植物生长素响应因子基因的研究进展

方 佳，何勇清，余敏芬，郑炳松

（浙江农林大学 亚热带森林培育省部共建国家重点实验室培育基地，浙江 临安 311300）

生长素是植物体重要的生长调节分子，参与植物根和茎的生长和发育、器官的衰老、维管束组织的形成和分化发育，维持顶端优势，胚胎中轴的建立，植物的向地和向光反应以及刺激花器官生长等生长和发育诸多过程，在植物整个生命周期过程中发挥重要的作用[1-2]。现有的研究[3-6]表明，生长素信号传导过程涉及了2类转录因子：一类是生长素响应因子（ARF）家族，另一类是Aux/IAA转录因子家族。作为一类调控生长素响应基因表达的转录因子，ARF能够特异地与生长素响应基因启动子区域的生长素响应元件（AuxREs）TGTCNC结合，激活或抑制基因的表达。笔者主要对植物生长素响应因子的结构特征、在生长素信号传导过程中的功能以及调控机制等方面的研究进展进行介绍。

1 植物生长素响应因子的结构特征

植物生长素响应因子（ARF）是调节生长素基因表达的转录因子，在植物体内都以家族的形式存在。ARF能和生长素早期诱导基因如Aux/IAA，SAUR，GH3等家族的启动子响应元件特异结合形成二聚体，起着激活或者抑制基因表达的作用。ARF在植物体中存在一大类复杂的基因家族，随着全基因组测序分析的完成，许多科学家在拟南芥Arabidopsis thaliana，番茄Solanum lycopersicum，水稻Oryza sativa，玉米Zea mays，高粱Sorghum bicolor，葡萄Vitis vinifera和杨树Populous trichocarpa等植物中分别发现了23，17，25，35，26，20和39个ARF基因家族成员[7-10]，并分别对ARF基因家族成员的结构特征进行了对比和进化树分析，如：拟南芥AtARFs和水稻OsARFs[9，11]，玉米ZmARFs和拟南芥AtARFs，玉米ZmARFs和水稻OsARFs，玉米ZmARFs和杨树PoptrARFs， 玉米ZmARFs和葡萄GsARFs[12]以及拟南芥 AtARFs 和番茄 SlARFs[13]。

所有已知的高等植物ARF由3个结构域组成：1个氨基端的DNA结合结构域（DBD），1个中间结构域（MR），包括激活结构域（AD）和抑制结构域（RD）以及 1 个羟基末端的二聚结构域（CTD）[4]（图 1）。ARF的激活结构域（AD）富含谷氨酰胺、丝氨酸和亮氨酸残基，而ARF的抑制结构域（RD）则富含丝氨酸、脯氨酸、亮氨酸和甘氨酸残基[6]。其中，DBD直接参与了与AuxRE元件的结合；MR结构域决定了这类转录因子对靶基因的作用方式：激活或抑制[4]。ARF的CTD结构域与AUX/IAA蛋白的结构域Ⅲ和结构域Ⅳ十分相似，AUX/IAA和ARF可通过这一区域形成二聚体。

图1 典型ARF和Aux/IAA蛋白结构域[14]Figure1 Domain properties of prototypical ARF and Aux/IAA proteins

通过ARF蛋白质的结构特征分析，发现在23个拟南芥AtARF家族中，AtARF23只有1个氨基端的DNA结构域（DBD），AtARF3，AtARF13和AtARF17缺少1个羟基末端的二聚结构域（CTD），其余的AtARF都包含3个结构域[6]。而在水稻中，只有OsARF20含有2个DBD结构域，其余OsARF都含有1个典型的DBD结构域，大多数OsARF都包含1个CTD结构域[15]。17个番茄SlARFs中，SlARF11缺少1个中间结构域（MR），SlARF2，SlARF 3，SlARF 6，SlARF 7和SlARF 13缺少1个羟基末端的CTD结构域[13]。玉米的31个ZmARF蛋白的N末端都包含1个DBD结构域，ZmARF5和ZmARF31包含多个CTD结构域，其余的ZmARF都包含1个CTD结构域[12]。

全长序列构建的进化树分析（图1）结果表明：拟南芥和水稻48个ARF基因可分为3组[9，11]。玉米和拟南芥58个基因可分为5组，18对同源基因。玉米与水稻60个基因可分为4组，玉米和杨树有64个基因，分为3组。玉米与葡萄的55个基因分为3组[12]。拟南芥和番茄的40个基因分为3组，第1组包括2个SlARFs和1个AtARFs，第2组包括4个SlARFs和4个AtARFs，第3组分为3个亚类，第1亚类包括7个 AtARFs，但无 SlARFs，第 2亚类包括 6个 SlARFs和 6个 AtARFs，第 3亚类包括 5个SlARFs和5个AtARFs，总共14个姊妹对[13]。上述研究表明同一物种的不同ARF成员和不同物种之间的ARF成员都具有一定的同源性。

2 植物生长素响应因子的生物学功能

生长素是重要的植物激素，参与植物维管束组织的形成和分化，维持顶端优势，胚的发育，侧根形成以及刺激花器官生长等生长发育诸多过程。作为一类调控生长素响应基因表达的转录因子，ARF在植物生长发育过程中起到非常重要的作用。

研究表明：ARF在生长素信号传导过程中起着功能性作用。当生长素与其受体结合之后，会活化一些转录因子，进入细胞核，促进基因表达。这些转录因子分为2类：一类为早期基因或初级反应基因，由原来已有的转录基因活化刺激所致；另一类为晚期基因或次级反应基因，对激素是长期反应，由某些早期基因调控。目前，认为生长素信号传导过程与AUX/IAA蛋白的降解和ARF蛋白的激活有关。在生长素浓度无或较低的情况下，ARF与AUX/IAA蛋白质结合形成不活化的异源二聚体，阻止早期基因的转录，所以无生长素响应。而当生长素浓度较高时，AUX/IAA抑制子可以被SCFTIR复合体识别，泛素连接酶被活化，导致AUX/IAA蛋白泛素化，通过26S蛋白酶体将泛素化AUX/IAA蛋白降解，使得2个ARF形成同源二聚体，它与早期基因启动子的回文生长素响应元件结合，早期基因转录便活化，从而调节下游基因的表达，引起一系列与生长素相关的应答反应，继而表现出生理功能[4，16-17]。

植物中ARF家族成员较多，因此ARF的表达特征也比较复杂。在拟南芥种子发育过程中，AtARF12表达明显；在胚中，AtARF5，AtARF7和AtARF16表达明显；在幼苗期，AtARF2，AtARF7，AtARF8和AtARF19都有较明显的表达；在根系中，AtARF6，AtARF16和AtARF19表达明显；在叶片中AtARF3，AtARF4和AtARF16表达明显；在维管组织中，AtARF5和AtARF16表达明显；而AtARF1，AtARF2，AtARF3，AtARF4，AtARF6和AtARF8则在花及花器官发育时表达明显；在果实发育期，AtARF3， AtARF4 和 AtARF8 表达明显[18-23]。

在番茄中，SlARF3，SlARF5，SlARF6，SlARF9，SlARF10，SlARF13，SlARF15和SlARF17功能相似，从幼果到果实成熟阶段表达最高；而SlARF1，SlARF9，SlARF11，SlARF15和SlARF16在花的发育阶段也有明显表达，其中SlARF16在花芽中表达最高[13]。在玉米中，ZmARF1，ZmARF18，ZmARF19，ZmARF23，ZmARF24，ZmARF32和ZmARF35在根系、叶片及叶芽中都有表达；而ZmARF12仅在根系中有表达；ZmARF17仅在叶片中有表达；ZmARF3，ZmARF13，ZmARF16和ZmARF31仅在芽中有表达；ZmARF25在叶片和叶芽中都有表达[12]。在水稻中，共有25个OsARFs基因，其中OsARF20在幼苗中检测到，而其余24个基因则在水稻根、茎、叶和幼穗中都有表达[15]。

在杨树中，AtARF2的同源基因PoptrARF2.1和PoptrARF2.2与其他组织相比较在木质部、韧皮部表达水平最高；而PoptrARF2.3和PoptrARF2.4在营养芽、花芽及形成层中表达；AtARF3同源基因PoptrARF3.1和PoptrARF3.2在木质部、韧皮部的表达要比在营养芽、花芽的表达水平高；AtARF5同源基因PoptrARF5.1在根中的表达比在茎与叶片中的表达水平稍高，PoptrARF5.2在花芽表达中最高；AtARF6同源基因PoptrARF6.1和PoptrARF6.4在成熟叶片和韧皮部中表达较高，PoptrARF6.2和PoptrARF6.3在大多数的组织和器官中均有表达，尤其是在木质部，韧皮部，营养生长和生殖生长的分生组织内表达最高[8]。

尽管ARF家族成员众多，但其中成员之一的突变还是能够造成明显的表型变化。比如，AtARF3的突变特异地影响雌蕊群的发育，其最明显的表型为使雌蕊的结构混乱[24]；AtARF7的突变则影响地上组织的分化，其中，nph4-1，nph4-2和nph4-3表现为对下胚轴的向光性，nph4-5和nph4-6表现为NPA（N-1-naphthylphthalamic acid）的抗性，nph4-101至nph4-109在单侧施生长素条件下则表现为下胚轴无弯曲现象。这些结果说明，AtARF7在拟南芥的向性运动中起到重要的功能作用[25-27]；AtARF8的突变体能在去雄和未经授粉的条件下，单行结实产生无籽果实，AtARF8基因编码阅读框T-DNA插入突变体arf8-1和arf8-6在上述条件下也能单性结实，而编码阅读框上游942 bp处的T-DNA插入突变体arf8-5则未能在上述条件下单性结实，表明AtARF8基因的编码区域突变功能缺失会导致单性结实，这为生长素调控单性结实提供了有力的证据[28]；AtARF5的突变能够影响胚胎的早期发育，表现为胚后发育的缺陷，最为明显的是维管组织结构的混乱，表明AtARF5在胚模式建成和维管束组织的正常发育过程中起到重要作用，有意思的是，拟南芥IAA12的1个突变体（bdl）和AtARF5的1个突变株（mp）的表现型相似，都是在胚胎发育过程中不能够形成根分生组织。这2个基因的表达方式相互重叠，它们的蛋白质在酵母二元杂交系统中相互作用。在bdl突变株中，IAA12的第2个结构域发生了1个点突变，结果导致这个蛋白质的稳定性上升。这是IAA12功能获得性突变。相反，在mp突变株中，AtARF5丧失了功能，表明IAA12/AtARF5之间通过特异结合影响根部的发育[21，29-31]。这说明，不同的ARF具有各自独特的功能。这些功能特异性的产生，既可以来自在时间和空间表达上的不同，也可能是来自对目的基因启动子的亲和性差异。

3 植物生长素响应因子的调控机制

目前，人们对于ARF调控机制的了解主要是基于拟南芥等模式植物突变体的研究。研究表明：植物激素和外界环境因子对ARF功能的发挥具有重要的调控作用。Tian等[32]研究发现：拟南芥AtARF8受光诱导，外源白光、蓝光、红光或远红光能够促进拟南芥AtARF8突变体子叶伸长。但是，Harper等[27]与Li等[33]研究表明：AtARF7和AtARF19受到外源生长素和乙烯的诱导。水稻OsARF1和OsARF23和玉米ZmARF3，ZmARF8，ZmARF13，ZmARF15，ZmARF21，ZmARF27和ZmARF30也受到外源生长素的诱导，但水稻OsARF5，OsARF14和OsARF21及玉米ZmARF5和ZmARF18则受其抑制[9，34-35]。

随着众多内源小RNAs的不断发现以及对其功能的深入研究，基因转录后水平的调节、尤其是内源小RNAs对基因转录后水平的调控也不可缺少。miRNA和ta-siRNA作为基因表达的一类负调控因子，主要在转录后水平上通过介导靶mRNA分子的切割或翻译抑制来调节植物基因的表达，从而调控植物器官的形态建成、生长发育、信号转导以及植物对外界环境胁迫因素的应答。越来越多的研究表明，ARF基因的表达也受到非编码区小RNA（miRNA和ta-siRNA）的转录后调控。拟南芥中AtARF10，AtARF16，AtARF17是miR160的靶基因[36-37]，miR160对AtARF10和AtARF16的转录后对根冠形成的调控起重要的作用[38]。AtARF6和AtARF8是miR167的靶基因，miR167对AtARF6和AtARF8的调控对花药和胚珠的成长发育起重要作用[39]。与拟南芥相比，在杨树基因组中miR160和miR167家族的表达要多2倍，PoptrARF10.1～PoptrARF10.2， PoptrARF16.1～PoptrARF16.5 以及 PoptrARF17.1～PoptrARF17.2 是 miR160 的靶序列， PoptrARF6.1～PoptrARF6.3 和 PoptrARF8.1～PoptrARF8.2 是 miR167 的靶序列[23]。 AtARF2， AtARF3和AtARF4是ta-siRNA的靶基因[40-41]。TAS3 ta-siRNA对AtARF3和AtARF4转录后的调控，对拟南芥由幼年期转变为成年期具有重要作用[42]。据推测，玉米的31个ZmARFs基因中，有18个是小RNA的靶基因。其中miR160的靶基因数目是7个，miR167的靶基因数目是6个，TAS3 ta-siRNA的靶基因数目是 5 个[12]。

4 展望

植物生长素响应因子（ARF）在植物许多生长发育过程，例如从根、茎到花、果的发育，不管在单子叶植物还是双子叶植物中都起着重要的作用。目前，人们对ARF家族的研究正逐步深入，但它们成员之间的相互关系、功能是否存在冗余以及它们的调控机制还有待进一步探讨。因此，明确ARF家族基因表达调控，并联系它们在植物生长发育过程中的生物学功能是揭示ARF家族的必然途径。

[1]WOODWARD A W， BARTEL B.Auxin： regulation， action， and interaction [J].Ann Bot Lond， 2005， 95： 707-735.

[2]de SMET I， JURGENS G.Patterning the axis in plants-auxin in control[J].Curr Opin Genet Dev， 2007， 17： 337-343.

[3]GUILFOYLE T J， HAGEN G.Auxin response factors [J].Plant Growth Reg， 2001， 10： 281-291.

[4]TIWARI S B， HAGEN G， GUILFOYLE T J.The role of auxin response factor domains in auxin-reponsive transcription [J].Plant Cell， 2003， 15： 533-543.

[5]ULMASOV T， HAGEN G， GUILFOYLE T J.Activation and repression of transcription by auxin-response factors [J].Proc Natl Acad Sci USA， 1999， 96： 5844-5849.

[6]GUILFOYLE T J， HAGEN G.Auxin response factors [J].Curr Opin Plant Biol， 2007， 10： 453-460.

[7]HAGEN G， GUILFOYLE T.Auxin-responsive gene expression： genes， promoters and regulatory factors [J].Plant Mol Biol， 2002， 49： 373-385.

[8]UDAYA C， STEPHEN P， AMY M.Genome-wide analysis of Aux/IAA and ARF gene families in Populus trichocarpa[J].BMC Plant Biol， 2007， 7： 59.

[9]WANG Dekai， PEI Kemei， FU Yaping， et al.Genome-wide analysis of auxin response factors （ARF） gene family in rice （Oryza sativa） [J].Gene， 2007， 394： 13-24.

[10]江海洋，魏巍，刘艳，等.高粱生长素反应因子（ARF）基因的全基因组分析与进化研究[J].安徽农业大学学报， 2010， 37 （3）： 395-400.JIANG Haiyang， WEI Wei， LIU Yan， et al.Genome-wide analysis and evolution of the auxin response factor（ARF） gene family in Sorghum bicolor [J].J Anhui Agric Univ， 2010， 37 （3）： 395-400.

[11]TEROL J， DOMINGO C， TALON M.The GE3 family in plants： genome wide analysis in rice and evolutionary history based on EST analysis [J].Gene， 2006， 371： 279-290.

[12]LIU Yan， JIANG Haiyang， CHEN Wenjuan， et al.Genome-wide analysis of the auxin response factor（ARF） gene family in maize （Zea mays） [J].Plant Growth Regul， 2011， 63： 225-234.

[13]RAHUL K， AKHILESH K T， ARUN K S.Genome-wide analysis of auxin response factor （ARF） gene family from tomato and analysis of their role in fower and fruit development[J].Mol Genet Genomics， 2011， 285： 245-260.

[14]LISCUM E， REED J W.Genetics of Aux/IAA and ARF action in plant growth and development [J].Plant Mol Biol，2002， 49： 387-402.

[15]SONG Yaling， YOU Jun， XIONG Lizhong.Characterization of OsIAA1 gene， a member of rice Aux/IAA family involved in auxin and brassinosteroid hormone responses and plant morphogenesis [J].Plant Mol Biol， 2009， 70： 297-309.

[16]WOODWARD A W， BARTEL B.A receptor for auxin [J].Plant Cell， 2005， 17 （9）： 2425-2429.

[17]GUILFOYLE T.Plant biology： sticking with auxin [J].Nature， 2007， 446 （7136）： 621-622.

[18]OKUSHIMA Y， OVERVOORDE P J， ARIMA K， et al.Functional genomic analysis of the AUXIN RESPONSE FACTOR gene family members in Arabidopsis thaliana： unique and overlapping functions of ARF7 and ARF19 [J].Plant Cell， 2005， 17 （2）： 444-463.

[19]WILMOTH J C， WANG S C， TIWARI S B， et al.NPH4/ARF7 and ARF19 promote leaf expansion and auxin-induced lateral root formation [J].Plant， 2005， 43 （1）： 118-130.

[20]ELLIS C M， NAGPAL P， YOUNG J C， et al.AUXIN RESPONSE FACTOR1 and AUXIN RESPONSE FACTOR2 regulate senescence and floral organ abscission in Arabidopsis thaliana [J].Development， 2005， 132（20）： 4563-4574.

[21]HARDTKE C S， BERLETH T.The Arabidopsis gene MONOPTEROS encodes a transcription factor mediating embryo axis formation and vascular development[J].EMBO J， 1998， 17 （5）： 1405-1411.

[22]WENZEL C L， SCHUETZ M， YU Q， et al.Dynamics of MONOPTEROS and PIN-FORMED1 expression during leaf vein pattern formation in Arabidopsis thaliana [J].Plant， 2007， 49 （3）： 387-398.

[23]NAGPAL P， ELLIS C M， WEBER H， et al.Auxin response factors ARF6 and ARF8 promote jasmonic acid production and flower maturation [J].Development， 2005， 132 （18）： 4107-4118.

[24]SESSIONS R A， ZAMBRYSKI P C.Arabidopsis gynoecium structure in the wild and in ettin mutants [J].Development，1995， 121 （5）： 1519-1532.

[25]LISCUM E， BRIGGS W R.Mutations in the NPH1 locus of Arabidopsis disrupt the perception of phototropic stimuli[J].Plant Cell， 1995， 7 （4）： 473-485.

[26]STOWE-EVANS E L， HARPER R M， MOTCHOULSKI A V， et al.NPH4， a conditional modulator of auxin-dependent differential growth responses in Arabidopsis [J].Plant Physiol， 1998， 118 （4）： 1265-1275.

[27]HARPER R M， STOWE-EVANS E L， LUESSE D R， et al.The NPH4 locus encodes the auxin response factor ARF7， a conditional regulator of differential growth in aerial Arabidopsis tissue [J].Plant Cell， 2000， 12 （5）： 757-770.

[28]GOETZ M， SMITH A V， JOHNSON S D， et al.AUXIN RESPONSE FACTOR8 is a negative regulator of fruit initi-ation in Arabidopsis [J].Plant Cell， 2006， 18 （8）： 1873-1886.

[29]PRZEMECK G K， MATTSSON J， HARDTKE C S， et al.Studies on the role of the Arabidopsis gene MONOPTEROS in vascular development and plant cell axialization [J].Planta， 1996， 200 （2）： 229-237.

[30]HARMER S E， ORFORD S J， TIMMIS J N.Characterisation of six alpha-expansin genes in Gossypium hirsutum（upland cotton） [J].Mol Genet Genomics， 2002， 268 （1）： 1-9.

[31]HARDTKE C S， CKURSHUMOVA W， VIDAURRE D P， et al.Overlapping and non-redundant functions of the Arabidopsis auxin response factors MONOPTEROS and NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 4 [J].Development， 2004，131 （5）： 1089-1100.

[32]TIAN C E， MUTO H， HIGUCHI K， et al.Disruption and overexpression of auxin response factor 8 gene of Arabidopsis affect hypocotyl elongation and root growth habit，indicating its possible involvement in auxin homeostasis in light condition [J].The Plant J， 2004， 40： 333-343.

[33]LI Jisheng， DAI Xinhua， ZHAO Yunde.A role for auxin response factor 19 in auxin and ethylene signaling in Arabidopsis [J].Plant Physiol， 2006， 140 （3）： 899-908.

[34]XING H， PUDAKE R N， GUO G， et al.Genome-wide identification and expression profiling of auxin response factor （ARF） gene family in maize [J].BMC Genomics， 2011， 12： 178.

[35]WALLER F， FURUYA M， NICK P.OsARF1， an auxin response factor from rice， is auxin-regulated and classifies as a primary auxin responsive gene [J].Plant Mol Biol， 2002， 50 （3）： 415-425.

[36]MALLORY A C， BARTEL D P， BARTEL B.MicroRNA-directed regulation of Arabidopsis AUXIN RESPONSE FACTOR 17 is early auxin response genes [J].Plant Cell， 2005， 17 （5）： 1360-1375.[ 37]AXTELL M J， BARTEL D P.Antiquity of microRNAs and their targets in land plants [J].Plant Cell，2005， 17 （6）： 1658-1673.

[38]WANG Jiawei， WANG Lingjian， MAO Yingbo， et al.Control of root cap formation by MicroRNA-targeted auxin response factors in Arabidopsis [J].Plant Cell， 2005， 17 （8）： 2204-2216.

[39]WU Minfeng， TIAN Qing， REED J W.Arabidopsis microRNA167 controls patterns of ARF6 and ARF8 expression，and regulates both female and male reproduction [J].Development， 2006， 133 （21）： 4211-4218.

[40]WILLIAMS L， CARLES C C， OSMONT K S， et al.A database analysis method identifies an endogenous trans-acting short-interfering RNA that targets the Arabidopsis ARF2， ARF3， and ARF4 genes [J].Proc Nat Acad Sci USA，2005， 102 （27）： 9703-9708.

[41]ALLEN E， XIE Z， GUSTAFSON A M， et al.microRNA-directed phasing during trans-acting siRNA biogenesis in plants [J].Cell， 2005， 121 （2）： 207-221.

[42]FAHLGREN N， MONTGOMERY T A， HOWELL M D， et al.Regulation of AUXIN RESPONSE FACTOR3 by TAS3 ta-siRNA affects developmental timing and patterning in Arabidopsis [J].Curr Biol， 2006， 16 （9）： 939-944.