王文靜，陳德鑫，張 潔

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101）

煙草茉莉素信號(hào)途徑相關(guān)基因

王文靜，陳德鑫，張 潔

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101）

茉莉素途徑是植物重要的信號(hào)途徑，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程和抗逆過程起重要的調(diào)控作用。有生物活性的茉莉酸衍生物JA-Ile（jasmonoyl-isoleucine）與茉莉素受體復(fù)合體SCFCOI1結(jié)合后，導(dǎo)致茉莉素途徑負(fù)調(diào)控因子JAZ蛋白由26S蛋白酶體（即蛋白泛素化降解途徑）降解，并釋放出茉莉素途徑轉(zhuǎn)錄激活因子MYC2，從而激活茉莉素信號(hào)途徑下游與植物生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)和抗逆相關(guān)的功能基因表達(dá)和生理變化。對(duì)該信號(hào)途徑中3個(gè)重要基因COI1、JAZ、MYC2在煙草中的研究情況進(jìn)行了綜述。

煙草；茉莉素信號(hào)途徑；COI1；JAZ；MYC2

茉莉酸及其揮發(fā)性衍生物茉莉酸甲酯（methyl jasmonate，MeJA）和氨基酸衍生物統(tǒng)稱為茉莉素類物質(zhì)（jasmonates，JAs），是植物體內(nèi)起整體性調(diào)控作用的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)。作為一種公認(rèn)的新型植物激素，茉莉素不僅參與調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育如根系生長(zhǎng)、植物育性、塊莖形成、果實(shí)成熟以及衰老等生命活動(dòng)[1-2]，還在植物對(duì)生物脅迫（如昆蟲侵襲、病原菌侵染等）和非生物脅迫（如機(jī)械損傷、臭氧損傷、低溫、干旱以及鹽脅迫等）反應(yīng)中起重要調(diào)控作用[3-5]。

幾十年來，通過對(duì)很多茉莉素不敏感突變體的研究，該信號(hào)途徑一些關(guān)鍵基因被克隆，結(jié)合其他生物化學(xué)手段，茉莉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑逐漸清晰和完善起來。經(jīng)典的茉莉酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑為：當(dāng)受到病原菌、機(jī)械傷害等外部刺激時(shí)，具有生物活性的茉莉酸衍生物JA-Ile（jasmonoyl-isoleucine）首先被受體復(fù)合體SCFCOI1結(jié)合識(shí)別后，原本與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的蛋白質(zhì)JAZs被泛素化標(biāo)記并轉(zhuǎn)運(yùn)至26S蛋白酶體中進(jìn)行泛素化降解，釋放后的轉(zhuǎn)錄因子（以MYC2為主）得以轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)茉莉酸信號(hào)下游基因的表達(dá)，從而調(diào)控一系列由茉莉素介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)發(fā)育過程和抗性反應(yīng)（圖1）[6-10]。在茉莉素信號(hào)途徑中，涉及到大量基因，如COI1、JAZ、MYC2等重要基因，這些基因大都克隆自模式植物擬南芥，其 次在煙草、水稻、番茄等植物中也有克隆。本文對(duì)來自煙草的這3個(gè)重要基因進(jìn)行綜述。

圖1 JA信號(hào)傳導(dǎo)途徑模式圖[10]Fig. 1 Model of JA signaling pathway[10]

1 煙草COI1基因

1994年，F(xiàn)eys等[11]篩選獲得了對(duì)植物毒素冠菌素（CORONATINE）不敏感的擬南芥突變體coi1（coronatine insensitivel），表現(xiàn)為雄性不育，易感病蟲害，而且失去了對(duì)茉莉素的正常反應(yīng)，該突變體對(duì)茉莉酸信號(hào)傳導(dǎo)途徑的研究具有里程碑式的意義。1998年Xie等采用圖位克隆法分離出擬南芥COI1基因（CORONATINE INSENSITIVE 1）。COI1蛋白是茉莉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的關(guān)鍵調(diào)控因子，該蛋白的缺失突變能夠?qū)е轮参飭适兄匾能岳蛩胤磻?yīng)[12-13]。COI1基因編碼一個(gè)含有592個(gè)氨基酸的F-box蛋白，大小為66 kD，包含F(xiàn)-box和16個(gè)富含亮氨酸重復(fù)序列（leueine rich repeat，LRR）兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)域[12,6]。COI1的兩個(gè)特征結(jié)構(gòu)域與調(diào)控茉莉酸轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的作用密切相關(guān)。F-box與Skpl、 Rbxl、Cdc53／Cullin相互結(jié)合，形成SCFCOI1復(fù)合體即E3泛素連接酶，最后被蛋白酶體降解[13-14]。

2007年，Paschold等[15]克隆了煙草的COI1基因，命名為ir-coi1，證明該基因?qū)煵萏於暧紫x的防御作用。2014年，Wang等[16]克隆了煙草COI1保守區(qū)片段NtCOI1，研究了煙草COI1在花粉育性及次生代謝方面的調(diào)控機(jī)理。研究結(jié)果表明，沉默COI1煙草表現(xiàn)出與擬南芥coi1突變體高度類似的不育表型，即花絲縮短一半、花藥開裂延遲及花粉敗育。同時(shí)，沉默COI1煙草還喪失了花冠花色素苷合成及花蜜腺的類胡蘿卜素累積，并抑制了花冠的花色素苷合成基因及花蜜腺的類胡蘿卜素合成基因的表達(dá)水平。因類胡蘿卜素的合成與碳水化合物代謝密切相關(guān)，因此對(duì)花蜜腺的碳水化合物代謝進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，沉默COI1煙草花蜜腺的淀粉累積受到顯著抑制，而且其淀粉代謝基因及與淀粉代謝相關(guān)的MYB305轉(zhuǎn)錄因子基因的表達(dá)水平都發(fā)生了改變。這些研究結(jié)果首次證明了茉莉素受體蛋白COI1對(duì)淀粉代謝的調(diào)控，深入揭示了碳水化合物代謝在茉莉素介導(dǎo)的次生代謝及花粉育性形成中的重要作用。

2 煙草JAZ基因

JAZ蛋白是SCFCOI1泛素連接酶復(fù)合體的一類直接底物，是茉莉素信號(hào)途徑中的一類抑制蛋白，在茉莉素信號(hào)途徑中發(fā)揮關(guān)鍵作用。JAZ蛋白為定位在細(xì)胞核中的鋅指蛋白，含2個(gè)結(jié)構(gòu)域，分別是N端TIFY基序的ZIM結(jié)構(gòu)域和C端與COI1互作的Jas結(jié)構(gòu)域[6-7]。根據(jù)序列的相似性，目前在擬南芥中鑒定獲得了JAZ1-JAZ12共12個(gè)JAZ的蛋白[7,17-19]。

Oh等[20]報(bào)道，克隆了野生煙草中的12個(gè) JAZ蛋白，通過反向遺傳學(xué)方法對(duì)其功能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，NaJAZd的表達(dá)受昆蟲誘導(dǎo)，在其基因沉默后并未對(duì)煙草蟲害抗性造成明顯影響，但可導(dǎo)致花蕾脫落，從而影響煙草結(jié)實(shí)率。該研究結(jié)果揭示了JAZ蛋白在煙草花和果實(shí)發(fā)育中的調(diào)控作用，表明JAZ蛋白的功能多樣性。2008年，Shoji

等[21]克隆了煙草的COI1基因和JAZ基因，功能研究表明沉默COI1基因或增強(qiáng)JAZ負(fù)調(diào)控因子蛋白水平后，煙草對(duì)茉莉素不敏感，其煙堿合成不再應(yīng)答茉莉素誘導(dǎo)，表明COI1基因和JAZ基因?qū)煵荽紊x的重要調(diào)控作用。

3 煙草MYC基因

MYC2轉(zhuǎn)錄因子是從茉莉素不敏感突變體jai1/jin1分離到的茉莉素途徑調(diào)控因子[22]，屬于basic helix-loop-helix（bHLH）轉(zhuǎn)錄因子家族成員。前期對(duì)MYC2轉(zhuǎn)錄因子的大量研究證明，MYC2是植物茉莉素應(yīng)答調(diào)控因子，在茉莉素途徑調(diào)控植物病害和蟲害防御應(yīng)答中發(fā)揮著重要作用，并與乙烯信號(hào)傳導(dǎo)途徑的 ERF 轉(zhuǎn)錄因子（Ethylene-Response-Factor）拮抗性地調(diào)控下游蟲害和病害防御基因的表達(dá)[22-25]。

2012年，Zhang等[26]克隆了煙草中MYC2a、b、c 3個(gè)同源基因。編碼腐胺N-甲基轉(zhuǎn)移酶的NtPMT1a是尼古丁合成的關(guān)鍵酶。NtMYC2a/b/c編碼蛋白能特異結(jié)合NtPMT1a的啟動(dòng)子核心元件G-box并激活茉莉素誘導(dǎo)的NtPMT1a表達(dá)。黃色熒光蛋白（YFP）熒光雙分子互補(bǔ)試驗(yàn)表明，在無JA的情況下，NtMYC2a和NtMYC2b在細(xì)胞核內(nèi)與茉莉素途徑負(fù)調(diào)控因子NtJAZ1互作。通過RNA干擾（RNAi）技術(shù)沉默NtMYC2基因后使JA誘導(dǎo)的NtPMT1a轉(zhuǎn)錄水平顯著降低，并抑制了其他煙堿合成基因的表達(dá)水平，其中，與合成相關(guān)的NtA662的表達(dá)水平下降了80%多。另一方面，過表達(dá)NtMYC2a和NtMYC2b未能改變NtPMT1a在有或無JA條件的表達(dá)特性。這些數(shù)據(jù)表明，NtMYC2a/b/c是多個(gè)JA誘導(dǎo)煙堿合成基因的關(guān)鍵表達(dá)調(diào)控因子。

煙草是我國(guó)和世界范圍內(nèi)重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是重要的用于基因功能研究的模式植物，在茉莉素途徑調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)研究方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)煙草茉莉素信號(hào)途徑的調(diào)控機(jī)理進(jìn)行深入研究，不僅對(duì)煙草的功能基因組學(xué)研究有重要意義，同時(shí)對(duì)其他植物的基因功能研究也有重要的借鑒意義。

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Jasmonate Signaling Pathway Genes in Tobacco (Nicotiana tabacum L.)

WANG Wenjing, CHEN Dexin, ZHANG Jie

(Tobacco Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qingdao 266101, China)

Jasmonate signaling pathway plays an important role in the regulation of plant development and stress response. At the presence of Jasmonate, its biological active derivative JA-Ile (jasmonoyl-isoleucine) is perceived by the receptor complex SCFCOI1, which leads to the degradation negative regulator JAZ protein via 26S proteasome and then releases the transcriptional activator MYC2 to activate the expression of downstream genes and to activate physiological responses. This article will summarize the research progresses on the genes of the key Jasmonate pathway regulators COI1, JAZ and MYC2 in tobacco.

tobacco; jasmonate signaling pathway; COI1; JAZ; MYC2

S572

1007-5119（2016）06-0101-04

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.06.018

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（ASTIP-TRIC04）

王文靜（1975-），助理研究員，主要從事病原菌與植物互作機(jī)理的研究。E-mail：wangwenjing@caas.cn

2016-09-01

2016-12-12