全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (11): 1039~1046 1039
收稿 2011-08-03　　修定 2011-10-20
资助 国家自然科学基金(30971709)。
* 通讯作者(E-mail: hxw1969@scau.edu.cn; Tel: 020-85287961)。
植物UV-B生理效应的分子机制研究进展
钱珊珊1, 侯学文1,2,*
华南农业大学生命科学学院1植物逆境生物学研究中心, 2植物功能基因组与生物技术重点实验室, 广州510642
摘要: 中波紫外线UV-B (280~320 nm)是植物必需的太阳光线的组成部分, 具有明显的双重效应: 一方面UV-B在强度较高
时, 就触发产生大量活性氧对DNA、蛋白质以及生物膜等造成伤害, 同时植物通过抗氧化系统对其作出防御反应以减轻伤
害; 另一方面, 低强度的UV-B是植物生长发育的光信号因子之一, 经由UVR8等光受体介导中、低、极低强度的UV-B信号,
可能通过几个分子途径控制相关基因的表达, 分别对植物的UV-B保护基因表达、形态建成、昼夜节律、生长发育等进行
调控。目前对UVR8介导的低强度UV-B信号转导的分子机制研究相对深入。在本文中, 将对UV-B生理效应分子机制的最
新研究进展作一个比较全面的介绍。
关键词: UV-B; 强度; 逆境; 信号因子; 分子机制
Progress of Molecular Mechanisms of Plant UV-B Physiological Effects
QIAN Shan-Shan1, HOU Xue-Wen1,2,*
1Research Center of Plant Stress Biology, 2Key Laboratory of Plant Functional Genomics and Biotechnology, College of Life Sci-
ences, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China
Abstract: UV-B (280-320 nm) is the essential component of the sun light, and it has dual effects on plants. On
the one hand, when the UV-B radiation at higher fluence, it can act as stress factor to produce harmful reactive
oxygen species. Plants can respond to this stress by antioxidant system to alleviate its damage through defense
pathways. On the other hand, lower fluence UV-B can act as plant development regulator, which could play an
important role in plant photomorphogenesis, expressions of protective genes, circadian rhythm, growth and de-
velopment through several specific molecular pathways. These pathways mediated the signal of medium, low
and very low fluence UV-B through UV-B specific receptor(s), such as UVR8 (UV RESISTANCE LOCUS 8),
respectively. The knowledge of UVR8 mediated low fluence UV-B molecular pathway was relatively richer
than others at this moment. In this review, the progress of molecular mechanisms of UV-B physiological effects
are discussed in detail.
Key words: UV-B; fluence; stress; signal regulator; molecular mechanism
紫外线是植物生长必需的太阳光线的组成部
分, 根据紫外线波长的不同, 将其分为短波紫外线
UV-C (200~280 nm)、中波紫外线UV-B (280~320
nm)和长波紫外线UV-A (320~400 nm)。UV-C不能
穿过大气层到达地球表面; UV-A对植物的生物学
效应已研究得比较清楚(Jiao等2007), 而且大气层
中的臭氧基本不吸收UV-A, 因此大气层中臭氧浓
度的变化不会对到达地面的UV-A强度产生影响;
UV-B仅被大气层中的臭氧部分吸收, 导致到达地
面的UV-B强度会随着大气层中臭氧浓度的降低而
增加, 从而对植物的生长、生态产生深远的影响。
因此, 研究UV-B对植物的生理效应及分子机制就
显得越来越重要。
UV-B对植物具有明显的双重效应, 即UV-B在
高强度时对植物是逆境因子, 而在低强度时对植
物则是信号调控因子(Frohnmeyer和Staiger 2003)。
本文参考Brosché和Strid (2003)将UV-B按强度高
低划分为高强度(HF; >10 kJ·m-2)、中等强度(MF;
5~10 kJ·m-2)、低强度(LF; 1~5 kJ·m-2)以及极低强
度(VLF; <1 kJ·m-2) 4个强度等级, 不同强度UV-B对
植物产生的生理效应不同, 预示可能存在不止一
条信号通路。在拟南芥中, 已发现存在UVR8 (UV
RESISTANCE LOCUS 8)依赖和UVR8非依赖的
UV-B信号转导途径(Brown和Jenkins 2008), 其中
UVR8依赖的LF UV-B信号通路研究比较深入, 已
陆续鉴定出多个成员, 特别是最近Rizzini等(2011)证
植物生理学报1040
实UVR8就是UV-B的受体, 这一发现填补了UV-B受
体长期未发现的空白; 拟南芥rus突变体的发现, 表
明VLF UV-B可能与植物根的早期发育有关, 途径
中RUS1、RUS2、ASP2基因的相继克隆(Leasure等
2011, 2009; Tong等2008), 将逐步阐明其分子机
制。本文将对4种强度UV-B的生理效应及其分子
机制的研究进展作一全面介绍。
1 高强度UV-B (HF UV-B)
HF UV-B会被植物细胞内光敏化合物吸收,
产生大量的活性氧分子 , 对植物细胞的DNA、
RNA、蛋白质、脂类物质等生物大分子造成损伤,
这些伤害反过来会触发植物相关修复基因或保护
机制基因的表达, 使植物免受伤害(Frohnmeyer和
Staiger 2003)。
HF UV-B对植物DNA的损伤, 主要是使同一
条链上相邻的两个嘧啶碱基以共价键形成环丁烷
嘧啶二聚体(cyclobutane pyrimidine dimmer, CPDs)
和6-4光产物(6-4PPs), 如TT、TC、CC二聚体等。
DNA分子中一旦形成二聚体, 就会导致DNA复
制、转录不能正常进行。当植物细胞内的损伤识
别蛋白(lesion recognition protein)检测到DNA的损
伤位点 , 就会激活细胞内的修复机制。植物对
DNA的伤害修复主要为光修复与暗修复(何永美
等2009)。如果这些修复机制因突变而丧失就会导
致植物无法及时清除UV-B对DNA的伤害, 因而变
得对UV-B敏感。Sakamoto等(2009)筛选到一个对
UV-B非常敏感的突变株, 命名为suv2, 研究表明可
能是DNA伤害导致细胞周期停滞缺陷, 导致UV-B
造成的伤害不能及时修复所致。拟南芥中已发现
分别对CPDs、6-4PPs修复的光裂解酶, CPDs光裂
解酶在不同组织和叶龄叶片中表达水平是不同的,
在3~5周龄的花和叶中表达最高, 并且它的表达受
到白光和UV-B的诱导; 而6-4PPs光裂解酶在各种
组织中组成型表达, 不会受到白光或UV-B的诱导
(Waterworth等2002)。Takahashi等(2011)报道CPDs
光裂解酶除了可以修复核中的CPDs外, 还可修复
叶绿体和线粒体中的CPDs, 对DNA因UV-B辐射造
成的伤害进行修复。
UV-B对蛋白质造成的损伤主要包括交联、
聚集、变性和降解。蛋白质不仅通过光氧化反应
被直接修饰 , 还可被产生的活性氧和自由基修
饰。Gerhardt等(1999)发现UV-B无论活体与离体
处理菠菜的Rubisco, 均会出现一个66 kDa的光交
联产物, 并证明这一产物是Rubisco的大亚基(53
kDa)和小亚基(14 kDa)交联而成。Masi和Melis
(1997)发现UV-B能使光系统II (PSII)中的D1蛋白
和D2蛋白发生降解。Cadoret等(2005)的工作表明
UV-B能强烈诱导上调蓝细菌光系统II早期修复蛋
白酶基因ftsH的转录。Cheregi等(2007)证明由ftsH
编码的FtsH酶在保护D1和D2蛋白不受UV-B辐射
而降解方面有重要作用。D1和D2蛋白还通过修复
途径或改变基因表达, 从而降低UV-B对植物PSII
的伤害, 来抵御UV-B的不利影响。
脂类是构成植物细胞膜和细胞器膜的主要成
分, 在维持细胞功能的完整方面具有重要作用。
HF UV-B产生的活性氧和自由基可对细胞膜造成
严重破坏; 植物通过抗氧化系统对其进行清除来
获得保护(Ueda和Nakamura 2011)。李韶山等(2000)
发现UV-B处理的水稻幼苗, 叶片的膜透性、O2¯· 净
产生速率及丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量显
著增加, 同时活性氧清除酶——超氧化物歧化酶
(superoxide dismutase, SOD)和过氧化氢酶(catalase,
CAT)的活性也升高。Yang等(2007)用UV-B处理冬
小麦幼苗, 发现抗氧化酶活性和抗氧化物质含量
均比对照增加, 并且增强了对冻害的抗性。刘鹏
等(2010)用HF UV-B处理芒果离体老叶, 发现与对
照相比处理叶片的MDA含量和相对电导率升高,
表明膜系统受到了损伤; 同时测定表明UV-B辐射
叶片的SOD、CAT、过氧化物酶(peroxidase, POD)
等抗氧化酶活性、保护色素(类胡萝卜素、类黄
酮)和还原型谷胱甘肽含量显著高于对照叶片, 说
明增强UV-B辐射可诱导提高活性氧清除能力和积
累保护色素 , 从而在一定程度上保护植物免受
UV-B的伤害。Sarkar等(2011)用较高强度的UV-B
处理冷季型草坪草1周, 发现酚类物质与脯氨酸明
显积累, 并伴随抗氧化酶及6-磷酸葡萄糖脱氢酶活
性的增加。
Ueda和Nakamura (2011)介绍了高等植物对
HF UV-B的防御机制, 并认为可以利用相关防御机
制来获得对HF UV-B具有良好抗性的转基因株系,
以应对因大气中臭氧减少而导致的UV-B辐射水平
升高。如Hidema等(2007)在水稻中超表达CPDs光
钱珊珊等: 植物UV-B生理效应的分子机制研究进展 1041
裂解酶显著降低了UV-B对转基因株系的生长抑
制; Kaiser等(2009)在拟南芥中超表达CPDs光裂解
酶, 在增强的UV-B处理下, 转基因株系对CPDs修
复明显加快, 其生物量也比野生型有增加; Al Kha-
teeb和Schroeder (2009)在拟南芥中超表达DNA损
伤结合基因DDB1A, 转基因株系比野生型更快修
复DNA损伤, 并表现出更高的UV-B抗性。这些结
果表明, 上述人们关于植物UV-B防御的分子机制
的认识是正确的。
2 中等强度UV-B (MF UV-B)
MF UV-B被特异的受体感知后, 就会触发植
物的病原相关(pathogen related, PR)反应途径, 调
控相关保护基因的表达, 为即将到来的UV-B伤害
做好防御准备。其大致的信号转导途径是: MF
UV-B激活NADPH氧化酶, 产生超氧自由基, 使信
号分子H2O2生成, 导致广谱的保护信号分子水杨
酸、乙烯、茉莉酸的形成, 这些信号分子可调控
相关基因的表达, 其中活性氧(reactive oxygen spe-
cies, ROS)是关键的调控因子。同时, UV-B信号也
可促进活性氧清除酶基因的表达以及促进抗氧化
剂的合成, 通过这两方面的作用共同调控ROS及其
产生的下游信号分子的水平, 从而使植物对UV-B
处理做出适度的响应。与前面HF UV-B产生大量
活性氧而对植物细胞造成伤害不同, MF UV-B导
致的活性氧是酶促反应生成, 产生的量较少, 作为
信号调控分子起作用(Brosché和Strid 2003)。
A-H-Mackerness等(1998)研究发现在增强的
UV-B处理下, 豌豆叶片捕光复合体结合蛋白基因
Lhcb和光系统II D1蛋白基因psbA的下调表达是由
产生的活性氧介导的。Surplus等(1998)用MF
UV-B处理拟南芥3 d, 除活性氧含量上升外, 发现
水杨酸的含量也增加了7倍, 并且表明光合基因
Lhcb和psbA的下调表达是受活性氧ROS的调控, 而
不受水杨酸的调控 ; 但酸性病原相关蛋白基因
PR1、PR2、PR5的上调表达同时受水杨酸和活性
氧的调控。A-H-Mackerness等(2001)用拟南芥研
究发现, UV-B导致的PR-1转录本的增加和Lhcb转
录本的降低是通过超氧自由基O2¯· 产生的H2O2介导
的; 而PDF1.2 (PLANT DEFENSIN 1.2)转录本的上
调是直接由产生的超氧自由基O2¯· 调控的。王弋博
等(2007)用UV-B处理玉米幼苗发现, 叶片内活性
氧(O2¯· 和H2O2)含量均升高, 随后再导致乙烯含量升
高。
同时植物细胞内也存在活性氧清除酶系统,
如SOD、CAT、POD、抗坏血酸过氧化物酶、谷
胱甘肽转移酶等, 以及小分子的抗氧化剂(抗坏血
酸、谷胱甘肽、胡萝卜素、花青素等), 它们均可
对UV-B产生的活性氧进行清除, 从而对活性氧及
其下游调控的基因表达产生影响。A-H-Mackerness
等(1998)发现植物组织中的抗氧化水平与UV-B通
过ROS介导的基因表达呈负相关。Surplus等
(1998)发现在UV-B处理前用抗氧化剂处理拟南芥,
光合基因Lhcb和psbA的下调表达和病原相关蛋白
基因PR1、PR2、PR5的上调表达均明显减轻。
Fujibe等(2004)发现抗甲基紫精的拟南芥突变体,
其活性氧清除酶质体Cu/Zn SOD和基质抗坏血酸
过氧化物酶活性均升高, 同时表现出对短期UV-B
处理耐性增强。
3 低强度UV-B (LF UV-B)
LF UV-B主要参与植物保护机制的激活和光
形态建成。在感受到LF UV-B辐射时, 植物就会调
整生长策略以应对, 比如抑制下胚轴的伸长, 子叶
的张开, 节间的缩短, 分枝增加, 减小叶片面积, 减
少生物量, 增加叶片表面蜡质的厚度, 增加吸收
UV-B的物质(如黄酮类化合物、酚类物质)的含量
等(Shinkle等2010; Wargent等2009; Kim等1998;
Steinmüller和Tevini 1985)。LF UV-B调控着如此
众多的植物形态建成, 必然拥有一个十分复杂的
信号调控网络, 随着研究的深入对这一信号调控
网络的了解逐渐清晰起来。
在拟南芥中, 已发现存在UVR8依赖和UVR8
非依赖的UV-B信号转导途径(Brown和Jenkins
2008), 其中对UVR8依赖的UV-B调控途径的了解
相对深入。目前发现的这条途径的成员有UVR8、
COP1 (CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENE-
SIS 1)、STO (SALT TOLERANCE)、HY5 (ELON-
GATED HYPOCOTYL 5)、HYH (HY5 HOMOLOG)
和查尔酮合成酶(CHALCONE SYNTHASE, CHS)
等, 它们之间的调控关系如图1。Kliebenstein等
(2002)从查尔酮异构酶突变株tt5中筛选到一株对
UV-B超敏感的uvr8-1突变株。在UV-B处理下, 该
突变株比野生型的总黄酮类化合物低50%, 并且
植物生理学报1042
CHS在mRNA及蛋白水平均明显低于野生型, 但突
变株的PR-1和PR-5表达情况, 以及抗坏血酸合成
酶基因VTC1和锰SOD1基因MSD1的表达情况与野
生型没有差异, 说明突变株CHS的诱导表达丧失不
是由于广谱的逆境响应基因表达的缺失, 或抗氧
化系统的缺陷造成, 而是由于UVR8是UV-B诱导的
黄酮类合成途径所必需的。采用图位克隆法克隆
了UVR8, 序列分析表明该基因编码一个类似于
RCC1 (regulator of chromatin condensation 1)蛋白
家族。在哺乳动物和真菌中, RCC1与小G蛋白Ran
一起调控包括核质转运、细胞周期等许多生物过
程。已知UV-A、远红光(FR)、低温、蔗糖等也能
介导CHS表达, 但Brown等(2005)在用这些条件处
理uvr8突变株与野生型, 却没有发现二者的CHS表
达有差异, 说明在uvr8突变株中CHS表达的差异是
特异地被UV-B处理介导的。采用基因芯片研究了
LF UV-B处理uvr8突变株与野生型之间基因表达
的差异, 在5% FDR (false discovery rate)水平下, 至
少72个基因在uvr8突变株中大幅下调, 其中大部分
是黄酮类合成基因和有保护作用的次级代谢途径
的基因。Kaiserli和Jenkins (2007)用低强度的白光、
UV-B、UV-A、红光、高强度的白光处理拟南芥
Ler, 发现UVR8的蛋白水平均未发生变化, 采用
UVR8自身启动子驱动的GFP-UVR8融合蛋白, 在
无UV-B情况下, 发现UVR8在细胞核与细胞质均有
分布; 但仅在UV-B处理下, GFP-UVR8才能被迅速
往细胞核转移并积累, 发挥其调控基因表达的功
能。Cloix和Jenkins (2008)采用染色质免疫沉淀技
术(ChIP)分析表明, UVR8能与染色质结合, 并且主
要与其调控基因的启动子区结合(包括HY5的启动
图1 植物中UV-B信号通路示意
Fig.1 The schematic model of UV-B signal pathways
实线箭头表示直接调控; 虚线箭头表示间接调控; 线段表示抑制。
钱珊珊等: 植物UV-B生理效应的分子机制研究进展 1043
子区)。免疫共沉淀和竞争性实验表明, UVR8主要
与组蛋白H2B结合, 这一结合在UV-B存在下可能
参与对组蛋白的修饰从而促进相关基因的转录,
如在UV-B处理后就检测到ELIP1、HYH、HY5启
动子区的这种修饰变化。
虽然UVR8已被认为在UV-B信号转导中具有
重要作用, 但Rizzini等(2011)的工作进一步确认
UVR8就是感受UV-B的受体, 这是该领域研究的重
要进展。UVR8在无UV-B时以无活性的二聚体存
在, 在有UV-B时迅速转变为单体的活性形式并转
移至核内发挥激活下游基因的作用。UVR8在离
体蛋白提取物、异源的酵母表达系统、转染的人
胚胎肾细胞株HEK293T表达系统中均能对UV-B
处理表现出这种二聚体向单体转变, 并且这种转
变不需要COP1的存在就能发生, 这表明UVR8是
直接感受UV-B (Rizzini等2011)。色氨酸在溶液中
的最大吸收峰在280 nm附近, 因此被认为是感受
UV-B生色团的候选者之一(Fritsche等2007)。
UVR8中有14个色氨酸, 均位于预测的β-螺旋结构
的顶端, 其中233、285、337位色氨酸在UVR8结
构的中心形成一个令人感兴趣的结构, 定点突变
实验表明, 285位的色氨酸是UVR8感知UV-B的必
需关键基团(Rizzini等2011)。
除UVR8外, 还陆续发现了UVR8依赖的UV-B
信号途径的几个成员。Favory等(2009)采用瞬时
表达技术及荧光双分子标记技术研究表明UVR8
与COP1互作, 这一互作发生在UV-B处理的数分钟
内并且是UV-B依赖的; 采用免疫共沉淀技术能从
UV-B处理的拟南芥幼苗提取物中将UVR8与COP1
共沉淀下来。Rizzini等(2011)采用离体蛋白提取
物的研究结果也表明, UVR8与COP1互作以UV-B
依赖的方式快速发生。这些研究表明, COP1是受
到UVR8直接调控的。COP1在可见光下是拟南芥
光形态建成的一个负调控因子(McNellis等1994),
Oravecz等(2006)的工作表明在LF UV-B处理下,
COP1却是一个关键的正调控因子, 与HY5一起正
调控UV-B介导的信号转导途径。在cop1-4突变体
中, LF UV-B诱导的黄酮类化合物积累以及相关基
因的表达均很大程度上受到了抑制。UV-B介导下
的下胚轴伸长抑制和黄酮类化合物的积累需要
COP1与HY5的参予, 在UV-B处理下COP1与HY5
均在细胞核内积累, 但HY5的激活依赖于COP1。
HY5是bZIP转录因子, 组成型地存在于细胞核内,
介导多种光受体的作用以调控幼苗的形态建成
(Ang等1998)。uvr8突变株与野生型在UV-A、远
红光处理下, 二者的HY5转录水平是一致, 而在
UV-B处理下uvr8突变株的HY5却未如野生型受到
诱导, 说明UV-B诱导下的HY5转录是UV-B特异诱
导的, 而且受到UVR8的调控。利用基因芯片技术,
发现在LF UV-B处理下, UVR8和HY5调控的基因
大约50%是相同的(Brown等2005), 表明HY5是
UVR8途径中的一个关键效应因子。
为了保持信号转导系统的稳定, 除了正调控
因子之外, 一般还存在负调控因子。Jiang等(2009)
发现在拟南芥rcd1 (radical-induced cell death 1)突
变体中, 在UV-B处理下, COP1调控的基因均上调
表达, 而UVR8调控的基因以及HY5非依赖基因的
表达没有变化。STO基因的表达在rcd1突变体中
大大增强, HY5和CHS的表达在sto突变体中受到一
定程度的抑制。已知RCD1与STO之间存在互作,
说明RCD1可能通过负调控STO基因的表达来参与
对UVR8依赖的UV-B特异的信号转导途径的负调
控。Gruber等(2010)发现两个含WD40结构域的蛋
白RUP1 (REPRESSOR OF UV-B PHOTOMOR-
PHOGENESIS 1)、RUP2, 它们能与UVR8直接互
作并且是作为负调控因子起作用。在UV-B处理
下, 这两个基因的转录激活依赖于COP1、UVR8
与HY5。rup1rup2双突变体对UV-B的反应增强,
而且经过驯化处理后对UV-B的耐受水平也提高;
超表达RUP2却使UV-B诱导的光形态建成减弱, 并
变得对UV-B处理敏感。说明RUP1和RUP2是
UVR8的负反馈调控因子, 在UV-B防护及植物的正
常生长之间建立起适当的平衡。以上正负调控基
因, 再加上其他尚未鉴定出的基因的共同作用, 一
起构成UVR8依赖的UV-B信号转导途径调控相关
的形态建成等反应。
UVR8还参与了植物昼夜节律的调控。生活
在白天与黑夜交替下的绝大部分生物均具有昼夜
节律现象, 它可以周期性调控生物的分子、生化
及生理过程。Fehér等(2011)的工作表明, LF UV-B
可以通过UVR8和COP1快速影响拟南芥昼夜节律
核心基因CCA1 (CIRCADIAN CLOCK ASSOCIAT-
植物生理学报1044
ED 1)、LHY (LATE ELONGATED HYPOCOTYL)、
PRR9 (PSEUDO RESPONSE REGULATOR 9)、GI
(GIGANTEA)的转录, 从而对昼夜节律产生影响;
同时还表明这一调控过程不需要HY5、HYH的参
与。LF UV-B通过UVR8、COP1调控昼夜节律, 从
而影响植物的分子、生化及生理周期。
前已述及植物中还存在不依赖UVR8的UV-B
信号转导途径(Brown和Jenkins 2008), 但对这一途
径的研究相对滞后 , 或许与下面介绍的途径有
关。Suesslin和Frohnmeyer (2003)在LF UV-B处理
下从T-DNA突变库中筛选下胚轴伸长抑制不敏感
的突变株系, 其中一个突变株uli3 (UV-B light in-
sensitive 3)在UV-B处理下, CHS、NDPK1a、PR1
等基因的表达与野生型相比均受到了很大程度抑
制, 说明ULI3可能位于UV-B信号转导途径的上
游。在拟南芥的黄化苗中, ULI3的表达受到UV-B
的大幅上调, 并且主要在茎、叶、花的表层细胞
表达, 但不在根中表达; ULI3的表达主要定位于靠
近细胞膜的细胞质中。ULI3编码一个80 kDa蛋白,
具有亚铁血红素和二酯酰甘油结合的结构域, 已
知亚铁血红素生色团与光依赖的电子转移有关,
ULI3可能在UV-B受体激活后作为电子供体或者
感受UV-B触发的细胞质中氧化还原势的变化。但
目前对ULI3与UVR8之间的关系如何尚不清楚。
4 极低强度UVB (VLF UV-B)
虽然LF UV-B能触发植物特异响应, 但植物中
吸收UV-B的物质也较多, 因此很难将这些物质吸
收UV-B触发的反应与UV-B信号转导本身区分开
来, 而VLF UV-B却只能激发其特异的信号转导途
径, 因此如果能找到VLF UV-B下的表型则将对研
究UV-B信号通路十分有利。近年发现的RUS (ROOT
UV-B SENSITIVE)就可能参与了VLF UV-B的信号
传递。
Tong等(2008)对不同来源的拟南芥突变库进
行筛选, 获得了一些在正常光照下基本无根、子
叶张开且泛黄但无真叶生长, 而在移栽入土后迅
速恢复正常的突变株系, 其中一个株系被命名为
rus1。将rus1-1与cry1、cry2、cry1cry2、phyA、
phyB、phyAphyB、phot1、phot2、phot1phot2和
nph3等已知的光受体突变体杂交, 获得的纯合双
突变体并不能抑制rus1-1的表型, 并且rus1-1在蓝
光、红光、远红光下均没有表型, 这些结果说明
RUS1与已知的光受体通路无关。实验证实这一表
型是突变体根部感受到VLF UV-B所致, 采用外推
法计算出低至2.27 nmol·m-2·s-1的UV-B就能出现根
变短的表型。在HF UV-B处理下, rus1突变体与野
生型的CHS (At5g13930)、HY5 (At5g11260)、
At1g19020、At4g15480和At5g05410均上调表达,
二者之间没有差异; 但在LF UV-B处理下, 除rus1
突变体的CHS表达水平比野生型高外, 其余4个基
因的表达水平二者之间没有差异, 说明RUS途径可
能有别于前面介绍的途径。采用图位克隆法克隆
了RUS1 (At3g45890), 与GFP融合实验表明, RUS1
在根尖分生区、根伸长区的皮层有较强表达。
Leasure等(2009)报道了一个与rus1具有相同
表型的rus2, 发现双突变体rus1rus2的表型与单突
变体的表型相同。克隆RUS2 (At2g31190)并进行
生物信息学分析, 结果表明, 拟南芥基因组中共有
6个类似的基因, 它们的共同点是包含一个未知功
能结构域DUF647。采用酵母双杂交技术研究表
明, RUS2与RUS1之间存在较强的互作, 并且它们
的互作依赖于DUF647中的一些保守氨基酸。RT-
PCR及Genevestigator数据库分析表明, RUS2在拟
南芥的各个部位均有表达, 但在根尖的表达强度
大约是根的其他部位的4倍, 这与RUS2启动子驱动
下的RUS2-GFP融合蛋白主要在根尖表达是一致
的。综合以上结果, Leasure等(2009)认为RUS2与
RUS1都是UV-B特异的信号转导途径的负调控因
子。在拟南芥、水稻、苔藓、绿藻、人、老鼠、
果蝇、斑马鱼、马、牛等基因组中均找到了RUS,
说明该基因在生物界广泛存在, 可能在感知VLF
UV-B以调控生物的生长发育方面具有重要意义。
但Ge等(2010)筛选到一个生长素不敏感突变株
wxr1, 发现WXR1即为RUS2, 他们的研究却表明该
基因与生长素的极性运输有关, 而与UV-B无关, 出
现这一差异的原因目前尚不清楚。
Leasure等(2011)利用甲基磺酸乙酯(EMS)处
理rus突变株, 获得了一些回复突变株, 其中一个回
复基因是天冬氨酸氨基转移酶基因2 (ASPARTATE
AMINOTRANSFERASE 2, ASP2), 它编码细胞质天
冬氨酸氨基转移酶(aspartate aminotransferase, AAT),
该酶需要磷酸吡哆醛(pyridoxal 5′-phosphate, PLP,
钱珊珊等: 植物UV-B生理效应的分子机制研究进展 1045
VB6)作为其辅因子, 发现该酶只有与PLP结合的位
点发生突变时才能恢复rus突变株的表型; 培养基
中外源添加VB6也能一定程度补救rus表型。这些
结果说明AAT在维持拟南芥细胞内VB6的水平以
发挥其在植物生长发育等功能方面具有一定作
用。由于这一途径研究刚刚开始, VLF UV-B下的信
号通路与其他UV-B信号通路的关系如何尚不清楚。
综上所述, 当植物感受到不同强度的UV-B后,
通过不同的分子途径调控相关基因的表达, 最终
表现出不同的生理效应。HF UV-B主要作为环境
逆境因子对植物造成伤害, 随后触发植物修复机
制; 而MF、LF、VLF UV-B则对植物是信号因子,
通过特异的受体(如UVR8)的介导, 通过不同的分
子通路, 最终导致UV-B光形态建成的发生。虽然
近年来对UV-B光形态建成分子机制的研究已取得
重要进展, 但目前对其分子机制的了解仍不及其
他光受体通路(Ulm 2004)。图1是我们根据最新的
研究结果总结的UV-B信号分子途径, 可见其中还
有很多未知点, 因此加强这一领域的研究以尽快
查明这一信号通路的未知成员, 将具有十分重要
的科学意义。
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