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乙烯信号简史 | 百万雄师过大江 精选

已有 4246 次阅读 2018-12-10 22:14 |个人分类:乙烯信号转导简史|系统分类:科研笔记| 乙烯信号简史

在《总司令”EIN3》和《EIN3风花雪月》中,我们着重强调了EIN3/EIL1在乙烯信号转导中的重要作用。由前面的介绍我们不难体会到:EIN3/EIL1处于乙烯信号通路中的枢纽位置,决定着乙烯信号能否顺利传入细胞核,直接影响着植物的生死存亡。实际上,EIN3/EIL1不仅仅是一个信息的中间传递者,它们还军权在握,直接控制着数以千计的基因的表达

俗话说:打虎亲兄弟,上阵父子兵。下面,就让我们一起见识一下,EIN3/EIL1这对亲兄弟运筹帷幄,有条不紊地指导百万雄师浩浩荡荡过大江,最终决胜千里之外的精彩故事吧。

EIN3/EIL1属于转录因子家族。转录因子的直接作用就是通过和靶基因的启动子结合,调控基因的表达。1998年,Joseph R. Ecker实验室在GENES & DEVELOPMENT上发表文章Nuclear events in ethylene signaling: a transcriptional cascade mediated by ETHYLENE-INSENSITIVE3 and ETHYLENE-RESPONSE-FACTOR1ERF1,报道了EIN3的第一个直接靶基因ERF1EIN3以同源二聚体的形式,特异地识别并结合到ERF1的启动子上,促进ERF1的表达。ERF1是一个转录激活因子,可以识别基因启动子上的GCC-box,进一步调节下游基因的表达。将ERF1在拟南芥中过表达,可以激活众多乙烯响应基因的表达,使植株表现出组成型乙烯反应的表型。

过表达ERF1的拟南芥表现组成型乙烯反应【1

EIN3/EIL1神通广大,不仅可以调控ERF基因的表达,还影响着植物的免疫系统。2010年,英国Sainsbury实验室的科研人员在PNAS上发表题为Direct transcriptional control of the Arabidopsis immune receptor FLS2 by the ethylene-dependent transcription factors EIN3 and EIL1的文章,报道了EIN3/EIL1可以直接调节免疫受体FLS2的表达,正调控拟南芥抗病性的机制【2】。FLS2属于LRR-RKleucine-rich repeat receptor kinase),是细菌鞭毛蛋白的受体。当FLS2和鞭毛蛋白或者flag22结合后,会引起植物产生免疫反应。研究人员在通过遗传学手段筛选鞭毛蛋白不敏感拟南芥突变体的过程中,鉴定到了一个突变体fin3。通过图位克隆,发现fin3ein2的等位突变。在前面的介绍中,我们知道,EIN2也是乙烯信号通路中的重要组分,负责乙烯信号由内质网膜到细胞质和细胞核的传递。因此,从上述实验结果可以得出结论,乙烯信号通路中的重要组分EIN2抑制了FLS2介导的植物免疫。有意思的是,在ein2突变体中,FLS2mRNA和蛋白的表达都降低。我们知道,EIN3/EIL1EIN2下游重要的转录因子。那么,突变体中FLS2表达的下调和EIN3/EIL1有什么关系呢?进一步检测后发现,FLS2EIN3/EIL1的直接靶基因,可以激活FLS2的表达。EIN2突变导致乙烯信号无法向下游传递,EIN3/EIL1不能激活FLS2的表达,从而导致突变体对鞭毛蛋白不敏感。

遗传学筛选到的fin3ein2的等位突变【2

有意思的是,周俭民团队2009年在The Plant Cell上发表的一篇文章中,报道了EIN3/EIL1负调控拟南芥抗病性的机制【3】。和前面介绍的PNAS文章类似,周俭民团队的研究人员在筛选报告基因RAP2.6对丁香假单胞菌DC3000响应改变突变体的过程中,筛选到了一个报告响应减弱的突变体rrb6。通过图位克隆后发现,rrb6ein3的等位突变。进一步研究发现,EIN3EIL1的突变可以增强植物的PAMP反应,增加拟南芥对DC3000的抗性。EIN3EIL1可以结合到SID2SALICYLIC ACID INDUCTION DEFICIENT2)基因的启动子上,抑制该基因的表达。SID2在病原菌诱导SA的合成过程中是必须的,而SA的积累可以增加植物的抗病性。因此,EIN3/EIL1通过抑制SA的合成,负调控拟南芥对DC3000的免疫力。

除了增加植物对病原菌的抗性,一些研究还表明,乙烯在提高植物对各种非生物性胁迫的抗性方面也具有非常重要的作用。2012年,中国农大杨淑华团队在The Plant Cell上发表文章Ethylene Signaling Negatively Regulates Freezing Tolerance by Repressing expression of CBF and Type-A ARR Genes in Arabidopsis,解析了乙烯负调控拟南芥耐冷性的机制【4】。研究人员发现,外源添加乙烯前体ACC会降低拟南芥的耐冷性,而添加乙烯合成抑制剂却可以增加耐冷性。相似地,乙烯不敏感突变体etr1-1, ein4-1, ein2-5, ein3-1, ein3 eil1的耐冷性都增强,而组成型乙烯反应 ctr1-1 EIN3过表达拟南芥的耐冷性都降低。进一步通过遗传学实验和生化实验证明,EIN3/EIL1可以结合到 CBFsARR5type-A Arabidopsis response regulator), ARR7以及 ARR15的启动子上,抑制这些基因的表达,从而负调控拟南芥的耐冷性。

乙烯负调控拟南芥的耐冷性【4

2014年,郭红卫团队在PLOS Genetics上发表文章Salt-Induced Stabilization of EIN3/EIL1 Confers Salinity Tolerance by Deterring ROS Accumulation in Arabidopsis,报道了EIN3/EIL1正调控拟南芥耐盐性的机制【5】。他们发现,乙烯预处理可以显著增加拟南芥的耐盐性。并且,乙烯信号增强突变体的耐盐性增强,乙烯信号减弱突变体的耐盐性减弱。这说明,乙烯可以正调控拟南芥对盐胁迫的耐受性。那么,这是什么机制导致的呢?进一步研究后发现,盐胁迫可以抑制F-box蛋白EBF1/EBF2介导的EIN3/EIL1的蛋白酶体降解,从而促进EIN3/EIL1蛋白的积累。并且,这一过程还依赖EIN2。积累的EIN3/EIL1可以直接调控SIEDSalt-Induced and EIN3/EIL1-Dependent)和PODperoxidase)的表达,加快植物体内ROS的清除,从而增加的植物的耐盐性。

乙烯正调控拟南芥的耐盐性【5

除此之外,EIN3/EIL1还直接参与调控植物的光合作用和叶绿素代谢。2009年,郭红卫团队发现EIN3介导了拟南芥黄化苗出土见光后子叶绿化的过程【6】。另外,EIN3还直接调控植物叶绿素的代谢和叶片的衰老【7-8】。

其实,上面介绍的这些还只是EIN3的一小部分功能而已,EIN3/EIL1参与的生物学过程远远不止这些。2013Joseph R Ecker实验室在elife上发表题为Temporal transcriptional response to ethylene gas drives growth hormone cross-regulation in Arabidopsis的文章【9】。他们使用ChIP-seq并结合RNA-seq的技术,发现了一千多个基因可以直接被EIN3调控,这些基因参与了植物生长发育的各个过程。有意思的是,大部分乙烯信号通路中的组分也都是EIN3的靶基因,说明在乙烯信号转导中,反馈调节机制普遍存在。更为重要的是,研究人员发现EIN3是植物生长发育及响应胁迫过程中基因调节的重要节点,它将大多数植物激素和逆境胁迫信号整合在一起,形成一个复杂的转录调控网络,从而保证了植物在各种复杂环境中的生长和发育。

EIN3/EIL1介导的转录调控网络【10

参考文献:

1Solano, R., Stepanova, A., Chao, Q., & Ecker, J. R. (1998). Nuclear events in ethylene signaling: a transcriptional cascade mediated by ETHYLENE-INSENSITIVE3 and ETHYLENE-RESPONSE-FACTOR1. Genes & development, 12(23), 3703-3714.

2Boutrot, F., Segonzac, C., Chang, K. N., Qiao, H., Ecker, J. R., Zipfel, C., & Rathjen, J. P. (2010). Direct transcriptional control of the Arabidopsis immune receptor FLS2 by the ethylene-dependent transcription factors EIN3 and EIL1. Proceedings of the National Academy of Sciences, 107(32), 14502-14507.

3Chen, H., Xue, L., Chintamanani, S., Germain, H., Lin, H., Cui, H., ... & Guo, H. (2009). ETHYLENE INSENSITIVE3 and ETHYLENE INSENSITIVE3-LIKE1 repress SALICYLIC ACID INDUCTION DEFICIENT2 expression to negatively regulate plant innate immunity in Arabidopsis. The Plant Cell, 21(8), 2527-2540.

4Shi, Y., Tian, S., Hou, L., Huang, X., Zhang, X., Guo, H., & Yang, S. (2012). Ethylene signaling negatively regulates freezing tolerance by repressing expression of CBF and type-A ARR genes in Arabidopsis. The Plant Cell, tpc-112.

5Peng, J., Li, Z., Wen, X., Li, W., Shi, H., Yang, L., ... & Guo, H. (2014). Salt-induced stabilization of EIN3/EIL1 confers salinity tolerance by deterring ROS accumulation in Arabidopsis. PLoS genetics, 10(10), e1004664.

6Zhong, S., Zhao, M., Shi, T., et al., 2009. EIN3/EIL1 cooperate with PIF1 to prevent photo-ox-idation and to promote greening of Arabidopsis seedlings. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 21431–21436.

7Kim, H. J., Hong, S. H., Kim, Y. W., Lee, I. H., Jun, J. H., Phee, B. K., ... & Nam, H. G. (2014). Gene regulatory cascade of senescence-associated NAC transcription factors activated by ETHYLENE-INSENSITIVE2-mediated leaf senescence signalling in Arabidopsis. Journal of experimental botany, 65(14), 4023-4036.

8Qiu, K., Li, Z., Yang, Z., Chen, J., Wu, S., Zhu, X., ... & Zhou, X. (2015). EIN3 and ORE1 accelerate degreening during ethylene-mediated leaf senescence by directly activating chlorophyll catabolic genes in Arabidopsis. PLoS genetics, 11(7), e1005399.

9Chang, K. N., Zhong, S., Weirauch, M. T., Hon, G., Pelizzola, M., Li, H., ... & Nery, J. R. (2013). Temporal transcriptional response to ethylene gas drives growth hormone cross-regulation in Arabidopsis. Elife, 2, e00675.

10Hao D, Sun X, Ma B, Zhang JS, Guo H (2017) Ethylene. In Hormone Metabolism and Signaling in Plants, pp203-241, edited by Li J, Li C and Smith MS.

 


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2 范振英 沈律

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