紫外光B波段光信號調(diào)控植物生長發(fā)育的研究進(jìn)展

任 慧，黃 烯

(廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361102)

太陽光是地球生命體的能量來源.植物將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存起來，供給動(dòng)植物繁衍生息.太陽光是一種電磁波，能透過大氣層照射到地表的波段主要包括可見光、紅外光和紫外光(UV).由于季節(jié)更替和地勢的差異，環(huán)境中的光照條件如光波組成和光照強(qiáng)度等在不斷發(fā)生著變化.為了更好地生存，植物在長期的自然選擇過程中，能夠高效地利用太陽光維持自身生長發(fā)育，同時(shí)進(jìn)化出復(fù)雜而精細(xì)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)光照環(huán)境的改變.光調(diào)控了植物的整個(gè)生命過程，包括種子萌發(fā)、光形態(tài)建成、避蔭反應(yīng)、開花等，貫穿營養(yǎng)生長和生殖生長階段[1-2].研究表明不同波段的光對植物的生長發(fā)育有不同的調(diào)控作用，植物通過特異的光受體來接收不同波段的光：光敏色素(phytochrome,phy)接收紅光和遠(yuǎn)紅光信號(600～750 nm)，隱花色素(cryptochrome,cry)、向光素(phototropin)和Zeitlupes家族蛋白接收藍(lán)光和紫外光A波段(UV-A)光信號(315～500 nm)，UVR8(UV Resistance Locus 8)蛋白接收UV-B光信號(280～315 nm)[3-6].UV是一種短波長(10～400 nm)的非可見光,大部分被臭氧層阻擋[7].隨著臭氧層破壞的加劇，地表的UV強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)[8].UV按輻射強(qiáng)度分為3個(gè)波段：短波段的UV-C(100～280 nm)，大部分都被臭氧層過濾掉；長波段的UV-A(315～400 nm)，穿透性較強(qiáng)且有致癌性；中波段的UV-B,波長在280～315 nm之間.植物對UV-B光的響應(yīng)受到UV-B光強(qiáng)度、波長和照射時(shí)長的影響.一般來說，高強(qiáng)度、較短波長的UV-B光會誘發(fā)植物的應(yīng)激反應(yīng)，造成DNA損傷，加速植物衰老或造成植株死亡[9-10]；低強(qiáng)度、較長波長的UV-B光對植物的多種發(fā)育過程有正向調(diào)控作用，如光形態(tài)建成、避蔭反應(yīng)、向光性、葉片的生長發(fā)育等[11].本文從UV-B光信號的接收、下游傳遞過程及產(chǎn)生的效應(yīng)3個(gè)方面闡述植物如何響應(yīng)UV-B光信號.

1 UV-B光信號的接收與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

1.1 UV-B光受體蛋白UVR8

植物UV-B光受體首先在模式植物擬南芥(Arabidopsisthaliana)中被鑒定出來.通過遺傳篩選，Kliebenstein等[12]鑒定到對UV-B輻射脅迫超敏感的突變體uvr8-1，在UV-B光照射下，uvr8-1中類黃酮含量降低，類黃酮和花青素合成關(guān)鍵基因的表達(dá)明顯減少；由此克隆了UVR8基因，并發(fā)現(xiàn)其氨基酸序列與RCC1(Regulator of Chromosome Condensation 1)具有相似性，但是目前尚未發(fā)現(xiàn)UVR8能像RCC1一樣行使鳥苷酸交換因子的功能.轉(zhuǎn)錄組分析揭示UVR8是一個(gè)特異性介導(dǎo)植物UV-B光響應(yīng)的信號因子，調(diào)控包括HY5(ElongatedHypocotyl5)在內(nèi)的一系列UV-B光誘導(dǎo)基因的表達(dá)[13].隨后，F(xiàn)avory等[14]基于UV-B光形態(tài)建成研究體系的建立和更精細(xì)的轉(zhuǎn)錄組分析，進(jìn)一步確認(rèn)了UVR8在UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的核心地位.

2011年，Rizzini等[6]發(fā)現(xiàn)呈二聚體形式的UVR8蛋白在UV-B光照射下能迅速解聚成單體，并與COP1(Constitutively Photomorphogenic 1)蛋白結(jié)合.隨后，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家利用UVR8的原核重組蛋白和X射線衍射技術(shù)，解析了非激活態(tài)即二聚體形式UVR8蛋白的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了UVR8作為UV-B光受體的分子基礎(chǔ)；研究顯示UVR8蛋白的三維結(jié)構(gòu)形似螺旋槳，由7個(gè)槳葉構(gòu)成，每個(gè)槳葉都是經(jīng)典的WD40重復(fù)結(jié)構(gòu)域形成的β-折疊片，螺旋槳結(jié)構(gòu)表面含有帶正電和帶負(fù)電的部分，且正負(fù)電荷基本呈現(xiàn)聚集性的對稱分布[15].當(dāng)環(huán)境中沒有UV-B光時(shí)，2個(gè)UVR8蛋白在其表面精氨酸殘基的幫助下，通過電荷作用及化學(xué)鍵結(jié)合形成同源二聚體；當(dāng)受到UV-B光照射后，作為生色團(tuán)的色氨酸殘基吸收UV-B光并發(fā)生偏轉(zhuǎn)，打破了維持二聚體間相互作用的化學(xué)鍵，使得二聚體解聚成單體；該過程發(fā)生快速,實(shí)驗(yàn)證明只需要用UV-B光照射5 s即可檢測到UVR8蛋白構(gòu)象的改變，這說明UVR8蛋白能幫助植物及時(shí)地響應(yīng)UV-B光信號，迅速啟動(dòng)發(fā)育和防御機(jī)制[6].UVR8蛋白的第286位和第338位精氨酸殘基(R286和R338)對于穩(wěn)定二聚體結(jié)構(gòu)起到不可替代的作用，當(dāng)其中之一突變?yōu)楸彼岷?，UVR8蛋白都無法形成二聚體；UVR8蛋白二聚體表面共有7個(gè)色氨酸殘基，其中第233位和第285位色氨酸殘基(W233和W285)是UVR8蛋白中主要負(fù)責(zé)吸收UV-B光的生色團(tuán)，與精氨酸殘基形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵來維持蛋白的結(jié)構(gòu)，當(dāng)其中之一突變?yōu)楸彼岷?，UVR8蛋白也無法形成穩(wěn)定的二聚體結(jié)構(gòu)[15-16].

二聚體轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w的構(gòu)象變化過程是可逆的.在體外條件下，原核重組的UVR8蛋白單體在UV-B光移除后緩慢恢復(fù)成二聚體，35 h后依然能檢測到大部分UVR8單體[15].而擬南芥內(nèi)源的UVR8單體恢復(fù)成二聚體的速度明顯快于體外重組蛋白，UV-B光移除30 min即能檢測到二聚體，2 h后大部分UVR8單體都恢復(fù)成二聚體，說明擬南芥體內(nèi)對于UVR8蛋白的構(gòu)象變化有精細(xì)的調(diào)控，以保證當(dāng)環(huán)境中UV-B光消失時(shí)，信號傳遞能及時(shí)終止[17].

1.2 UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的起始

UV-B光照條件下，UVR8蛋白由二聚體解聚成單體后，能夠直接結(jié)合光形態(tài)建成的關(guān)鍵調(diào)控蛋白COP1[18].實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，UV-B光照射5 s即可檢測到擬南芥體內(nèi)UVR8單體的存在，1 min后就能檢測到它與COP1的結(jié)合[6]，說明UV-B光信號的起始轉(zhuǎn)導(dǎo)步驟迅速高效.Ouyang等[19]進(jìn)一步利用數(shù)學(xué)建模手段對這一過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)重建.

在擬南芥uvr8和cop1功能缺失突變體中，大量UV-B光應(yīng)答基因的表達(dá)不發(fā)生變化，花青素不積累，植物無法響應(yīng)UV-B光進(jìn)行光形態(tài)建成，說明UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)同時(shí)依賴于UVR8和COP1蛋白，兩者在擬南芥應(yīng)答UV-B光信號中起著不可或缺的作用[6,18].UVR8蛋白在白光及UV-B光下都有較恒定的積累[20]，但其在白光下的功能尚無相關(guān)報(bào)道.白光下儲備的UVR8蛋白能幫助植物在受到UV-B光照射后迅速做出反應(yīng)，可以看作是植物的一種自我保護(hù)機(jī)制；而COP1基因的表達(dá)受UV-B光誘導(dǎo)，其蛋白在UV-B光下與可見光下相比有更高水平的積累[21].

COP1依賴于UV-B光結(jié)合單體形式而非二聚體形式的UVR8蛋白.UVR8蛋白由N端的7個(gè)WD40重復(fù)結(jié)構(gòu)域和C端的27個(gè)氨基酸(C27)組成，其中WD40重復(fù)結(jié)構(gòu)域與COP1蛋白的相互作用依賴于UV-B光，而C27片段與COP1的相互作用不依賴于UV-B光但依賴于第440位纈氨酸(V440)和第441位脯氨酸(P441)；將C27片段轉(zhuǎn)入uvr8突變體能使擬南芥幼苗在白光下就具有組成型的短下胚軸表型，說明C27片段可以代替激活的UVR8全長蛋白來調(diào)控COP1蛋白的功能，使得COP1蛋白在白光下即可促進(jìn)光形態(tài)建成的發(fā)生[22-23].由此推測UVR8蛋白的C27片段在其與COP1蛋白發(fā)生相互作用的過程中起關(guān)鍵調(diào)控作用，而N端結(jié)構(gòu)域可能調(diào)節(jié)C27片段與COP1的相互作用，使得UVR8與COP1發(fā)生依賴于UV-B光的相互作用，說明UV-B光信號的起始和傳遞具有可調(diào)節(jié)性[23-24].

UVR8蛋白的內(nèi)源生色團(tuán)(W233和W285)和穩(wěn)定二聚體結(jié)構(gòu)的氨基酸(R286和R338)在UV-B光信號感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)中都發(fā)揮重要功能.COP1和UVR8在擬南芥體內(nèi)的結(jié)合也依賴于這些關(guān)鍵氨基酸.UVR8突變型蛋白UVR8W285F表現(xiàn)為組成型的二聚體狀態(tài)，無法結(jié)合COP1蛋白，導(dǎo)致幼苗無法在UV-B光下完成正常的光形態(tài)建成；UVR8W233A蛋白雖然為組成型的單體，但是在擬南芥體內(nèi)可與COP1形成較少的蛋白復(fù)合體，而組成型的UVR8R338A蛋白單體能與COP1蛋白形成大量的蛋白復(fù)合體，使幼苗光形態(tài)建成增強(qiáng)，說明UVR8與COP1形成蛋白復(fù)合體在UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有閾值效應(yīng)，對于UV-B光形態(tài)建成的程度起決定性作用[19-25].

在植物細(xì)胞內(nèi)，UVR8在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中均有分布.UV-B光能促進(jìn)UVR8在細(xì)胞核中積累，使得細(xì)胞核中僅存在UVR8蛋白單體，從而介導(dǎo)光形態(tài)建成；在這一過程中，E3泛素連接酶COP1蛋白幫助UVR8蛋白以單體形式在細(xì)胞核中積累，而RUP 1/2(Repressor of UV-B Photomorphogenesis 1/2)是該過程的負(fù)調(diào)控因子;UVR8和COP1在細(xì)胞核中的積累是UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起始的關(guān)鍵步驟,然而關(guān)于COP1是攜帶UVR8蛋白一起入核還是將UVR8限制于細(xì)胞核中，或是需要其他蛋白的幫助，目前還不清楚[26-27].兩者進(jìn)入細(xì)胞核后如何將UV-B光信號傳遞到下游的轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控UV-B光應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄，也需要進(jìn)一步研究.

1.3 UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵因子

1.3.1 COP1

COP1是多功能的E3泛素連接酶，在動(dòng)植物中廣泛分布且功能保守[28].COP1蛋白具有3個(gè)功能結(jié)構(gòu)域：N端具有泛素連接酶活性的RING finger環(huán)指結(jié)構(gòu)域、負(fù)責(zé)蛋白自身互作的coiled-coil結(jié)構(gòu)域以及C端負(fù)責(zé)COP1與其他蛋白結(jié)合的WD40結(jié)構(gòu)域[29].在植物中，COP1蛋白通過調(diào)控蛋白的穩(wěn)定性參與多種生物學(xué)過程，包括光形態(tài)建成、開花、生物鐘節(jié)律和激素響應(yīng)等[30].研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥的COP1可以自身作為泛素連接酶，也能夠在CUL4-DDB1(Cullin 4-Damaged DNA Binding Protein 1)泛素連接酶復(fù)合體中作為底物接收蛋白，介導(dǎo)底物通過泛素-蛋白酶體途徑降解[31-32].COP1的這些功能依賴于SPA(Suppressor of phyA-105)家族中4個(gè)功能冗余的同源蛋白SPA1、SPA2、SPA3和SPA4,spa四突變體中COP1的泛素連接酶活性被抑制[33].COP1與SPAs能夠形成穩(wěn)定的同源或異源四聚體,SPAs的組織特異性表達(dá)決定了它們對COP1蛋白功能的調(diào)控存在一定程度的組織特異性[33-37].

COP1在遠(yuǎn)紅光、紅光、藍(lán)光和UV-B光信號通路中均發(fā)揮重要功能.在黑暗中，COP1介導(dǎo)光形態(tài)建成的核心轉(zhuǎn)錄因子HY5的降解，從而抑制光形態(tài)建成[30];在光照條件下，遠(yuǎn)紅光/紅光受體phyA、phyB以及藍(lán)光受體cry2的穩(wěn)定性都受到COP1的抑制[38-40]；而在UV-B光下，尚未有光受體UVR8的穩(wěn)定性受COP1調(diào)控的報(bào)道.UVR8和COP1通過形成蛋白復(fù)合體使UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起始，并以多種機(jī)制共存的方式保證轉(zhuǎn)錄因子HY5的蛋白積累與活性，最終促進(jìn)光形態(tài)建成的發(fā)生：1)HY5基因受UV-B光的誘導(dǎo)表達(dá)依賴于UVR8和COP1[18]；2) UVR8 結(jié)合COP1及SPAs后，競爭性地將COP1-SPAs與CUL4-DDB1解離，使得降解HY5的CUL4-DDB1-COP1-SPAs泛素連接酶復(fù)合體解聚[41]；3) UVR8利用VP結(jié)構(gòu)域與HY5競爭性地結(jié)合COP1[42]，使得HY5蛋白逐漸積累并促進(jìn)UV-B光應(yīng)答基因的表達(dá)[14,41]；4) UV-B光下COP1與RUP1/2蛋白結(jié)合促進(jìn)其泛素化降解，抑制RUP1/2介導(dǎo)的HY5蛋白降解；5) RUP1和RUP2蛋白在UV-B光下的積累也抑制了COP1和HY5的相互作用[43].因此，UV-B光下COP1在轉(zhuǎn)錄水平和轉(zhuǎn)錄后水平上都對HY5起正調(diào)控作用；尤其是UV-B光信號使COP1對HY5蛋白的調(diào)控發(fā)生反轉(zhuǎn)，從介導(dǎo)降解轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)穩(wěn)定.

1.3.2 RUP1和RUP2

當(dāng)接收到UV-B光信號時(shí)，二聚體UVR8蛋白解聚成單體并將信號向下游傳遞；當(dāng)環(huán)境中的UV-B光消失后，UVR8蛋白又逐漸恢復(fù)成二聚體形式，抑制UV-B光信號的持續(xù)傳遞.該過程受到兩個(gè)同源蛋白RUP1和RUP2的調(diào)控.rup1突變體的光形態(tài)建成沒有明顯缺陷，rup2突變體在白光及UV-B光下的光形態(tài)建成表型明顯增強(qiáng)，而rup1rup2雙突變體在UV-B光下表現(xiàn)出進(jìn)一步增強(qiáng)的光形態(tài)建成表型，這些結(jié)果說明RUP1和RUP2協(xié)同抑制UV-B光下的光形態(tài)建成，其中RUP2起主導(dǎo)作用[44].

RUP1和RUP2蛋白在UV-B光下誘導(dǎo)積累，通過與UVR8蛋白的C27片段結(jié)合來抑制UVR8-COP1復(fù)合體的形成，并促進(jìn)UVR8恢復(fù)成二聚體[17].RUP1和RUP2對于UVR8蛋白構(gòu)象變化的調(diào)控具有功能冗余性，RUP1或RUP2基因的過表達(dá)能促進(jìn)UVR8恢復(fù)成二聚體，RUP1或RUP2基因功能缺失對UVR8恢復(fù)成二聚體的速度無明顯的改變，但兩者同時(shí)缺失可使UVR8恢復(fù)成二聚體的速度明顯減慢，由此可見RUP1和RUP2共同調(diào)控UVR8蛋白構(gòu)象的動(dòng)態(tài)變化，在UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中有效抑制信號的過度放大[17,19,23,44].

新近研究發(fā)現(xiàn)，RUP1/2蛋白除了能夠調(diào)節(jié)UVR8構(gòu)象變化和UVR8復(fù)合體形成外，還可以作為CUL4-DDB1這一E3泛素連接酶的底物受體來介導(dǎo)HY5蛋白的泛素化降解，即通過減弱轉(zhuǎn)錄因子的穩(wěn)定性來抑制UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[43]；除了抑制幼苗的光形態(tài)建成外，RUP2還能在短日照條件下抑制UVR8調(diào)控的開花途徑，通過與CO(Constans)蛋白結(jié)合，抑制FT(FloweringLocusT)基因的轉(zhuǎn)錄，從而抑制開花[45].

2 UV-B光信號通路的調(diào)控

2.1 UV-B光信號介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

UV-B光受體UVR8與調(diào)控蛋白COP1結(jié)合后，穩(wěn)定并激活下游的bZIP(basic Zipper)轉(zhuǎn)錄因子HY5，誘導(dǎo)多個(gè)基因的表達(dá)，使得擬南芥下胚軸伸長被抑制，并促進(jìn)色素積累和脅迫適應(yīng)[6,41].UVR8和COP1參與了大部分UV-B光應(yīng)答基因的表達(dá)調(diào)控[14].新近研究表明，在UV-B光下細(xì)胞核內(nèi)UVR8特異性調(diào)控的基因中，存在大量光應(yīng)答基因和激素應(yīng)答基因；除了HY5外，細(xì)胞核內(nèi)UVR8調(diào)控的轉(zhuǎn)錄組應(yīng)答還受到多個(gè)已知轉(zhuǎn)錄因子的共同調(diào)控，如MYB 13(Myb Domain Protein 13)、PIF1(Phytochrome-interacting Factor 1)、PIF3、PIF4、PIF5、FHY3(Far-red Elongated Hypocotyl 3)、ARF6(Auxin Response Factor 6)、BZR1(Brassinazole-Resistant 1)和BES1(BRI1-EMS-Suppressor 1)；UVR8和HY5共同調(diào)控的基因中大部分是受UV-B光誘導(dǎo)上調(diào)的光應(yīng)答基因，UVR8和PIFs共同調(diào)控的基因中大部分是受UV-B光誘導(dǎo)下調(diào)的生長素應(yīng)答基因，ARF6、BZR1和BES1也參與UVR8調(diào)控的生長素應(yīng)答基因下調(diào)[46].

在各類光受體下游，HY5處于光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的樞紐位置，是光形態(tài)建成的核心轉(zhuǎn)錄因子[47-49].在擬南芥基因組中，已發(fā)現(xiàn)的HY5結(jié)合位點(diǎn)有9 000多個(gè)，能調(diào)控1 000多個(gè)基因的表達(dá)，包含擬南芥中24%的光應(yīng)答相關(guān)基因；HY5主要通過C端的bZIP結(jié)構(gòu)域結(jié)合靶基因啟動(dòng)子區(qū)的G-box(CACGTG)以及GACGTG和GACGTA序列(統(tǒng)稱為ACGT元件或ACE元件)[50-52].此外，HY5還能通過調(diào)控miRNA的形成來調(diào)控基因表達(dá)；HY5調(diào)控的這些基因涉及大分子合成、亞細(xì)胞定位、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞代謝等過程，參與光形態(tài)建成、葉綠體發(fā)育、根部發(fā)育、細(xì)胞防御等[50-51].因此，HY5在植物生長發(fā)育中發(fā)揮廣譜的調(diào)控作用.在UV-B光下，HY5及其同源蛋白HYH(HY5-Homolog)受到誘導(dǎo)而得到積累，兩者進(jìn)而誘導(dǎo)包括自身在內(nèi)的一系列光形態(tài)建成相關(guān)基因的表達(dá)，如UGT84A1(UDPGlucuronosyltransferase84A1)、CHS(ChalconeSynthase)、COP1、RUP1、RUP2、RBCS1A(RibuloseBisphosphateCarboxylaseSmallChain1A)、ELIP1(EarlyLightInducibleProtein1)和ELIP2[11,49,53-54].以COP1基因?yàn)槔?，在UV-B光下HY5與另一轉(zhuǎn)錄因子FHY3共同調(diào)控COP1的轉(zhuǎn)錄；HY5通過直接結(jié)合COP1啟動(dòng)子區(qū)的ACE元件激活COP1基因的表達(dá)，是對UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的正反饋調(diào)節(jié)；同時(shí)，F(xiàn)HY3通過結(jié)合COP1基因啟動(dòng)子區(qū)的FBS(FHY3 binding site)元件來激活COP1基因的表達(dá)[21].

不同于對COP1基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，HY5誘導(dǎo)RUP1和RUP2基因的表達(dá)是對UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)反饋調(diào)節(jié)[44].HY5自身的轉(zhuǎn)錄因子活性也受到其他蛋白的影響.轉(zhuǎn)錄因子STO/BBX24(Salt Tolerance)在UV-B光下抑制HY5蛋白的積累，與HY5和COP1結(jié)合后分別抑制這兩個(gè)蛋白的活性，從而抑制UV-B光形態(tài)建成[55].這些精細(xì)的調(diào)控模式使得UV-B光信號的傳輸處于動(dòng)態(tài)平衡之中，既有利于信號的有效傳遞又避免了信號的過度放大.

近年來，多項(xiàng)研究表明UV-B光受體UVR8通過直接調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的積累或活性參與基因表達(dá)調(diào)控.在UV-B光形態(tài)建成過程中，轉(zhuǎn)錄因子WRKY36(WRKY DNA-Binding Protein 36)能結(jié)合HY5基因的啟動(dòng)子并抑制其表達(dá)，而UVR8與WRKY36的相互作用可解除WRKY36對HY5基因表達(dá)的抑制，最終使光形態(tài)建成得以正常進(jìn)行[56].UV-B光信號與油菜素內(nèi)酯信號存在協(xié)同調(diào)控，促進(jìn)植物的UV-B光形態(tài)建成：BES1和BIM1(BES1-Interacting Myc-like 1)是油菜素內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的重要轉(zhuǎn)錄因子，在UV-B光下，UVR8與BES1和BIM1蛋白的結(jié)合削弱了它們對靶基因啟動(dòng)子的結(jié)合能力，從而抑制下胚軸伸長[57].UV-B光信號也能通過轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控生長素響應(yīng)基因表達(dá)，拮抗調(diào)控避蔭反應(yīng)和溫度反應(yīng)，抑制下胚軸或側(cè)根伸長：在UV-B光與避蔭反應(yīng)、溫度反應(yīng)的信號互作中，PIF4/5調(diào)控的部分基因在UV-B光下表達(dá)下調(diào)，且UV-B光誘導(dǎo)的PIF4/5蛋白發(fā)生依賴于UVR8的降解，抑制下胚軸伸長相關(guān)基因(如XTR7(XyloglucanEndotransglycosylase7)、YUC8(Yucca8)、IAA19(Indole-3-AceticAcidInducible19)和IAA29)的表達(dá)，從而抑制擬南芥下胚軸的伸長[58]；在側(cè)根發(fā)育過程中，UVR8在UV-B光的照射下結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子MYB73/77，阻礙了MYB73/77對生長素響應(yīng)基因啟動(dòng)子的結(jié)合，從而抑制植物側(cè)根的發(fā)育[59].MYB13是近期發(fā)現(xiàn)的UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的正調(diào)控因子.UV-B光誘導(dǎo)MYB13基因特異地在子葉中表達(dá)，并誘導(dǎo)UVR8和MYB13形成復(fù)合體，促進(jìn)MYB13結(jié)合類黃酮合成相關(guān)基因如CHS、CHI(ChalconeIsomerase)和FLS(FlavonolSynthase)的啟動(dòng)子，從而增強(qiáng)擬南芥對UV-B光脅迫的適應(yīng)；同時(shí)，雖然UVR8抑制MYB13對生長素響應(yīng)基因SAUR(SmallAuxinUpregulatedRNA)27/28/66啟動(dòng)子的結(jié)合，但是MYB13受UV-B光的誘導(dǎo)積累能夠逐漸解除這種抑制，最終促進(jìn)SAUR27/28/66基因的表達(dá)來介導(dǎo)擬南芥子葉的延展[46].

綜上，UV-B光信號介導(dǎo)的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制總結(jié)于圖1.

二聚體的UVR8接收到UV-B光后轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w并與COP1結(jié)合，使UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起始；RUPs抑制UVR8單體與COP1結(jié)合并 促進(jìn)HY5蛋白的降解；COP1通過促進(jìn)RUPs的降解，穩(wěn)定HY5.在基因表達(dá)調(diào)控方面，轉(zhuǎn)錄因子HY5、FHY3和MYB13是 UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的正調(diào)控因子(黃色方框內(nèi))，而BIM1、BES1、PIF4/5、MYB73/77和WRKY36是負(fù)調(diào)控因子(紫色方框內(nèi)).圖1 UV-B光信號介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制Fig.1 Transcriptional regulation mechanism mediated by UV-B light signal

2.2 UV-B光與可見光信號通路的交叉調(diào)控

通過對植物基因組和轉(zhuǎn)錄組的分析，Han等[60]發(fā)現(xiàn)植物由深海遷移到淺水區(qū)時(shí)進(jìn)化出UV-B光信號通路，并在適應(yīng)UV-B光后逐步進(jìn)化出感受紅光和遠(yuǎn)紅光的phy及接收藍(lán)光信號的cry.不同光受體調(diào)控的信號通路間形成了復(fù)雜而有序的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò).

phy主要調(diào)控種子的萌發(fā)和光形態(tài)建成等生物學(xué)過程，這種光受體的出現(xiàn)代表植物能夠在紅光比例較高的淺水區(qū)穩(wěn)定生存，并開始逐漸改變植物的繁殖模式，向種子植物進(jìn)化.轉(zhuǎn)錄因子PIFs家族蛋白是光形態(tài)建成的負(fù)調(diào)控因子,phy通過結(jié)合PIF3并抑制它與DNA的結(jié)合來促進(jìn)光形態(tài)建成，黑暗下PIF3蛋白被COP1蛋白降解[61]；而紅光下PIF3、PIF4和PIF7蛋白一起抑制phyB的積累[62-63]；在UV-B光下，UVR8通過促進(jìn)PIF4和PIF5的降解抑制下胚軸的伸長，從而促進(jìn)光形態(tài)建成[58]，但具體的調(diào)控機(jī)制還有待研究.

cry1、cry2和UVR8都能與COP1-SPAs復(fù)合體組分結(jié)合并調(diào)控COP1蛋白的活性.cry1和cry2能抑制COP1對下游信號因子的降解從而促進(jìn)開花[40,64]；UVR8則通過與COP1一起穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄因子HY5而促進(jìn)UV-B光誘導(dǎo)的光形態(tài)建成[25].cry1、cry2和UVR8能共同促進(jìn)HY5/HYH誘導(dǎo)的花青素合成基因表達(dá)，當(dāng)cry1、cry2和UVR8基因同時(shí)突變后，擬南芥幼苗在陽光下無法存活；在UV-B光下，cry1和cry2抑制UVR8調(diào)控的UV-B光應(yīng)答基因表達(dá)，可能是由于它們會和UVR8競爭結(jié)合COP1[65].這說明接收不同波段光信號的光受體間既有協(xié)同調(diào)控作用也有拮抗調(diào)控作用.

3 不同植物對UV-B光信號的響應(yīng)

植物接受UV-B光照后產(chǎn)生多種生理響應(yīng).高水平的UV-B輻射對植物產(chǎn)生脅迫，造成DNA損傷和活性氧積累，嚴(yán)重影響植物的正常生長發(fā)育；UVR8調(diào)控的UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路能幫助植物適應(yīng)UV-B光的照射，減少UV-B輻射對植物造成的傷害[11].低水平的UV-B光照能促進(jìn)擬南芥的生長發(fā)育，有助于光形態(tài)建成和黃酮類積累；UV-B光還能調(diào)控細(xì)胞核內(nèi)DNA復(fù)制、葉片形態(tài)建成、側(cè)根發(fā)育、向光性、避蔭反應(yīng)、氣孔分化和開閉、生物鐘節(jié)律、抗病抗逆、熱形態(tài)建成及光合作用等過程[11,59,66].

自模式植物擬南芥中的UV-B光受體被發(fā)現(xiàn)以來，越來越多的研究開始關(guān)注植物對UV-B光的響應(yīng)，并對多個(gè)物種的UV-B光受體進(jìn)行鑒定，解析它們的UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制(表1)，包括單細(xì)胞藻類萊茵衣藻中的CrUVR8[67]、苔蘚植物小立碗蘚的PpUVR8和地錢的MpUVR8[68]、蘋果中的MdUVR8[69]、葡萄中的VviUVR1[70]、黃瓜中的CsUVR8[71]、園林植物胡楊中的PeUVR8[72]和白樺中的BpUVR8[73]、藥用植物杭白菊中的CmUVR8[74].這些蛋白與擬南芥的UVR8蛋白相比，不僅具有高度的序列相似性，還呈現(xiàn)功能上的保守性.CrUVR8接收UV-B光信號由二聚體轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w并能結(jié)合擬南芥的COP1，CrUVR8轉(zhuǎn)入擬南芥uvr8突變體中能回補(bǔ)該突變體在UV-B光下的缺陷表型[67].除了具有感知UV-B光的功能外，CrUVR8還參與萊茵衣藻的光保護(hù)過程，將光能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來，避免強(qiáng)光損傷，為植物適應(yīng)強(qiáng)UV-B光提供了重要保障[76].萊茵衣藻也存在COP1的同源蛋白CrCOP1，它能與CrUVR8在UV-B光下結(jié)合并誘導(dǎo)UV-B光應(yīng)答基因的表達(dá)，可見UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的起始機(jī)制在進(jìn)化過程中十分保守[67].小立碗蘚對UV-B輻射的耐受能力強(qiáng)于擬南芥，UV-B光可引起其400多個(gè)基因的差異性表達(dá)；小立碗蘚基因組編碼兩個(gè)UVR8同源蛋白，PpUVR8在UV-B光下可由二聚體轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w并在細(xì)胞核中積累[68,91].MpUVR8基因具有兩個(gè)轉(zhuǎn)錄本，但MpUVR8蛋白幾乎不形成二聚體，單體MpUVR8不依賴于UV-B光定位在細(xì)胞核中[68].

表1 部分植物對UV-B光的生理響應(yīng)及其分子基礎(chǔ)Tab.1 Physiological responses of partial plants to UV-B light and their molecular basies

如上文所述，單細(xì)胞藻類萊茵衣藻的CrUVR8能響應(yīng)UV-B光由二聚體轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w，暗示在植物進(jìn)化早期就產(chǎn)生了對UV-B光的感知機(jī)制[67].進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，植物早在由深海遷移到淺水區(qū)的過程中就出現(xiàn)了UVR8介導(dǎo)的UV-B光信號通路；在遷移過程中，植物接受的UV-B光強(qiáng)度越來越高，對UV-B光信號的響應(yīng)機(jī)制可能伴隨著光照條件的改變而發(fā)生[60].而光受體UVR8蛋白在不同植物的物種間十分保守[6,92]，說明植物在進(jìn)化過程中保留了對UV-B光的適應(yīng)性.

在高等植物中，UV-B光可以促進(jìn)沙梨、蘋果和葡萄等開花，加深果實(shí)的顏色[77-79]，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的實(shí)際應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù).目前，沙梨中的UV-B光受體尚未鑒定.結(jié)構(gòu)預(yù)測表明，蘋果MdUVR8的三維結(jié)構(gòu)與擬南芥UVR8的非常相似；UV-B光可以促進(jìn)MdUVR8的表達(dá)，因此隨著一天中UV-B光強(qiáng)度的變化，MdUVR8蛋白呈現(xiàn)出節(jié)律性的表達(dá)；在UV-B光下，MdUVR8也能介導(dǎo)擬南芥的光形態(tài)建成，且與MdCOP1存在直接相互作用[69].葡萄中除了存在UVR8的同源蛋白VviUVR1外，還存在HY5的同源蛋白VviHY5和VviHYH；它們通過調(diào)控UV-B光應(yīng)答基因的表達(dá)來促進(jìn)花青素的積累[70].另有研究指出，UV-B光照還能降低桃的硬度，改善桃的口感使其方便食用[80].

黃瓜UV-B光受體CsUVR8接收到UV-B 光信號后由二聚體解聚成單體，結(jié)合CsCOP1并激活轉(zhuǎn)錄因子CsHY5，從而促進(jìn)黃瓜幼苗的光形態(tài)建成，抑制下胚軸的伸長.SH1(Short Hypocotyl 1)通過抑制HY5的積累及其和DNA結(jié)合的活性從而抑制UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而SH1自身的表達(dá)受低強(qiáng)度的UV-B光抑制，因此黃瓜的UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制與擬南芥具有相似性[71].UV-B光能促進(jìn)番茄的開花和結(jié)實(shí)并能幫助果實(shí)變軟[81-82]，但番茄中的UV-B光受體尚未被鑒定，其UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制仍有待研究.UV-B光能促進(jìn)巴西茄果實(shí)中花青素的積累，使果實(shí)的顏色加深，具體機(jī)制還有待研究[83].基于這些結(jié)果，科學(xué)家的推測UV-B光不僅促進(jìn)蔬菜的光形態(tài)建成，還能促進(jìn)果實(shí)的成熟，因此在蔬果種植中尤其是在果實(shí)成熟階段，增加UV-B光可能幫助提升果實(shí)的口感和觀賞度.

胡楊中的UV-B光受體PeUVR8含有9個(gè)保守的RCC1(Regulator of Chromosome Condensation 1)重復(fù)結(jié)構(gòu)域和C27片段，預(yù)測所得的蛋白結(jié)構(gòu)與擬南芥的UVR8高度相似.PeUVR8能回補(bǔ)擬南芥uvr8突變體的缺陷表型，并結(jié)合擬南芥的COP1以誘導(dǎo)UV-B光應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄[72].胡楊的生長環(huán)境惡劣，具有極強(qiáng)的耐旱能力，是沙漠中的“生命之魂”，尤其是長期暴露在較高強(qiáng)度的UV-B光下，PeUVR8可能幫助胡楊耐受高強(qiáng)度的UV-B光.白樺中的BpUVR8不僅能夠感知UV-B光信號，參與調(diào)控脫落酸(ABA)信號通路，且其蛋白水平受到ABA信號的調(diào)控；當(dāng)BpUVR8過表達(dá)后，在ABA處理下的白樺種子萌發(fā)率會降低，根部的生長也會受到抑制，提示白樺中UV-B光信號通路和ABA信號通路間存在交叉調(diào)控[73].

杭白菊中的CmUVR8也包含9個(gè)RCC1重復(fù)結(jié)構(gòu)域及C27片段；CmUVR8能回補(bǔ)擬南芥uvr8突變體的表型，促進(jìn)UV-B光下類黃酮合成相關(guān)基因的表達(dá)，并能與CmCOP1結(jié)合，可能通過與擬南芥類似的機(jī)制使UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)起始；CmUVR8可能調(diào)控杭白菊在UV-B光下類黃酮的積累，保護(hù)其免受光損傷，但杭白菊與擬南芥中類黃酮的成分不同，因此其UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的下游調(diào)控過程可能與擬南芥存在較大差異[74].UV-B光也能刺激洋甘菊葉片啟動(dòng)損傷保護(hù)機(jī)制，避免其受到損傷[84].

UV-B光能影響多種重要農(nóng)作物的生長發(fā)育，如棉花、玉米、高粱和水稻[85-88]：棉花的生殖生長受低強(qiáng)度UV-B光的影響，因此UV-B光照可能會影響棉花的產(chǎn)量；然而棉花的營養(yǎng)生長受高強(qiáng)度UV-B光的影響，強(qiáng)UV-B光能夠增加棉花近軸葉表面的蠟質(zhì)成分和氣孔指數(shù)，還會使棉花的葉片變薄.高強(qiáng)度的UV-B光對高粱、玉米和水稻的生長產(chǎn)生脅迫，而低強(qiáng)度的UV-B光是否能影響這幾種農(nóng)作物的生長與產(chǎn)量目前尚未見報(bào)道.研究UV-B光對農(nóng)作物的影響，能夠?yàn)槔肬V-B光來優(yōu)化作物種植條件、改善作物生長或提高產(chǎn)量提供科學(xué)指導(dǎo).這些農(nóng)作物的UV-B光受體還有待研究.

4 總結(jié)和展望

早在1989年，Caldwell等[93]就發(fā)現(xiàn)UV-B光能影響擬南芥的光形態(tài)建成；而圍繞UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制的研究，以2011年對UV-B光受體的鑒定為契機(jī)，在近10年內(nèi)逐步展開，取得了一系列重要的進(jìn)展，讓人們對UV-B光在植物生長發(fā)育中的積極作用有了新認(rèn)識.擬南芥UV-B光受體UVR8不僅能接收UV-B光信號，還能通過轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控下游基因的表達(dá).COP1蛋白在UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的起始階段與UVR8蛋白一起將信號向下游傳遞，并穩(wěn)定了轉(zhuǎn)錄因子HY5；RUP1/2蛋白一方面促進(jìn)UVR8蛋白恢復(fù)成二聚體，另一方面介導(dǎo)HY5蛋白的降解，避免信號的過度放大；HY5及其他多種轉(zhuǎn)錄因子協(xié)同作用，有序調(diào)控多類UV-B光應(yīng)答基因的表達(dá)，并通過誘導(dǎo)RUP1/2基因表達(dá)形成負(fù)反饋的調(diào)節(jié)機(jī)制.UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的每一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)都存在正反兩種調(diào)控模式，保證了信號的平衡轉(zhuǎn)導(dǎo).

適度的UV-B光有利于植物的生長發(fā)育并能減少UV-B光對植物的傷害.然而，近半個(gè)世紀(jì)以來，臭氧層的破壞造成了地表UV-B光強(qiáng)度的增加，對植被環(huán)境以及糧食生產(chǎn)造成的影響不容忽視.研究UV-B光信號轉(zhuǎn)導(dǎo)不僅能提供植物適應(yīng)UV-B光的基本知識，還有助于人類根據(jù)光照環(huán)境變化有針對性地改善植物的生長環(huán)境，科學(xué)利用UV-B光能源服務(wù)于作物改良育種.