长素反应基因可能
是ARFs蛋白结合的潜在位点。
6 ARFs蛋白和Aux/IAA阻遏子调控生长素反应基
因表达的分子机制
6.1 ARFs蛋白调控目标靶基因的分子机制
ARFs蛋白可以通过DBDs与AuxRE结合, 并
在ARF的AD区的作用下激活靶基因的表达, 对生
长素信号作出反应(Ulmasov等1999a; Tiwari等
2003)。大多数ARF基因对生长素的反应都是通过
ARF的羧基末端CTDs来实现的, Aux/IAA阻遏子
的结构域III、IV可以和ARF的CTDs结合形成异二
聚体来调控生长素反应基因的表达。ARFs蛋白调
控目标靶基因的分子机制见图3。
有证据表明, Aux/IAA蛋白是不稳定的, 能通
过生长素依赖的方式, 最终被26S蛋白酶体降解。
它的整个简要过程为: 生长素转运到细胞里面, 募
集TIR1或TIR1同源受体(主要包括AFB1、AFB2、
AFB3), 研究发现TIR1和AFB (Remington等2005;
Parry等2009)在胚胎形成和植物的发育过程中有
相似而重要的功能, 如果TIR1或AFB基因突变, 会
导致拟南芥的生长和发育有很大缺陷, 结合Aux/
IAA阻遏子, 或者使Aux/IAA与结合在生长素反应
基因启动子区的ARF激活子分离, 通过泛素聚合链
的介导, Aux/IAA阻遏子被迅速降解, 从而解除
Aux/IAA对ARFs蛋白的抑制, 使ARFs蛋白发挥对
生长素反应基因表达的调控作用。对TIR1的氨基
图3 ARFs蛋白调控生长素反应基因表达的模型(Guilfoyle
和Hagen 2007)
Fig.3 Models for transcriptional activation and repression by ARFs
图中, “→”代表转录, “×”代表抑制转录, 转录和抑制的强弱
用箭头线的粗细来表示。A: ARF激活子单体可以直接和含有
TGTCTC AuxREs元件的生长素反应基因结合, 从而激活该基因
的表达(Hagen和Guilfoyle 2002; Tiwari等2003; Wang等2005b)。B:
ARF激活子之间可以通过它们的CTDs形成二聚体, 再与靶基因结
合。C: ARF激活子在DBD区结合成二聚体, 可以加强对生长素反
应基因的激活作用。D. ARF阻遏子单体通过与AuxREs TGTCTC
位点的结合, 阻遏生长素反应基因的表达。E: ARF阻遏子在CTD
区形成二聚体后再与靶基因结合, 加强阻遏靶基因的表达。F:
ARF阻遏子在DBD区形成二聚体后再与靶基因结合, 加强对靶基
因表达的阻遏。G: 在生长素浓度很低的情况下, ARF激活子通过
CTDs可以和Aux/IAA阻遏子结合成二聚体, 阻遏生长素反应基因
的表达(Tiwari等2003; Pfluger和Zambryski 2004)。当生长素浓度
高的时候, Aux/IAA阻遏子通过泛素降解途径被降解, 从而激活
生长素反应因子。植物体内具体会发生A到G哪个过程, 取决于
ARFs、Aux/IAA和AuxREs的浓度。
植物生理学报676
酸序列分析发现, 其编码一个F-box蛋白, 并富含一
个亮氨酸拉链, 因此将其与泛素化降解途径联系
起来。利用拟南芥细胞原生质体系统的研究已证
实了这个调控过程(Teale等2006; Parry和Estelle
2006; Parry等2009; Maraschin等2009) (图4)。
尽管上面的分子机制看似很简单, 实质上生
长素反应基因的调控是一个极其复杂的过程, 因
为ARFs蛋白这个大家族成员之间很可能会竞争
AuxRE元件的结合位点, 并且也有ARFs蛋白家族
和Aux/IAA蛋白家族的竞争(图3), 所以更多的诸如
用染色体免疫沉淀、酵母双杂交等来研究具体
ARF与Aux/IAA之间的作用相继诞生。如现在已
发现的ARF5与IAA12、ARF5与IAA18之间相互作
用及前文提到的OsIAA1和OsARF1的相互作用等
(Weijers等2006; Chapman和Estelle 2009; Ploense等
2009)。但是在细胞水平上阐述植物体内ARFs蛋
白和AuxRE元件的结合以及ARFs和Aux/IAA抑制
子之间的相互作用及SCFTIR1复合体是如何介导
Aux/IAA蛋白泛素化并被26S蛋白酶体降解的这一
具体机制仍然是未来的一个很大的挑战, 需要我
们更深一步的研究。
6.2 植物体内与ARFs蛋白或Aux/IAA阻遏子共作
用的因子
ARFs蛋白激活或阻遏生长素反应基因的表
达以及Aux/IAA阻遏子的分子机制还有一大部分
空白有待研究。目前发现并非所有的生产素反应
途径中, ARF-Aux/IAA蛋白直接起作用来调控生长
素反应基因的表达, 有时可能需要一个调节因子
的参与才能完成这一调控。例如已经发现的一些
候选调节子: TOPLESS (TPL)、PICKLE (PKL)和
SEUSS (SEU)等。
研究表明, 在植物体内, TPL可以和IAA12通
过与相关乙烯反应因子(ethylene response factor,
ERF)的两性抑制区结合在一起, 使得IAA12能直接
调控TPL和ARF5之间的作用, 从而调节植株内生
长素反应基因的正常表达。这些结果表明TPL在
生长素反应途径中可以和ARF5-Aux/IAA一起作
为共抑制子调控生长素反应基因的表达(Szeme-
nyei等2008; Lee等2009)。PKL可能和ARFs蛋白或
Aux/IAA抑制子共同作用调控基因的表达(Fukaki
图4 SCFTIR1介导的生长素反应信号(Teale等2006)
Fig.4 SCFTIR1-mediated auxin signalling
1: 大量的ARFs蛋白结合到生长素反应基因的AuxRE元件上, 介导生长素反应基因的转录。2: Aux/IAA阻遏子与ARFs蛋白结合, 阻
遏生长素反应基因的转录。3: Aux/IAA阻遏子在泛素蛋白的介导下被26S蛋白酶体降解。4: 生长素通过与TIR1受体的直接作用, 加强
SCFTIR1复合体特异性识别并结合Aux/IAA阻遏子的能力, 从而促进Aux/IAA阻遏子降解的这一过程。
刘瑞娥等: 植物生长素反应因子研究进展 677
等2006; Zhang等2008)。通过IAA14和ARF抑制子
的结合, 使得ARF7、19共同激活生长素反应基因
的表达, 该过程与PKL介导的染色质重建有关。
PKL蛋白是ATP依赖型染色质重建复合体的一种
成分, 可以和组氨酸脱乙酰酶作为一个共抑制子
共同调控染色质的重建(Hardtke等2004; Weijers等
2006), 近两年有研究也证实了这一点(Szemenyei
等2008)。SEU可以作为共抑制子或共激活子复合
体中的一种成分起作用, 调控基因的表达, 因此通
过和ARF3的结合, SEU可以激活ARF3所作用的靶
基因 , 从而促进花器官的发育和花形状的形成
(Pfluger和Zambryski 2004)。
7 展望
根据目前有关拟南芥的研究, 尽管ARF在不
同的组织和器官中有丰富的表达差异和功能, 但
是其功能多数与维管束的发育有关, 间接的影响
了拟南芥抗旱耐盐等机理, 而拟南芥作为模式生
物, 对ARF基因结构, 通过对生长素信号的应答, 调
控植物生长和发育的分子机制更加全面而深入的
研究, 将有助于最终揭示生长素在植物生长和发
育中的功能。如利用已知的拟南芥中23种和水稻
中的25种ARF基因, 设计引物, 克隆出番茄中的
SlARF基因, 对其结构和功能进行分析, 为ARF基因
家族在茄科植物中的作用又提供了一个平台。例
如番茄中的SlARF7和拟南芥中NPH4/ARF7基因有
79%的序列相似, 两者为同源基因(De等2009)。分
析表明, SlARF7转录物在花的发育期含量会增加,
在未授粉的成熟子房里表达量一直保持很高的水
平, 而在授粉48 h之后才会下调。利用RNA干涉降
低转基因植物中SlARF7 mRNA的表达量, 会形成
无籽果实, 形状和野生型果实相比呈心形, 果皮较
厚, 并发现SlARF7在授粉之前是作为抑制子起作
用的, 维持果实发育过程中对生长素信号反应的
稳定。拟南芥ARF8和番茄SlARF8基因也与果实形
成有关(Goetz等2007), 这些结果说明在拟南芥和
番茄的果实形成过程中, 同源ARF类基因的表达有
相似的分子机制。
无论是单子叶植物还是双子叶植物, ARF基因
家族介导的生长素对植物的根、茎、花和果实发
育的巨大作用都已得到证实。通过对拟南芥中
ARF基因结构, ARFs和Aux/IAA蛋白的表达调控,
在植物生长和发育中的作用, 及其所作用的靶基
因和调控的分子机制的综述、分析, 对以后拟南
芥ARF突变体及其相关调控、分子机制的研究提
供一个更清晰的平台。同时对其他科植物中ARF
基因表达及功能的研究奠定了基础。
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