温度形态建成信号转导通路研究进展

付祥 韩俊艳 王昕

摘要 在非逆境高温中，高等植物会发生一系列的形态变化以适应这种环境条件，这种变化被称为温度形态建成。研究温度形态建成的分子机制可为抗热育种提供理论依据，在全球变暖的大背景下该领域的研究就显得尤为重要。高等植物已經进化出一套较为复杂的温度形态建成信号转导通路，以帮助植物对高温做出正确的响应。综述了温度形态建成上游信号转导通路的分子机制，并探讨了未来的研究方向。

关键词 温度形态建成;phyB;COP1;PIF4;HY5

Abstract In nonstress high temperature，higher plants will undergo a series of morphological changes to adapt to such environmental conditions，which is called thermomorphogenesis.The study of thermomorphogenesis molecular mechanism can provide theoretical basis for heatresistant breeding，which is particularly important in the context of global warming.Higher plants have evolved a complex set of signal transduction pathway of thermomoerphogenesis for correctly responding to high temperature.In this paper，the molecular mechanism of upstream signal transduction pathway of thermomoerphogenesis was reviewed，and the future research direction was also discussed.

Key words Thermomorphogenesis;phyB;COP1;PIF4;HY5

在人类1万多年的耕作历史中气温一直相当稳定，处于当前水平或比现在略微低一些，植物也非常适应这种气候模式。然而随着全球变暖的持续加剧，这一气候模式正发生着显著的改变。气候专家表示，全球平均气温在21世纪可能升高0.8～4.8  ℃[1]，这会使全球农作物面临严重的减产威胁[2-5]。一项分析总结了1 700多项关于气候变化和适应性对农作物产量影响的研究，结果显示在21世纪下半叶，气候变暖可能会对重要主食作物的产量产生负面影响[3]。

研究表明，培育作物水平的热适应性可能逆转这一负面趋势[2-5]。在许多植物物种中，已经进化出了适应温度升高的生长发育机制。温度形态建成就是植物的一种适应温度升高的生长发育机制，是指在温和高温范围内，植物所发生的全部有利于适应高温环境条件的形态变化。温和高温是指高于正常生长温度且低于胁迫生长温度的温度范围。在幼苗期温度形态建成的主要表现为下胚轴伸长生长和子叶叶柄伸长及偏下性生长。下胚轴伸长使敏感的分生组织和光合活性组织远离吸热的土壤，同时也使这2部分更好地进入空气流动性更强的环境中，从而实现更好的冷却效果[6]。对温度形态建成分子机制的研究，将为农作物抗热育种提供理论指导和育种线索。鉴于此，笔者分析了前人对温度形态建成上游信号转导通路的研究成果，并探讨了此领域未来可能的研究方向。

1 phyB温度受体

1.1 phyB参与调控温度形态建成 phytochrome B （phyB）是一种典型的光受体，以2种可以相互转化的形式存在：一种是远红光吸收型Pfr（生理活性状态），一种是红光吸收型Pr（钝化状态）。红光或白光照射可使Pr转变为Pfr，抑制使下胚轴伸长;远红光照射或黑暗生长条件下Pfr转变为Pr，促进下胚轴伸长。

目前的研究发现，phyB不但是一种光受体，同时还是一种温度受体[7-8]。phyB 功能缺失型突变体phyB-1与phyabcde具有组成型温度形态建成表型，在22 ℃条件下下胚轴依然剧烈伸长[7]。为了检验phyB-1与phyabcde的组成型温度形态建成表型是由生长调节紊乱造成的，还是由温度形态建成信号转导途径影响造成的，有研究者使用了转录组分析实验来回答这一问题[7]。试验使用phyabcde五突变体和YHB植物（这种植物中phyB被组成性激活，phyB被锁定在Pfr活性状态之中），检测了这2种植物在温度形态建成中与野生型的基因表达差异。结果显示，在高温激活的野生型拟南芥基因中，有大量基因在常温生长的phyabcde中被激活;在常温抑制的野生型拟南芥基因中，有大量基因在高温生长的YHB中被抑制[7]，这说明phyB-1与phyabcde的组成型温度形态建成表型是由温度形态建成信号转导通路受到影响造成的。染色质免疫共沉淀试验证明，phyB能够与温度形态建成调控基因启动子区结合，并且温度升高会降低结合强度和被结合基因的数目[7]。phyB与高温诱导基因ATHB2的启动子区结合，并且结合区域与PIF1/3/4/5的结合区域重合[7]。因为phyB不具备DNA结合序列，转录因子PIFs能够与phyB相互作用，并且PIFs中的PIF4/5参与温度形态建成，所以phyB与温度调控基因启动子区的结合很可能是通过PIF4/5招募来实现的[7]。结合到靶基因的启动子区后，phyB可能通过介导PIF4/5降解和将某些转录因子的转录激活活性转变为转录抑制活性，来抑制植物的温度形态建成[7]。

1.2 phyB对温度的应答 与光类似，温度也能够使phyB在Pfr和Pr之间进行可逆转换，这说明phyB具有响应温度的能力[7-8]。温度的提升能够使phyB由生理活性状态Pfr转变为非生理活性状态Pr，并且这种转化既可以在黑暗中进行，也可以在光照下进行[7-8]。虽然温度提升和光照对phyB存在状态的影响是相反的，但是在光照条件下温度提升依然能够将Pfr转变为Pr[8]。

综上所述，温度受体phyB执行功能的分子机制可能如下：温度降低时，phyB由钝化状态Pr向活性状态Pfr转化，在转录因子PIF4/5的招募作用下结合到高温诱导基因的启动子区，并发挥转录抑制作用，植物的温度形态建成受到抑制;温度升高时，phyB由活性状态Pfr向钝化状态Pr转化，并从高温诱导基因启动子区脱落，phyB介导的转录抑制减弱，从而促进植物的温度形态建成。

2 COP1与温度形态建成

2.1 COP1参与调控温度形态建成 COP1是一种非常重要的光形态建成负向调控因子，处于拟南芥光信号转导途径的中心位置，具有诱导光形态建成正向调控因子降解的功能。研究发现COP1突变体cop1-4丧失了高温诱导的下胚轴伸长，这说明COP1温度形态建成中的正向调控因子[9]。为了解析COP1在温度形态建成中是如何发挥作用的，应研究COP1是如何响应温度变化的，以及响应温度变化以后COP1是如何将温度信号向下游传递的。

2.2 COP1对温度变化的应答 COP1的基因表达和蛋白质丰度都不受温度变化的影响[9]。但是前人的研究表明，多种环境条件的变化能够改变COP1的核质分布[10-11]。温度也通过这种方式对COP1施加影响，即高温能够促进COP1的入核，提高COP1在细胞核中的丰度[9]。转录因子HY5是COP1的底物，而且也在温度形态建成中发挥着重要作用[12]。所以在温度形态建成过程中，HY5很有可能也是COP1的底物。研究表明，温度升高加快了HY5的降解，并且此过程受到COP1的调控[12]。此外，COP1入核后还能促进另外一种温度形态建成调控因子PIF4的积累，使PIF4蛋白质更加稳定[13]，但是精确的分子机制目前尚不清楚。

综上所述，COP1执行功能的分子机制可能如下：温度升高时细胞质中的COP1向细胞核中转移，细胞核中的COP1丰度上升，这样COP1在核中降解HY5蛋白以及促進PIF4蛋白积累的能力和强度得到了提升，从而促进了温度形态建成的进行。

3 PIF4与温度形态建成

3.1 PIF4参与调控温度形态建成 PHYTOCHROME-INTERACTI-NG FACTORs（PIFs）是光信号转导途径中的负向调控因子，定位于细胞核，是一种bHLH转录因子，在黑暗中抑制光形态建成。目前发现的PIF共有6个，分别为PIF1、PIF3、PIF4、PIF5、PIF6、PIF7。在这6种PIFs转录因子中，PIF4和PIF5参与了温度形态建成，并且互为冗余基因，其中PIF4占据优势地位并执行主要功能[13]。PIF4是温度形态建成中的正向调控因子，pif4突变体不具备野生型高温诱导的下胚轴伸长表型[13]。

3.2 PIF4通过调控植物激素来发挥功能 PIF4在温度信号转导途径途径中的靶标主要是植物激素合成和信号转导基因[3]。生长素和生长素信号转导途径是PIF4介导的下胚轴伸长温度形态建成现象的必要组成部分[6，14-16]。当环境温度上升时，拟南芥地上部分的自由生长素水平上升[6，14-15]。研究表明，这种上升可能是温度升高促进了PIF4与靶标启动子的结合，从而提高了生长素合成基因的表达量，这些基因包括YUCCA 8 （YUC8）、CYTOCHROME P450 FAMILY79B （CYP79B）和TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS 1 （TAA1）[14-15]。与此研究结果相对应，pif4突变体的自由生长素水平并未随着环境温度的升高而升高[6，14-15]。

除了生长素，油菜素内脂（brassinosteroids，BR）和赤霉素（gibberellins，GA）也在高温诱导的下胚轴伸长生长中发挥重要的功能[6，13，16-21]。例如，BR信号转导途径中的转录因子BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）通过与PIF4的直接相互作用参与了高温诱导的下胚轴伸长生长[17]。而且，BR生物合成突变体det2-1展现出了温度形态建成应答缺失的表型[6]，抑制BR信号转导途径的药物处理也能够抑制温度形态建成反应[16]。前人的研究表明，IAA与BR在分子层面协同发挥功能，这一模式在温度形态建成中也有所体现。被高度激活的BR信号转导途径，可以使幼苗对高温诱导的生长素水平提升更加敏感[16]，这种现象可能是通过对转录因子活性的调控实现的[22]。

在光信号转导途径中，GA的存在导致抑制PIF活性的DELLA蛋白降解[23-24]。温度的升高会使拟南芥中主要的GA生物合成基因AtGA20ox1 和AtGA3ox1转录本丰度快速上升，会使主要的GA分解基因 AtGA2ox1转录本丰度快速下降[16]。而且，GA生物合成途径及GA信号转导途径的突变体都出现了温度形态建成反应异常的现象[16]。这些结果说明，GA生物合成途径和GA信号转导途径都是温度形态建成反应正常进行所必需的。

4 温度形态建成研究领域有待解决的问题

目前，距离完全解析温度形态建成调控机制还有一段距离，这一领域仍有很多悬而未决的问题有待解决。

第一，温度形态建成信号转导途径中很可能还有许多仍未被发现的调控因子。温度形态建成过程中依然有很多尚未被阐明分子机理的生理现象，使用目前已发现的调控因子无法给出满意的解释。这就需要我们去寻找新的调控因子来填补这些空白。

第二，已被鉴定的温度形态建成调控因子之间的关系还有待研究。例如，PIF4与温度受体phyB的关系已被初步阐明[7]，但是温度信号是如何传递到COP1的目前还不清楚。在光信号转导途径中多种光受体能够将光信号传递给COP1，可以根据此思路来寻找这一问题的答案。

第三，与温度形态建成相互冲突的信号转导途径是如何与其整合在一起的。以温度形态建成和光形态建成为例，在29 ℃光照条件下拟南芥进行温度形态建成，下胚轴伸长被促进;同时，还要进行光形态建成，下胚轴伸长被抑制。这2种形态建成策略就出现了矛盾，会给植物发出完全相反的调控信号。该研究所阐述的phyB、COP1、PIF4和HY5就都是被温光信号互逆调控的重要因子。在短日照培养条件下，植物一般会避开光照在黑暗中进行下胚轴的生长，以此方式解决这一矛盾。在持续光照培养条件下，如果光强较低拟南芥还能够促进下胚轴伸长;如果光强较高则基本不能促进下胚轴的伸长。虽然科学家们对这一现象已经进行了一定的研究，但是对于植物解决这种矛盾的分子机制目前还不太清楚。

研究溫度形态建成的信号转导通路既有重要的理论意义，也有重大的应用潜力。因此，深入解析温度形态建成的分子机制将会得到越来越多科学家的关注，并且其重要性也会稳步上升。

参考文献

[1] IPCC.Climate change 2013：The physical science basis[C]//STOCKER T F，QIN D，PLATTNER G K，et al.Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovemental panel on climate change.Cambrideg：Cambridge Univ Press，2013.

[2] BITA C，GERATS T.Plant tolerance to high temperature in a changing environment： Scientific fundamentals and production of heat stress tolerant crops[J].Frontiers in plant science，2013，4：1-18.

[3] CHALLINOR A J，WATSON J，LOBELL D B，et al.A metaanalysis of crop yield under climate change and adaptation[J].Nature Clim Change，2014，4：287-291.

[4] BATTISTI D S，NAYLOR R L.Historical warnings of future food insecurity with unprecedented seasonal heat[J].Science，2009，323：240-244.

[5] LOBELL  D B，GOURDJI S M.The influence of climate change on global crop pr-oductivity[J].Plant Physiol，2012，160：1686-1697.

[6] GRAY W M，STIN A，SANDBERG G，et al.High temperature promotes auxin-mediated hypocotyl elongation in Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci USA，1998，95：7197-7202.

[7] JUNG J H，DOMIJAN M，BISWAS S，et al.Phytochromes function as thermosensors in Arabidopsis[J].Science，2016，354（6314）：886-889.

[8] LEGRIS M，KLOSE C，ROJAS C C，et al.Phytochrome B integrates light and temperature signals in Arabidopsis[J].Science，2016，354（6314）：897-900.

[9] PARK Y J，LEE H J，HA J H，et al.COP1 conveys warm temperature information to hypocotyl thermomorphogenesis[J].New phytologist，2017，215（1）：269-280.

[10] CATAL R，MEDINA J，SALINAS J.Integration of low temperature and light signalingduring cold acclimation response in Arabidopsis[J].Proc Natl Acad Sci USA，2011，108：16475-16480.

[11] YU Y W，WANG J，ZHANG Z J，et al.Ethylene promotes hypocotyl growth and HY5 degr-adation by enhancing the movement of COP1 to the nucleus in the light[J].PLoS Genet，2013，9（12）：1-13.

[12] GANGAPPA S N，VINOD KUMAR S.DET1 and HY5 control PIF4mediated therm-osensory elongation growth through distinct mechanisms[J].Cell reports，2017，18（2）：344-351.

[13] KOINI M A，ALVEY L，ALLEN T，et al.High temperaturemediated adaptations in plant architecture require the bHLH transcription factor PIF4[J].Curr Biol，2009，19（5）：408-413.

[14] FRANKLIN  K A，LEE S H，PATEL D，et al.PhytochromeInteracting Factor 4 （PIF4） regulates auxin biosynthesis at high temperature[J].Proc Natl Acad Sci USA，2011，108：20231-20235.

[15] SUN J Q，QI L L，LI Y N，et al.PIF4mediated activation of YUCCA8 expression integrates temperature into the auxin pathway in regulating Arabidopsis hypocotyl growth[J].PLoS Genet，2012，8： 20231-20235.

[16] STAVANG J A，GALLEGOBARTOLOM J，GMEZ M D，et al.Hormonal regulation of temperatureinduced growth in Arabidopsis[J].Plant J，2009，60（4）：589-601.

[17] OH E，ZHU J Y，WANG Z Y.Interaction between BZR1 and PIF4 integrates brassinosteroid and environmental responses[J].Nature Cell Biol，2012，14：802-809.

[18] OH E，ZHU J Y，BAI M Y，et al.Cell elongation is regulated through a central circuit of interacting transcription factors in the Arabidopsis hypocotyl[J].eLife，2014，3：1-19.

[19] HAO Y Q，OH E，CHOI G，et al.Interactions between HLH and bHLH factors modulate lightregulated plant development[J].Mol Plant，2012，5：688-697.

[20] BAI M Y，SHANG J X，OH E，et al.Brassinosteroid，gibberellin and phytochrome impinge on a common transcription module in Arabidopsis[J].Nature Cell Biol，2012，14：810-817.

[21] WANG W F，BAI M Y，WANG Z Y.The brassinosteroid signaling networka paradigm of signal integration[J].Curr Opin Plant Biol，2014，21：147-153.

[22] QUINT M，DELKER C，FRANKLIN K A，et al.Molecular and genetic control of plant thermomorphogenesis[J].Nature plants，2016，2：15190.

[23] DE LUCAS M，DAVIERE J M，RODRGUEZFALCN M，et al.A molecular framework for light and gibberellin control of cell elongation[J].Nature，2008，451：480-484.

[24] FENG S H，MARTINEZ C，GUSMAROLI G，et al.Coordinated regulation of Arabidopsis thaliana development by light and gibberellins[J].Nature，2008，451：475-479.