張敏 蘇立新 王昕

摘要 溫度形態(tài)建成是非逆境高溫引起的植物的一系列形態(tài)變化，是植物適應(yīng)高溫環(huán)境的重要機(jī)制。PIF4是溫度形態(tài)建成的正向調(diào)控因子，在溫度形態(tài)建成中發(fā)揮著非常重要的調(diào)控作用。因此在長(zhǎng)期的自然選擇過程中，植物進(jìn)化出了復(fù)雜的調(diào)控PIF4活性的分子機(jī)制。將從轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、與靶序列的結(jié)合強(qiáng)度和調(diào)控轉(zhuǎn)錄的活性4個(gè)方面來闡述調(diào)控PIF4活性的分子機(jī)制，并討論了今后可能的研究方向。

關(guān)鍵詞 溫度形態(tài)建成;PIF4;轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控;蛋白質(zhì)水平調(diào)控

中圖分類號(hào) Q 945? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）20-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.006

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Research Progress in the Regulation of Key Transcription Factor PIF4 in Thermomorphogenesis

ZHANG Min， SU Li-xin， WANG Xin

（College of Life Science and Bioengineering， Shenyang University， Shenyang， Liaoning 110044）

Abstract Thermomorphogenesis is a series of plant morphological changes induced by nonstressful high temperature， which is an important mechanism of plant for adaption to high temperature. PIF4 is positive regulation factor of thermomorphogenesis， and plays a very important role in thermomorphogenesis. So in the long-term process of natural selection， plants have evolved complex molecular mechanism for regulating PIF4 activity. To address the molecular mechanism of regulating PIF4 activity， we reviewed transcription， protein stability， the bonding strength to target sequences and transcription activity of PIF4， and discussed the future possible research directions.

Key words Thermomorphogenesis;PIF4;Transcription-level regulation;Protein-level regulation

基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31600220）。

作者簡(jiǎn)介 張敏（1995—），女，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：分子生態(tài)學(xué)。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事昆蟲分類學(xué)研究。

收稿日期 2021-02-09

溫度是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子，深刻地影響著植物的分布和季節(jié)性行為。作為固定生長(zhǎng)的生物，植物對(duì)溫度非常敏感。在長(zhǎng)期的自然選擇過程中，植物進(jìn)化出了一系列復(fù)雜的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控機(jī)制以適應(yīng)不斷變化的環(huán)境溫度，溫度形態(tài)建成就是其中之一[1]。溫度形態(tài)建成是指由非逆境高溫引起的一系列植物形態(tài)變化，例如下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和葉的上位性生長(zhǎng)等[1]。其中下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)是研究溫度形態(tài)建成分子機(jī)制的理想模型。非逆境高溫是指高于適宜生長(zhǎng)溫度且低于對(duì)植物產(chǎn)生傷害的逆境高溫的溫度。非逆境高溫代表著植物依靠自身的調(diào)控來應(yīng)對(duì)高溫使自身不受傷害的溫度范圍。

高溫與庇蔭生長(zhǎng)條件引起的植物形態(tài)變化非常相似[2]，這意味著這2種環(huán)境應(yīng)答反應(yīng)可能分享著相同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)組分。受此觀點(diǎn)啟發(fā)，人們發(fā)現(xiàn)了basic helix-loop-helix（bHLH）轉(zhuǎn)錄因子PIF4是溫度形態(tài)建成的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)控因子[ 3]。通過協(xié)調(diào)下胚軸伸長(zhǎng)基因的轉(zhuǎn)錄，PIF4在高溫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮著極為重要的功能。在轉(zhuǎn)移到高溫后，PIF4的轉(zhuǎn)錄本豐度便迅速上升并開啟溫度形態(tài)建成[ 4-5]。與此同時(shí)，溫度形態(tài)建成也需要嚴(yán)格精確地控制以平衡伸長(zhǎng)反應(yīng)帶來的產(chǎn)量下降[6]。因此在長(zhǎng)期的自然選擇過程中，植物便進(jìn)化出了調(diào)控PIF4活性的復(fù)雜機(jī)制，包括轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性調(diào)控、靶序列結(jié)合能力調(diào)控和轉(zhuǎn)錄活性調(diào)控等。筆者將從以上4個(gè)方面來闡述溫度形態(tài)建成中調(diào)控PIF4活性的分子機(jī)制。

1 對(duì)PIF4基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

將幼苗轉(zhuǎn)移到高溫中能夠在整株幼苗和子葉中快速提

升PIF4和PIF5的轉(zhuǎn)錄[5，7]，并且能夠在下胚軸中更加穩(wěn)定地提升PIF4和PIF5的轉(zhuǎn)錄[5]。庇蔭條件引起的phyB活性下降不能影響PIF4的轉(zhuǎn)錄，因此溫度控制的PIF4轉(zhuǎn)錄可能涉及溫度受體介導(dǎo)的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以外的信號(hào)途徑。與野生型幼苗相比，pwr突變體在23 ℃中具有正常的PIF4基因和PIF4靶基因YUC8的轉(zhuǎn)錄本豐度，而在27 ℃中卻明顯低于野生型幼苗，這意味著組蛋白去乙?；瘜?duì)PIF4的轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)至關(guān)重要。

EARLY FLOWERING 3（ELF3）、ELF4和LUX ARRHYTHMO（LUX）組成了 EVENING COMPLEX，它是生物鐘的一個(gè)組成部分。這一復(fù)合體能夠結(jié)合到PIF4的啟動(dòng)子區(qū)并且抑制PIF4的轉(zhuǎn)錄[8]。elf3突變體中PIF4的轉(zhuǎn)錄本水平較高[8]，因此它在較低溫度下依然具有長(zhǎng)下胚軸的表型[9]。溫度升高抑制ELF3和LUX與其靶標(biāo)啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合，從而使PIF4在高溫中的表達(dá)受到促進(jìn)[10-12]。雖然EVENING COMPLEX和phyB共同定位于細(xì)胞的很多位點(diǎn)，但是elf3突變體與phyB phyD phyE多突變體在引起下胚軸伸長(zhǎng)的效應(yīng)方面依然存在加成效應(yīng)，這說明ELF3與phyB分屬于不同的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[11]。

PIF4是HY5的直接靶基因，并且受到HY5的抑制[13-15]，但是這一調(diào)控過程尚存在著一定的爭(zhēng)議[15]。此外，HY5的基因表達(dá)和蛋白穩(wěn)定性都會(huì)受到溫度升高的抑制[1 16-17]。紫外線B（ultraviolet-b，UV-B）輻射通過被光受體UV-RESISTANCE LOCUS 8（UVR8）感受后抑制PIF4以及PIF4誘導(dǎo)基因的表達(dá)[18]。UVR8以失活的二聚體形式存在，它通過感受UV-B被轉(zhuǎn)化為具有活性的單體狀態(tài)。UVB單體能夠與下游的配體相互作用，從而將溫度信號(hào)傳遞下去[19];UVR8單體的比例隨著溫度的升高而降低，并且更快地轉(zhuǎn)化為失活的二聚體形式[20]。

BRASSINAZOLE-RESISTANT 1（BZR1）是油菜素內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的一個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，它能夠與PIF4的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合并促進(jìn)PIF4的轉(zhuǎn)錄[21]。高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)需要BZR1和PIF4的共同存在[22]。在高溫條件下，功能獲得型的bzr1突變體和BZR1過表達(dá)植物與野生型相比具有較長(zhǎng)的下胚軸表型和較高的SMALL AUXIN UP RNAs 19（SAUR19）轉(zhuǎn)錄本水平[21]。溫度升高能夠促進(jìn)BZR1蛋白質(zhì)的入核，但是并不能明顯地促進(jìn)BZR1基因的轉(zhuǎn)錄和提高BZR1蛋白質(zhì)的豐度[5，21]。

CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1（COP1）是一種E3連接酶，與SUPPRESSOR OF PHYA-105 1（SPA1）、SPA2、SPA3和（或）SPA4 形成一個(gè)復(fù)合體[23]。這一復(fù)合體是多聚體CULLIN 4（CUL4）-DAMAGED DNABINDING PROTEIN 1（DDB1）E3連接酶的底物連接適配子[23]。DE-ETIOLATED 1（DET1）和COP10形成另外一種多聚體CUL4-DDB1連接酶，這一復(fù)合體明顯地增強(qiáng)了CUL4-DDB-COP1-SPA多亞基復(fù)合體的活性[23]。在高溫培養(yǎng)條件下，與野生型相比cop1、det1、cop10、cul4和spa1 spa3 spa4突變體均展現(xiàn)出短下胚軸表型[13]。因此，COP1、DET1、COP10、CUL4、SPA1、SPA3和SPA4都是溫度形態(tài)建成的正向調(diào)控因子，發(fā)揮著促進(jìn)溫度形態(tài)建成的功能。溫度升高促進(jìn)COP1在細(xì)胞核中的積累[24]，COP1在細(xì)胞核中促進(jìn)PIF4基因的轉(zhuǎn)錄，但這一調(diào)控并不是通過降低HY5蛋白質(zhì)的豐度來實(shí)現(xiàn)的[15]，盡管HY5是COP1的底物[23]。

2 對(duì)PIF4蛋白穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)

在白光與黑暗循環(huán)的條件下種植的擬南芥幼苗中，當(dāng)phyB活性因轉(zhuǎn)暗而下降時(shí)，PIF4的蛋白質(zhì)水平在第1個(gè)小時(shí)中就上升了，而且其轉(zhuǎn)錄本水平并未出現(xiàn)明顯變化[25]。這意味著轉(zhuǎn)暗提升了PIF4蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性[25]。在轉(zhuǎn)暗誘導(dǎo)的phyB活性下降的條件下，PIF5（在高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)中存在與PIF4的功能冗余）的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性也快速上升了[26]。與轉(zhuǎn)暗相似，溫度升高也能夠降低phyB的活性，因此PIF4的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性在溫度升高條件下可能也會(huì)上升。有研究證明事實(shí)的確如此：在紅光/黑暗循環(huán)條件下，PIF4蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性在25 ℃下生長(zhǎng)的幼苗中較高，而在15 ℃下生長(zhǎng)的幼苗中較低[27]。這種蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的不同在藍(lán)光/黑暗循環(huán)條件下變小[27]，因?yàn)樗{(lán)光激活phyB的效率顯著低于紅光。然而，在持續(xù)白光和長(zhǎng)日照（16 h光照/8 h黑暗）條件下，PIF4的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性在20和29 ℃中沒有明顯差別[5，18]。在將幼苗由黑暗轉(zhuǎn)移到光照下后，被激活的phyB與PIF4發(fā)生直接的蛋白質(zhì)相互作用，并在介導(dǎo)PIF4磷酸化后引起PIF4在蛋白酶體中被降解[28]。

BLADE-ON-PETIOLE 1（BOP1）和BOP2 是 Bric-à-brac/Tramtrack/Broad（BTB）類蛋白質(zhì)，是參與PIF4降解的CUL3 E3連接酶的靶標(biāo)識(shí)別適配子[29]。二者能夠與CUL3和PIF4發(fā)生直接的蛋白質(zhì)相互作用，并且CUL3-BOP復(fù)合體介導(dǎo)PIF4的多聚泛素化[29]。bop1和bop2突變體能夠累加性地提升高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)反應(yīng)，并且pif4突變體對(duì)于bop1bop2雙突變體具有部分的遺傳上位性效應(yīng)[29]。然而，bop2依然保持著較強(qiáng)的溫度應(yīng)答反應(yīng)[29]，而且溫度是否影響了BOP1和BOP2與PIF4的相互作用目前仍不清楚。

PIF4蛋白能夠與DELLA蛋白發(fā)生直接的相互作用。這一相互作用會(huì)降低PIF4蛋白的穩(wěn)定性，但是負(fù)責(zé)此降解過程的E3連接酶至今還未被找到。雖然溫度升高會(huì)使DELLA蛋白變得不穩(wěn)定，但是DELLA蛋白介導(dǎo)的應(yīng)答高溫的PIF4蛋白降解的意義目前還不得而知。det1和cop1突變體中PIF4的蛋白質(zhì)豐度高于野生型[15]，這說明DET1和COP1能夠增強(qiáng)PIF4的轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度和提高PIF4的蛋白質(zhì)豐度，或者能夠做到二者中的一項(xiàng)。det1和cop1突變體能夠降低PIF4過表達(dá)植物下胚軸的伸長(zhǎng)速率和高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[15]，這說明DET1和COP1能夠提高PIF4的蛋白質(zhì)穩(wěn)定性，因?yàn)镻IF4過表達(dá)植物中驅(qū)動(dòng)PIF4表達(dá)的35S強(qiáng)啟動(dòng)子不受調(diào)控PIF4轉(zhuǎn)錄因子的影響。

3 對(duì)PIF4與靶序列結(jié)合能力的調(diào)控

除了前面提到過的對(duì)PIF4蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的調(diào)控外，DELLA蛋白還能夠通過與PIF4的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)合來使PIF4喪失與其DNA靶序列的結(jié)合能力[30]。高溫會(huì)促進(jìn)DELLA蛋白的降解，從而激活PIF4的轉(zhuǎn)錄調(diào)控能力。因此，溫度誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)能夠被提高DELLA蛋白穩(wěn)定性的因素所抑制，例如GA合成抑制劑處理、GA合成基因的突變和GA受體基因的突變等[5]。

LONG HYPOCOTYL IN FAR RED 1（HFR1）和PHYTOCHROME RAPIDLY REGULATED 1（PAR1）是非典型的bHLH蛋白，二者都能夠與PIF4形成異源二聚體[31-32]。這種二聚體形成后PIF4便喪失了與靶標(biāo)DNA的結(jié)合能力，進(jìn)而喪失了激活基因表達(dá)的能力[31-32]。高溫通過增加HFR1基因表達(dá)和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的方式來提高HFR1蛋白質(zhì)的豐度[18，27]。PACLOBUTRAZOL RESISTANT 1（PRE1）是另外一種非典型的bHLH蛋白，它能夠與HFR1和PAR1發(fā)生蛋白質(zhì)相互作用從而釋放PIF 使其恢復(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的功能。

ELF3能夠降低PIF4過表達(dá)植株的長(zhǎng)下胚軸表型和增強(qiáng)的PIF4靶基因表達(dá)強(qiáng)度，這意味著除了調(diào)控PIF4轉(zhuǎn)錄的功能外，ELF3對(duì)PIF4還會(huì)施加其他的影響[33]。試驗(yàn)證明，ELF3能夠與PIF4發(fā)生直接的蛋白質(zhì)相互作用并阻止PIF4與靶基因啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合[33]。

轉(zhuǎn)錄因子SEUSS（SEU）能夠與PIF4發(fā)生相互作用并且共同調(diào)控許多基因的表達(dá)[34]。SEU能夠提升PIF4與某些靶基因的結(jié)合能力，并促進(jìn)高溫誘導(dǎo)的基因表達(dá)和下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[34]，但是溫度對(duì)SEU的影響目前還不清楚。高溫中，PIF4會(huì)募集FCA到染色質(zhì)上，而后FCA誘導(dǎo)相關(guān)區(qū)域染色質(zhì)的重塑[35]。這一重塑事件會(huì)使PIF4從靶基因的啟動(dòng)子區(qū)解離下來并且抑制植物對(duì)高溫的相應(yīng)[35]。轉(zhuǎn)錄因子HY5能夠與PIF4競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合于YUC8等靶基因（促進(jìn)溫度誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的基因）的啟動(dòng)子區(qū)域，從而降低PIF4促進(jìn)這些基因轉(zhuǎn)錄的能力[15]。

4 對(duì)PIF4轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)控

轉(zhuǎn)錄因子TIMING OF CAB EXPRESSION1（TOC1）和PSEUDORESPONSE REGULATOR5（PRR5）是生物鐘的組分并且能夠與PIF4發(fā)生直接的蛋白質(zhì)相互作用[36]。TOC1與PIF4可能通過共同結(jié)合G-box基序緊密地定位于許多靶基因的啟動(dòng)子區(qū)[36]。原生質(zhì)體試驗(yàn)表明TOC1抑制PIF4對(duì)靶基因啟動(dòng)子的激活，但是不影響PIF4與靶序列的結(jié)合[36]。TOC1和PRR5的過表達(dá)會(huì)減弱高溫誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng)和PIF4靶基因的表達(dá)（例如YUC8、IAA19和IAA29）。toc1突變體展現(xiàn)出相應(yīng)高溫的超敏反應(yīng)，pif4突變體對(duì)于此表型具有遺傳上位性[36]。

藍(lán)光激活的crytochrome 1（cry1）和cry2光受體也能夠與PIF4發(fā)生直接的相互作用[37-38]。在被cry1接收后，藍(lán)光降低了高溫誘導(dǎo)的YUC8表達(dá)、生長(zhǎng)素積累和下胚軸伸長(zhǎng)[37]。cry1與PIF4共同結(jié)合于許多靶基因啟動(dòng)子區(qū)的相同區(qū)域[37]。高溫對(duì)cry1的蛋白質(zhì)豐度影響也很小，但卻能夠在藍(lán)光下增強(qiáng)cry1與PIF4的DNA結(jié)合靶標(biāo)的結(jié)合強(qiáng)度[37]。cry1的存在不影響PIF4與YUC8啟動(dòng)子區(qū)的結(jié)合強(qiáng)度，但卻能夠降低PIF4促進(jìn)YUC8表達(dá)的能力[37]。

5 PIF4所受調(diào)控的研究領(lǐng)域中有待解決的問題

由于PIF4在溫度形態(tài)建成中的重要地位，所以植物進(jìn)化出了大量的調(diào)控機(jī)制以嚴(yán)格控制PIF4的活性。這就造成了雖然研究者們已經(jīng)報(bào)道了許多調(diào)控PIF4的分子機(jī)制，但是依然有許多調(diào)控機(jī)制尚未被發(fā)現(xiàn)。

（1）PIF4引起的負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制。PIF4具有促進(jìn)溫度形態(tài)建成的功能。如果PIF4的作用強(qiáng)度超出作物所需，就很可能會(huì)影響作物的產(chǎn)量。因此，及時(shí)準(zhǔn)確的負(fù)反饋調(diào)節(jié)就至關(guān)重要。由PIF4自身所引起的負(fù)反饋調(diào)節(jié)將能精準(zhǔn)快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)PIF4活性的調(diào)控，然而目前這方面的研究成果卻比較少。

（2）介導(dǎo)PIF4降解的E3連接酶。PIF4蛋白降解是其活性調(diào)控機(jī)制的重要組成部分，E3連接酶是介導(dǎo)PIF4蛋白降解的重要調(diào)控因子。目前仍然有尚未被發(fā)現(xiàn)的介導(dǎo)PIF4蛋白降解的E3連接酶。例如DELLA蛋白與PIF4發(fā)生相互作用后會(huì)引起它的降解，但是此降解過程的E3連接酶目前尚未被發(fā)現(xiàn)。

（3）染色質(zhì)重塑對(duì)PIF4活性的調(diào)控。目前的研究表明染色質(zhì)重塑廣泛存在于基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控過程中。在溫度形態(tài)建成過程中對(duì)PIF4基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控和PIF4調(diào)控其他基因轉(zhuǎn)錄的情況非常多，然而這些轉(zhuǎn)錄調(diào)控的染色質(zhì)重塑過程分子機(jī)制卻很少被研究。

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