浙江农林大学学报,2021,38(3):624 633 Journal of Zhejiang A&F University doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200346 植物乙烯响应因子 (ERF) 的结构 功能及表达调控研究进展 许世达, 耿兴敏, 王露露 ( 南京林业大学风景园林学院, 江苏南京 210037) 摘要 : 乙烯响应因子 (ERF) 是植物中 AP2/ERF 转录因子超家族中的一部分, 其结构特征为含有 1 个 AP2 结构域, 在 AP2 域外还含有功能各异的基序 ERF 在胁迫下通常正向调控植物的抗性, 但也会因为一些原因负调控植物的抗性 ERF 通过调节果实的色素变化及软化等调控果实成熟过程, 通过调控衰老和脱落进程以控制花叶的寿命 ERF 受信号分 子调控启动转录, 之后受其他机制调控完成表达 ERF 可以通过调控信号分子对下游基因进行大范围的调控 多种 ERF 与蛋白质之间互作的机制丰富了 ERF 调控下游基因的方式 本研究综述了 ERF 的结构特征 生物学功能及表达调 控机制 图 1 表 1 参 77 关键词 : 植物学 ; 乙烯响应因子 (ERF); 胁迫抗性 ; 果实成熟 ; 花叶衰老与脱落 ; 信号转导 ; 表达调控 中图分类号 :S718.3 文献标志码 :A 文章编号 :2095-0756(2021)03-0624-10 A review of the structure, function and expression regulation of ethylene response factors (ERF) in plant XU Shida,GENG Xingmin,WANG Lulu (College of Landscape Architecture, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu, China) Abstract: As part of the AP2/ERF superfamily, ethylene response factors (ERF) enjoys a structure featured with an AP2 domain and conserved motifs with different functions outside the AP2 domain. With previous reseaches, ERF positively regulates plant resistance under stress, but it can also negatively regulate plant resistance for certain reasons. ERF regulates fruit ripening by regulating the changes of pigment and softening and controls the longevity of flowers and leaves by regulating the process of senescence and abscission. ERF is regulated by signal molecules to start transcription, and then regulated by other mechanisms to complete the expression. ERF can achieve a wide-range regulation of the downstream genes by regulating signal molecules. The interaction between ERF and protein enriches the way in which ERF regulates downstream genes. And this study, based on what has been previously researched, is aimed to conduct a review of the structural characteristics, biological functions and expression regulation mechanism of ERF so as to provide a reference for future studies on ERF. [Ch, 1 fig. 1 tab. 77 ref.] Key words: botany; ethylene response factor (ERF); stress resistance; fruit ripening; senescence and abscission of flower/leaf; signal transduction; expression regulation 收稿日期 :2020-05-22; 修回日期 :2021-01-18 基金项目 : 江苏高校品牌专业建设工程项目 (PPZY2015A063) 作者简介 : 许世达 (ORCID: 0000-0001-9918-111X), 从事园林植物应用 E-mail: zelxtar@qq.com 通信作者: 耿兴敏 (ORCID: 0000-0002-0509-382X), 教授, 博士, 从事园林植物种质创新与生理生化的研究 E-mail: xmgeng76@163.com
第 38 卷第 3 期许世达等 : 植物乙烯响应因子 (ERF) 的结构 功能及表达调控研究进展 625 乙烯响应因子 (ERF) 是 AP2/ERF(apetala2/ethylene response factor) 大家族中的 1 个亚族, 最早从烟草 Nicotiana tabacum 中分离发现, 都含有 1 个 AP2 结构域 ERF 受乙烯诱导表达, 并且具有与生物胁迫抗 性基因启动子结合的能力 [1] 随着研究深入,ERF 结构中各类基序的作用被广泛关注, 其中 AP2 结构域 作为 DNA 结合域更是受到深入研究 在各类植物生长代谢与非生物胁迫响应等方面,ERF 也受到农林 研究者的重视 除乙烯外, 其他信号分子及表达调控机制也影响着 ERF 的行使功能 本研究以 ERF 的 结构特征 生物学功能以及有关的调控机制为主题, 对近年有关 ERF 的研究进行综述, 以期为 ERF 表 达调控和功能研究提供思路 1 ERF 的结构特征 1.1 ERF 结构概述 ERF 含有 1 个 AP2 结构域,AP2 结构域是 ERF 的 DNA 结合域, 是其行使转录调控的关键 NAKANO [2] 等根据系统发育关系 外显子 - 内含子结构和蛋白质基序分别将拟南芥 Arabidopsis thaliana 和水稻 Oryza sativa 中的 ERF 分为 12 组和 15 组 这种分类方式适用多种植物, 如苜蓿 Medicago sativa [3] 二穗 短柄草 Brachypodium distachyon [4] 人参 Panax ginseng [5] 等 同组的 ERF 因为有着相似的结构和保守基 序, 通常具有相似的性质 [2] AP2 结构域最早发现于拟南芥 AP2 基因中, 由大约 60 个氨基酸组成 [1, 6] AP2 结构域的 N 端存在 1 个碱性亲水区, 含有 3 个反平行的 β- 折叠, 这 3 个 β- 折叠在识别顺式作用元件中具有重要作用,C 端 有 1 个两亲性的 α- 螺旋, 可能参与其他转录因子或 DNA 的相互作用 [7] ERF 根据 AP2 结构域上特定位 置的不同, 氨基酸残基可分为 ERF 与 DREB, 由于残基的不同,ERF 和 DREB 对启动子的亲和性和识 别特异性会有差异 [8] ERF 和 DREB 通常结合的顺式元件分别是 GCC( 核心序列为 GCCGCC) 和 DRE/CRT(dehydration-responsive element/c-repeat, 核心序列为 CCGAC) [9] 除这两者外,ERF 还可以结 合其他的基序, 例如刚毛柽柳 Tamarix hispida 的 ThCRF1 可与 GCC DRE TTG1 和 TTG2 基序结合 [10] ERF 与基序结合的特异性似乎受到某种机制的调控, 根据接收到的信号改变对基序的结合倾向, 例如拟 南芥中 ERF1 在茉莉酸诱导下与茉莉酸响应基因启动子上的 GCC 基序结合, 但受到非生物胁迫时, ERF1 优先与胁迫抗性基因启动子上的 DRE 基序结合 [11] 1.2 功能基序 ERF 在 AP2 域外含有一些保守的氨基酸基序 有些基序在 ERF 参与转录调控时起到重要作用, 当 基序缺失或突变时会导致功能的改变或缺失 比如 EAR(ERF-associated amphiphilic repression) 类基序, 这类基序有 2 种保守序列, 分别为 LxLxLx 和 DLNxxP [12] EAR 基序可直接影响 ERF 转录调控的功能, 例如拟南芥中 ERF4 有 2 种亚型, 其中 ERF4-R( 含有 EAR 基序 ) 能抑制基因表达, 而 ERF4-A( 不含 EAR 基序 ) 能上调基因表达 [13] 有的基序具有激活结构域的功能, 比如 EDLL 基序具有激活转录的功 能, 因保守的谷氨酸 (E) 天冬氨酸 (D) 和亮氨酸 (L) 残基而得名, 属于酸性的激活结构域 [14] 基序还有 其他功能, 如拟南芥 ESR1 中的 ESR 基序是激活结构域, 当用 VP16 替换 ESR 基序时,ESR1 丧失了促 进芽再生的能力 [15] ERF 功能基序可以通过基因编辑的方式添加至目标 ERF 基因中, 修饰后 ERF 的功 能根据基序的类别发生改变, 例如将以 EAR 基序为基础改造的 SRDX 序列添加至 ERF 中, 使修饰后的 ERF 具有转录抑制的功能 [16] 2 ERF 的功能 ERF 的生物学功能涉及范围非常广, 胁迫和生长发育都有它的参与 ERF 的功能主要由直接调控目 标基因实现, 也有一些是通过调控其他转录因子实现 ( 表 1) 2.1 ERF 在胁迫响应时的功能 ERF 在植物受到胁迫时通过调控胁迫响应的相关基因以应对各种胁迫 生物胁迫中,ERF 抵御真菌 病原体最直接的方式是上调有关防卫基因, 如拟南芥中 ERF96 上调 PDF 和 PR 这类病理相关基因 [17] ; 拟南芥中 Ⅸb 组 ERF 可以上调 CYP81F2 促进杀菌剂吲哚类硫苷合成 [19] 还有通过促进程序性死亡以防 止病原体的扩散, 如番茄 Solanum lycopersicum 中 ERF68 可以上调有关细胞程序性死亡的基因促进细胞
626 浙江农林大学学报 2021 年 6 月 20 日 死亡 [28] 非生物胁迫下 ERF 通过调控各种非生物胁迫抗性相关基因表达, 提高植物抗逆性 碧冬茄中 PhERF2 在植株受水淹的情况下上调 ADH1-2 乙醇脱氢酶的表达, 提高植株对水淹的抗性 [31] 枇杷的 EjERF39 受低温诱导, 上调木质素合成基因 Ej4CL1, 促进果实木质化, 减轻冷害 [38] ERF 可以通过调控 转录因子来增强植物抗性, 例如山葡萄中 VaERF092 受低温胁迫诱导并通过增强 VaWRKY33 表达, 从而 间接增强植株对低温的抗性 [32] ERF 还可以通过调控渗透调节物质以增强植物的抗性, 例如小豆 Vigna angularis 中 VaERF3 在盐碱胁迫中及水稻 OsERF71 在干旱胁迫中都可以诱导脯氨酸的积累, 分别提高相 应的胁迫抗性 [39 40] 表 1 ERF 的功能 Table 1 Function of ERF 植物 ERFs 目的基因及调控方式目的基因说明效果 [13] 拟南芥 ERF4 CAT3 过氧化氢酶,ROS 清除酶系统之一根据 ERF4 形态不同, 调控的效果不同 拟南芥 ERF96 上调 PDF1.2a PR-3/4 和 ORA59 生物胁迫抵御基因,ORA59 为转录 拟南芥 ERF74 上调 RbohD 呼吸暴发氧化酶, 增加活性氧的产量 因子 拟南芥 Ⅸb 组 ERF 上调 CYP81F2 杀菌剂吲哚类硫苷合成关键酶 拟南芥 拟南芥 WRI4 RAP2.2 和 RAP2.12 上调 LACS1 KCR1 PAS2 ECR 和 WSD 上调 LBD41 和 PCO1 参与表皮蜡质合成 低氧响应蛋白质 [17] 增强植物对病原体抗性 启动胁迫初期活性氧暴发, 增强信号传 ERF 可能在逆境条件下负调控植物抗性, 这会加剧植物所受的伤害 ERF 可以通过直接抑制相关抗 性基因的表达降低植物的抗性 拟南芥 AtERF72 会受缺铁环境诱导并抑制参与铁吸收的 IRT1 和 HA2 的 表达, 进一步抑制铁吸收 [22] 白桦 Betula platyphylla 中 BpERF11 受盐胁迫和干旱胁迫诱导表达, 抑制 [18] 导 增加吲哚类硫苷合成, 减少植物间真菌 [19] 传播 [20] 增加蜡质合成, 保护植物受逆境伤害 受低氧胁迫诱导, 保持低氧应答基因在 [21] 低氧环境下的稳定 [22] 拟南芥 AtERF72 下调 IRT1 HA2 和上调 CLH1 IRT1 HA2 铁吸收,CLH1 叶绿素降解受缺铁环境诱导, 起到负调控效果 [23] 苹果 MdERF2 上调 MdACS3a 果实成熟过程中乙烯合成关键酶基因进一步促进乙烯生成 苹果 MdERF4 下调 MdERF3 转录因子, 响应盐胁迫并提高盐胁迫 抗性 [24] 削弱植物对盐胁迫抗性 [25] 水稻 OsERF71 上调 OsXIP 抑制微生物来源的木聚糖酶增强植物抗性 芜菁 BrERF72 上调 BrLOX4 BrAOC3 和 BrOPR3 参与茉莉酸合成 [26] 加速叶片衰老 [27] 番茄 JRE4 上调 DWF5 和 GAME4 甾醇还原酶和配糖生物碱代谢相关促进糖苷生物碱的合成 番茄 月季 ERF68 RhERF1 和 RhERF4 上调 COPA Sw-5a AOS 和 下调 CAB 参与细胞程序性死亡 [29] 下调 RhBGLA1 β- 半乳糖苷酶, 加速花瓣脱落防止花瓣脱落 [28] 促进细胞程序性死亡, 防止病原体扩散 [30] 罂粟 PsAP2 上调 AOX1a 抗氧化酶之一增强植株的 ROS 清除能力 [31] 碧冬茄 PhERF2 上调 ADH1-2 乙醇脱氢酶提高植物对水淹抗性 [32] 山葡萄 VaERF092 上调 VaWRKY33 转录因子, 调控胁迫相关基因增强植物对低温的抗性 小果野蕉 小果野蕉 MaERF10 MaDEAR1 下调 MaLOX7/8 MaAOC3 和 MaOPR4 下调 MaEXP1/3 MaPG1 MaXTH10 MaPL3 和 MaPME3 参与茉莉酸合成 [33] 抑制茉莉酸信号, 增强冷害 [34] 修饰细胞壁, 与果实软化有关的基因防止果实过早软化 [35] 甜橙 CitERF13 上调 CitPPH 和 CitNYC 参与叶绿素降解加速果实褪绿 [35] 甜橙和椪柑 CitERF6 上调 CitPPH 参与叶绿素降解加速果实褪绿 [36] 桃子 PpeERF2 下调 PpeNCED2/3 和 PpePG1 ABA 合成与细胞壁降解防止果实过快软化 [37] 番木瓜 CpERF9 下调 CpPME1/2 和 CpPG5 细胞壁降解防止果实过早软化 [38] 枇杷 EjERF39 Ej4CL1 木质素合成基因促进果实木质化 说明 : 苹果 Malus domestica 芜菁 Brassica rapa 月季 Rosa chinensis 罂粟 Papaver somniferum 碧冬茄 Petunia hybrida 山葡萄 Vitis amurensis 小果野蕉 Musa acuminata 甜橙 Citrus sinensis 椪柑 Citrus reticulata 桃 Amygdalus persica 番木瓜 Carica papaya 枇杷 Eriobotrya japonica
第 38 卷第 3 期许世达等 : 植物乙烯响应因子 (ERF) 的结构 功能及表达调控研究进展 627 LEA 和脱水蛋白基因的表达, 并加剧干旱胁迫导致的伤害 [41] ERF 还能通过抑制相关转录因子的表达以 起到间接负调控 苹果中 MdERF4 抑制具有盐胁迫抗性的 MdERF3 表达, 从而削弱了植物对盐胁迫的抗 性 [24] 还有 ERF 通过抑制植物激素或信号分子以负调控胁迫的响应基因 小果野蕉中 MaERF10 受低温 胁迫诱导, 与 TIFY 蛋白 MaJAZ3 互作通过抑制茉莉酸合成基因的表达以抑制茉莉酸信号途径, 从而使 果实表现出明显的冷害 [33] CaDRAT1 在辣椒 Capsicum annuum 受到干旱胁迫时, 通过抑制脱落酸 (abscisic acid,aba) 合成基因的表达从而抑制了依靠 ABA 信号的干旱响应基因的表达 [42] ERF 负调控胁迫下的植物抗性或许是为维持其他系统的稳定 番茄 SlERF84 可以增强干旱和盐胁迫 抗性, 但会削弱生物胁迫抗性, 原因可能是 SlERF84 通过增强活性氧 (reactive oxygen species,ros) 清 除能力以减缓细胞死亡, 从而削弱植物对病原体的抗性 [43] 苹果中 MdERF4 对 MdERF3 的调控可能是盐 胁迫下维持乙烯在植物体内稳态的反馈调节机制 [24] 番薯 Ipomoea batatas 中 IbERF4 抑制非生物胁迫响 应基因表达, 这或许是因为 IbERF4 主要参与调控开花和叶片衰老而导致的 [44] 2.2 ERF 在果实成熟中的功能 果实成熟的标志包括褪绿和变软 ERF 可以通过调控相关基因促进叶绿素的降解, 比如甜橙和椪柑 中 CitERF6 上调果实中参与叶绿素降解的 CitPPH, 从而促进果实褪绿 [45] ; 甜橙 CitERF13 可以直接上调 CitPPH 和 CitNYC 加速果实褪绿 [35] 一般果实在成熟后会发生软化的现象, 软化会影响果实的货架期寿 命以及运输,ERF 能通过调控相关基因调节软化的过程, 比如桃子中 PpeERF2 通过抑制 PpeNCED2 PpeNCED3( 参与 ABA 合成 ) 和 PpePG1( 参与细胞壁降解 ) 的表达, 以防止果实过早软化 [36] ; 同样还有番木 瓜中 CpERF9 和小果野蕉 MaDEAR1, 都是通过抑制相关细胞壁降解的基因表达, 防止果实过早软化 [34, 37] 2.3 ERF 在花叶衰老与脱落中的功能 花或叶的衰老和脱落是植物的生理现象, 但衰老和脱落并非为一种过程 衰老背后的本质是细胞的 程序式死亡 以拟南芥为例, 拟南芥 WRKY53 被视为叶片衰老的核心转录因子,ESP/ESR 负调控 WRKY53,AtERF4 和 AtERF8 可以直接抑制 ESP/ESR 的表达从而间接加速叶的衰老 [46] 拟南芥中过氧化 氢 (H 2 O 2 ) 正向增强 WRKY53 的表达,ERF4 的 2 种亚型直接调控 CAT3 的表达以控制 H 2 O 2 的量从而间接 调控衰老进程 [13] ERF 还可以通过调节其他信号分子及其信号转导来调节花或叶的衰老 芜菁中 BrERF72 由茉莉酮酸甲酯诱导并上调茉莉酸合成基因表达从而通过茉莉酸信号途径加速叶片衰老 [26] [47] KHASKHELI 等在月季花中筛选出可以上调细胞分裂素含量的基因 RhERF113, 在沉默其表达后, 花 加速衰老, 而在补充外源细胞分裂素后可以使衰老速度恢复到正常水平 脱落是另一种过程, 脱落器官 在基部的离区细胞受乙烯等激素信号的诱导完成脱落 在乙烯信号传导过程中有一类名为 EDF(ethylene response DNA-binding factors) 的蛋白质位于 EIN3 的下游 [48],EDF 在植物开花期间促进花的衰老和脱 落 一种名为 FUF1 的 ERF 可抑制 EDF 的表达从而达到延长花期的效果 [49] 此外, 月季的 β- 半乳糖苷 酶基因 RhBGLA1 会加速花瓣的脱落, 而 RhERF1 和 RhERF4 可以抑制此基因的表达, 防止花瓣脱落 [29] 3 ERF 的表达调控 3.1 植物对 ERF 的调控机制 3.1.1 信号分子对 ERF 的调控 ERF 受各类信号分子的诱导从而表达并行使相应的功能 ( 图 1), 这些信 号分子通过在植物体内的信号转导, 逐级将体内和体外的环境信息传递, 最终完成对 ERF 的表达调控 作为 ERF 的命名来源, 乙烯对 ERF 的调控关系最先被发现 [1] 乙烯经过信号转导, 诱导 ERF 在植 物体内调控胁迫防御及生长发育等生理过程 以拟南芥为例, 乙烯与位于内质网膜上的各类乙烯受体结 合, 使与受体关联的激酶 CTR1 失活, 无法磷酸化 EIN2 的 C 端 [50] 未被磷酸化的 EIN2 从而进入细胞 核, 使转录因子 EIN3 能稳定存在并发挥作用 [51], 随即 EIN3 激活包括 ERF1 等转录因子的转录, 这些转 录因子调控其他的乙烯响应基因以完成乙烯信号响应 除 ERF1 外还有许多受乙烯信号诱导的 ERF, 如 枸杞 Lycium chinense 中的 LchERF 受乙烯诱导增强植株盐胁迫抗性 [52], 拟南芥中 AtERF4 受乙烯诱导降 低了对乙烯的敏感性 [53] ABA 在植物对抗非生物胁迫时能通过诱导相关的 ERF 增强抗性 比如番茄 ERF5 基因的转录受外 源 ABA 诱导并能增强植物对干旱和盐胁迫的抗性 [54] ABA 与乙烯 2 种信号在部分情况下也存在拮抗作
628 浙江农林大学学报 2021 年 6 月 20 日 用, 例如拟南芥中 ABA 信号能激活下游 ERF 基 因 ABI4, 而乙烯信号通过 EIN3 能够抑制 ABI4 的 表达, 两者的拮抗作用影响抗坏血酸与 ROS 的含 量 [55] ERF 也可以反过来调控 ABA 信号传导 拟 南芥 AtERF4 受 ABA 诱导并抑制 ABA 的信号传 导,ABA 响应基因明显下调 [53] ERF 和其他植物激素也有调控关系, 这其中 发现较多的是茉莉酸信号与 ERF 之间的调控, 茉 莉酸信号对 ERF 的调控主要表现在抗逆性和生长 代谢等方面 例如在抵御胁迫时水稻 OsERF71 和 拟南芥 ERF96 都可由茉莉酸信号诱导表达, 提高 植物对生物胁迫的抗性 [17, 25] 在植物生长代谢方 面, 茉莉酸信号可由 ERF 进一步促进茉莉酸的信 号传导, 如芜菁 BrERF72 可由茉莉酮酸甲酯诱导 并上调参与茉莉酸合成相关基因从而加速叶片衰 老 [26] 茉莉酸信号通过 ERF 还能调控其他代谢相 关的产物生成, 例如番茄 JRE4 受茉莉酸诱导上 调,JRE4 直接上调甾醇还原酶和配糖生物碱代谢 相关基因促进糖苷生物碱的合成 [27] 生长素信号 诱导 ERF 参与了脱落有关的调控, 月季花瓣离层 RhERF4 受生长素诱导且抑制下游 RhBGLA1 的转 录, 从而抑制了离层果胶的降解, 延缓花瓣脱落 [29] 水杨酸是重要的植物防御激素, 它本身能诱导 ERF 的表达, 例如水稻的 OsERF96 和山海关杨 Populus deltoides Shanhaiguan 的 PdERF-18 [56 57] ROS 在 ERF 接收胁迫信号过程中具有重要作用 胁迫初期位于细胞膜上的蛋白质感应到胁迫信 息, 需要次级信使将胁迫信息传至内部 ROS 作为次级信使之一能够将细胞内的信号快速传递至细胞 核, 激活一系列蛋白激酶 (protein kinases,pks) 或蛋白磷酸酶 (protein phosphatases,pps), 而 PKs 和 PPs 可以触发对转录因子磷酸化或脱磷酸化级联反应 [58 59] 例如拟南芥中 ROS 会触发 MPK6, 随后 MPK6 磷酸化 ERF6, 最后 ERF6 调控下游相关 ROS 响应基因 [60] 除此之外, 还有水稻中受 ROS 诱导的 SERF1, 通过 MAPK5 磷酸化后激活, 提高水稻的盐胁迫抗性 [61] 3.1.2 其他因子对 ERF 的调控在 ERF 基因转录后, 目前有选择性剪接和 mirna 为主的 2 种调控方 式 选择性剪接在参与非生物胁迫的 DREB 中较为常见, 如水稻的 OsDREB2A/2B [62] 和玉米 Zea mays 的 ZmDREB2A [63], 只有在胁迫下才会产生具有功能的有效转录本 选择性剪接还可导致功能转变, 例如拟 南芥中,ERF4-A 和 ERF4-R 的存在比率由 RNA 结合蛋白 FPA 控制, 当叶片开始衰老时,ERF4-R 的存 在比率比未衰老时高, 从而抑制抗氧化酶的表达以促进叶片的衰老 [13] mirna 作为一类非编码 RNA, 主要通过降解 mrna 或是沉默目标基因的翻译以抑制目标基因的表达 如 mirna172 通过抑制 AP2/ERF 蛋白的翻译从而对调控生殖器官的发育以及抑制干细胞增殖起到了关键的作用 [64] 选择性剪接 和 mirna 都是针对 mrna 的修饰方式, 选择性剪接使 ERF 可以产生多种转录本, 丰富了 ERF 功能的 多样性 mirna 对 mrna 进行直接修饰可以特异性负调控 ERF, 明晰 mirna 对 ERF 的表达调控机制 可以促进 mirna 技术在 ERF 功能上的应用 ERF1 LchERF MaERF11 MdERF3 MdERF2 ABI4 JERF1 AtERF4 ERF5 OsERF71 ERF96 JRE4 BrERF72 PsAP2 ERF6 SERF1 AtERF73/74 VaERF080/087 ERF4-A RhERF4 MdERF11 OsERF96 PdERF-18 有一些调控机制可以降解或激活已翻译成蛋白质的 ERF 泛素化是降解 ERF 的调控方式之一, 例 如拟南芥中, 响应干旱胁迫的 AtERF53 在非胁迫情况下会被带有 RING 结构域的 E3 泛素连接酶 RGLG2 泛素化, 使其被 26s 蛋白酶分解 [65] Ⅶ 组的 ERF 被独特的 N 端规则所调节, 这些 ERF 的 N 端在 正常生长环境下会被植物半胱氨酸氧化酶 Pco1/2 修饰, 随后被 N 端识别蛋白 ATE1/2 和 PRT6 识别并降 解 其中半胱氨酸受氧气 (O 2 ) 与一氧化氮 (NO) 氧化, 而非生物胁迫能抑制 NO 的积累 在植物处于缺 氧状态或是胁迫的情况下,Ⅶ 组的 ERF 才得以稳定存在, 从而激活胁迫相关的应答基因 [66 67] 不同于前 信号分子 乙烯 脱落酸 茉莉酸 活性氧 生长素 水杨酸 上调 下调 图 1 ERF 与信号分子的调控关系 ERF Figure 1 Regulatory relationship between ERF and signal molecules
第 38 卷第 3 期许世达等 : 植物乙烯响应因子 (ERF) 的结构 功能及表达调控研究进展 629 两者, 磷酸化是一种激活 ERF 的机制, 对 ERF 是重要的调控途径 不同激酶磷酸化通常会导致 ERF 的 [60] 功能发生变化, 包括活性的变化和细胞器的定位等 WANG 等研究发现 : 拟南芥 ERF6 上的磷酸化 位点可以被 MPK6 特异性识别并进行磷酸化, 磷酸化后的 ERF6 转录因子对其下游基因具有更强的激活 活性 尽管野大豆 Glycine soja 的 GsERF7 本身含有核定位信号基序, 但只有被 GsSnRK1 磷酸化之后才 会从细胞质被重新定位至细胞核, 从而发挥转录调控功能 [68] 3.2 ERF 对下游基因的调控机制 3.2.1 ERF 对信号分子的调控 ERF 有些功能是通过调控植物中的信号分子完成的, 比如 ERF 通过调 控植物激素合成途径中的关键酶基因以控制植物激素信号通路 ERF 通过调控乙烯合成关键基因的表 达, 从而调节乙烯的生物合成和信号传导, 例如苹果果实中的 MdERF3 受乙烯诱导且能上调 MdACS1 的 表达, 从而加速乙烯的合成 [23] ERF 还可以抑制乙烯合成关键酶基因的表达, 以控制乙烯的生成, 例如 [69] HAN 等在小果野蕉果实中发现 MaERF11 能够有效抑制 MaACO1 的转录从而抑制乙烯的合成 除此 之外,ERF 也可以参与果实成熟过程中乙烯合成模式的转换 例如苹果果实成熟初期,MdERF2 通过抑 制酶活性较高的 MdACS1 的表达, 并上调酶活性较低 MdACS3a 的表达, 来限制乙烯在果实中的积累以 放慢苹果的成熟速度 [23, 70] ERF 也可以通过调控 ABA 合成相关基因从源头调控 ABA 的信号, 例如烟草中 JERF1 直接上调 ABA 合成相关基因 NtSDR 以增加 ABA 的含量, 增强烟草对盐胁迫和低温胁迫的抗性 [71] ERF 还可抑 制 ABA 信号, 例如拟南芥 AtERF4 过表达株系的种子经 ABA 处理后, 相比于野生型种子,ABA 信号转 导下游基因表达量明显下降 [53], 这说明 AtERF4 是通过抑制 ABA 的信号传导调控了 ABA 的信号 桃子 PpeERF2 可以直接抑制 ABA 合成相关基因 PpeNCED2 PpeNCED3 的表达以抑制 ABA 的合成 [72] 其他 植物激素如茉莉酸和水杨酸等也受到 ERF 的调控, 例如芜菁 BrERF72 上调参与茉莉酸合成相关基因从 而加速叶片衰老 [26], 苹果 MdERF11 通过促进水杨酸的合成以增强植株对生物胁迫的抗性 [73] ERF 可以通过调控呼吸暴发氧化酶同系物 (respiratory burst oxidase homolog,rboh) 家族基因, 加速 ROS 生成, 从而促进胁迫信号传递, 完成早期胁迫响应 比如拟南芥中的 AtERF73/74 在胁迫初期能调 控 Rboh 家族基因,Rboh 催化 H 2 O 2 生成,H 2 O 2 将胁迫信号继续传递 [18, 74] 信号传递后过量的 ROS 会对 [75] 植物产生氧化伤害,ERF 通过加强 ROS 清除系统以清除过量的 ROS 例如 SUN 等将山葡萄中受低 温胁迫诱导的 VaERF080/087 转入拟南芥, 转基因植株较野生型在低温胁迫下活性氧清除酶具有更高活 性, 也表现出更好的低温抗性 拟南芥 ERF4-A 可以上调 CAT3 的表达从而减缓细胞死亡 [13] 植物激素 可以通过 ERF 调节抗氧化系统以控制 ROS, 例如罂粟中 PsAP2 可由乙烯 茉莉酸和 ABA 诱导并通过上 调 AOX1a 增强植株的抗氧化能力 [30] 3.2.2 蛋白质互作 ERF 与蛋白质协作互作可以介入到多种反应 通过与相应的蛋白质协作能大幅提高 转录激活能力 比如 GmERF5 与 GmbHLH GmEIF 互作, 可提高大豆 Glycine max 对病原体的抗 性 [76],OsERF3 和 WOX11 互作调控细胞分裂素响应基因 RR2 以调节水稻的根冠发育 [77],EjERF39 和 EjMYB8 互作调控木质素合成基因以增强枇杷果实低温抗性 [38] 具有转录抑制功能的 ERF 通过招募辅抑 制因子以起到加强抑制的作用, 例如在小果野蕉果实中,MaERF11 可以抑制果实成熟相关基因的表达 并可招募组蛋白去乙酰化酶 MaHDA1 增强抑制效果 [69] ERF 通过与其他转录因子之间发生互作以竞争 与目标启动子结合的机会, 例如苹果 MdERF2 通过其 N 端与 MdERF3 的 DNA 结合域结合, 从而使 MdERF3 无法与目标基因启动子结合 [23] 4 展望 ERF 是植物特有的转录因子, 其 AP2 结构域作为 DNA 结合域受到大量关注, 但在 AP2 结构域外尚 有很多基序是未知的, 且这些基序能否应用在基因工程中也需要进一步研究 ERF 的功能受到很多农林 领域研究者的关注, 但对于 ERF 这个大家族来说, 得到明确功能注释的仅有少数, 且主要出自少数模 式作物, 后期研究应对其他植物中 ERF 进行大量的功能验证 园艺领域研究者对 ERF 调控果实成熟和 花叶的衰老与脱落的关注较多, 未来可以对园艺植物在切花或果实保鲜和花果期调控等课题深入研究 ERF 既受信号分子调控, 又调控信号分子的生成和传导 目前有大量关于 ERF 与各类信号分子之间调
630 浙江农林大学学报 2021 年 6 月 20 日 控的研究, 但大多数并未涉及到信号交叉或完整的调控网络, 或许未来研究者可以关注在信号调控网络中 ERF 所发挥的节点作用 植物中一些因子对 ERF 调控使 ERF 适宜地发挥作用, 这些调控机制有助于理解 ERF 发挥功能的过程, 但很少得到具体应用 目前来看, 应用 mirna 具有一定的可行性, 或许未来应更深入 mirna 调控 ERF 的研究 ERF 与蛋白质相互作用类型广泛, 具有结构域的特异性, 但这方面的机理研究还有很多空缺, 未来有关 ERF- 蛋白质特异性结合的机理应该得到深入研究 5 参考文献 [1] OHME-TAKAGI M, SHINSHI H. Ethylene-inducible DNA binding proteins that interact with an ethylene-responsive element [J]. Plant Cell, 1995, 7(2): 173 182. [2] NAKANO T, SUZUKI K, FUJIMURA T, et al. Genome-wide analysis of the ERF gene family in Arabidopsis and rice [J]. Plant Physiol, 2006, 140(2): 411 432. [3] JIN Xiaoyu, YIN Xiaofan, NDAYAMBAZA B, et al. Genome-wide identification and expression profiling of the ERF gene family in Medicago sativa L. under various abiotic stresses [J]. DNA Cell Biol, 2019, 38(10): 1056 1068. [4] CUI Licao, FENG Kewei, WANG Mengxing, et al. Genome-wide identification, phylogeny and expression analysis of AP2/ERF transcription factors family in Brachypodium distachyon [J]. BMC Genomics, 2016, 17(1): 1 19. [5] CHEN Jing, ZHOU Yuanhang, ZHANG Qi, et al. Structural variation, functional differentiation and expression characteristics of the AP2/ERF gene family and its response to cold stress and methyl jasmonate in Panax ginseng C. A. Meyer [J]. PLoS One, 2019, 15(3): e0226055. doi: 10.1371/journal.pone.0226055. [6] JOFUKU K D, DEN BOER B G, van MONTAGU M, et al. Control of Arabidopsis flower and seed development by the homeotic gene APETALA2 [J]. Plant Cell, 1994, 6(9): 1211 1225. [7] LIU Qiang, ZHANG Guiyou, CHEN Shouyi, et al. Structure and regulatory function of plant transcription factors [J]. Sci Bull, 2001, 46(4): 271 278. [8] SAKUMA Y, LIU Q, DUBOUZET J G, et al. DNA-binding specificity of the ERF/AP2 domain of Arabidopsis DREBs, transcription factors involved in dehydration- and cold-inducible gene expression [J]. Biochem Biophys Res Commun, 2002, 290(3): 998 1009. [9] HAO Dongyun, YAMASAKI K, SARAI A, et al. Determinants in the sequence specific binding of two plant transcription factors, CBF1 and NtERF2, to the DRE and GCC motifs [J]. Biochemistry, 2002, 41(13): 4202 4208. [10] 覃利萍. 刚毛柽柳 AP2/ERF 转录因子 ThCRF1 响应盐胁迫的调控机理研究 [D]. 乌鲁木齐 : 新疆大学, 2018. QIN Liping. Study on the Regulatory Mechanism of an AP2/ERF Transcriotion Factor, ThCRF1, in Response to Salt Stress in Tamarix hispida[d]. Urumqi: Xinjiang University, 2018. [11] CHENG Meichun, LIAO Poming, KUO Weiwen, et al. The Arabidopsis ETHYLENE RESPONSE FACTOR1 regulates abiotic stress-responsive gene expression by binding to different cis-acting elements in response to different stress signals [J]. Plant Physiol, 2013, 162(3): 1566 1582. [12] KAGALE S, LINKS M G, ROZWADOWSKI K, et al. Genome-wide analysis of ethylene-responsive element binding factor-associated amphiphilic repression motif-containing transcriptional regulators in Arabidopsis [J]. Plant Physiol, 2010, 152(3): 1109 1134. [13] RIESTER L, KOSTERHOFMANN S, DOLL J, et al. Impact of alternatively polyadenylated isoforms of ETHYLENE RESPONSE FACTOR4 with activator and repressor function on senescence in Arabidopsis thaliana L. [J]. Genes, 2019, 10(2): 91. doi: 10.3390/genes10020091. [14] TIWARI S B, BELACHEW A, MA S F, et al. The EDLL motif: a potent plant transcriptional activation domain from AP2/ERF transcription factors [J]. Plant J, 2012, 70(5): 855 865. [15] NOMURA Y, MATSUO N, BANNO H, et al. A domain containing the ESR motif in ENHANCER OF SHOOT REGENERATION 1 functions as a transactivation domain [J]. Plant Biotechnol, 2009, 26(4): 395 401. [16] HUANG Pinyao, ZHANG Jingsong, JIANG Beier, et al. NINJA-associated ERF19 negatively regulates Arabidopsis pattern triggered immunity [J]. J Exp Bot, 2019, 70(3): 1033 1047. [17] CATINOT J, HUANG Jingbo, HUANG Pinyao, et al. ETHYLENE RESPONSE FACTOR 96 positively regulates Arabidopsis resistance to necrotrophic pathogens by direct binding to GCC elements of jasmonate- and ethylene-responsive
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