番茄是一種重要的園藝作物，也是研究光形態(tài)建成的一種模式植物。目前設施栽培是我國番茄栽培的主要形式。設施栽培中光照對壯苗和番茄品質等具有重要影響。紫外光UV-B（280~315 nm）是太陽光中的一個有機組成部分。低劑量的UV-B作為一種環(huán)境信號被植物光受體UVR8蛋白感知，通過光信號轉導，調控植物的生長發(fā)育、次生代謝和對環(huán)境逆境的適應性（Yin and Ulm, 2017; Liang et al., 2019; Podolec et al., 2021）。而強UV-B能夠破壞植物細胞內的蛋白質和DNA等生物大分子，引起逆境脅迫反應（Shi and Liu, 2021）。光受體UVR8的突變體在模擬自然環(huán)境條件下的生長發(fā)育表現較野生型差，表明了UVR8介導的光信號通路對與植物適應環(huán)境具有重要的作用 （Favory et al., 2009）。研究發(fā)現光受體UVR8通過調控大量基因轉錄表達變化行使其生理學功能（Qian et al., 2020）。在UVR8信號通路上目前已經發(fā)現多個轉錄因子參與基因表達調控，其中轉錄因子HY5具有非常重要的作用（Brown et al., 2005）。然而紫外光如何激活HY5基因轉錄以及HY5轉錄動態(tài)變化的調控機理都不十分清楚。

 

　　2022年2月21日，上海交通大學農業(yè)與生物學院尹若賀課題組在The Plant Cell雜志發(fā)表了題為“Activation and negative feedback regulation of SlHY5 transcription by the SlBBX20/21–SlHY5 transcription factor module in UV-B signaling”的研究論文，揭示了在紫外光UV-B的處理下，番茄轉錄因子模塊BBX20/21-HY5激活HY5基因轉錄，而過量積累的HY5蛋白抑制自身基因轉錄，形成自身負反饋環(huán)，維持體內HY5的水平，調節(jié)番茄的光形態(tài)建成（Yang et al., 2022）。

 

　　前人研究發(fā)現HY5蛋白是光信號激活HY5基因表達所必不可少的一個元件（Binkert et al., 2014）。然而HY5蛋白缺少轉錄激活結構域，尚需要未知的輔助蛋白協(xié)同轉錄激活靶基因。在該研究中，研究人員發(fā)現在番茄bbx20 bbx21雙突變以及hy5單突變體內紫外光激活HY5基因表達的能力顯著下降。通過遺傳和生化實驗證明轉錄因子BBX20/BBX21和HY5相互作用，以相互依賴的方式激活HY5基因轉錄。然而在過表達BBX20或BBX21的番茄材料中，紫外光激活HY5基因表達能力反而較野生型明顯下降，暗示存在一個負反饋調控機制。通過一系列蛋白-DNA結合實驗，發(fā)現轉錄因子BBX20/21和HY5都結合在HY5基因啟動子的同一個順式作用元件上。在體外，HY5比BBX20蛋白具有更強結合HY5基因啟動子的能力，在番茄體內紫外光處理引起HY5在自身基因啟動子上進一步富集，并抑制BBX20蛋白與HY5啟動子的結合。最后，在野生型AC（Ailsa Craig）番茄背景下過表達外源HY5能夠顯著抑制內源HY5的轉錄水平。通過這些主要實驗證實了轉錄因子模塊BBX20/21–HY5轉錄激活HY5，而過量積累的HY5蛋白通過和其協(xié)同作用蛋白BBX20/21競爭結合自身基因啟動子，抑制HY5基因轉錄，形成一個自身負反饋調控環(huán)，從而維持適當的HY5表達水平（圖一）。對野生型番茄進行不同時間長度的紫外光處理，發(fā)現HY5的轉錄水平確實是被紫外光瞬時激活，然后快速降低，表明HY5的自身負反饋調控具有重要的生理學意義。

 

　　實驗室在前期研究中發(fā)現光受體UVR8能夠在紫外光的處理下激活RUP基因（擬南芥RUP1/2的同源基因）的轉錄表達，而RUP通過調控光受體UVR8的二體/單體構象變化，抑制光受體的功能，形成另外一個負反饋調控環(huán)（Zhang et al., 2021）。在本研究中，利用番茄rup突變體，研究人員發(fā)現RUP負調控環(huán)只在早期抑制HY5的轉錄表達，而后期的負調控主要由HY5蛋白自身調節(jié)。因此，在光受體UVR8信號通路上存在至少兩個不同的負反饋環(huán)，分別在光信號轉導的早期和晚期發(fā)揮作用，平衡植物對紫外光UV-B的響應（圖一）。

 

　　圖一、轉錄因子模塊BBX20/21-HY5激活并反饋抑制HY5基因轉錄的模式圖。

 

　　綜上，該研究以園藝作物番茄為材料系統(tǒng)深入地解析了紫外光瞬時誘導HY5轉錄的調控機制，進一步拓展了UV-B轉錄調控網絡，為設施園藝植物響應光環(huán)境信號提供了新的理論支撐。上海交通大學博士后楊國騫為論文第一作者，尹若賀副教授為論文通訊作者。實驗室助理研究員林麗博士、張春麗博士，博士后方芳，已畢業(yè)碩士研究生董華茜、劉小瑞等都做出了重要貢獻。該研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海交通大學致遠學者等項目資助。

 

　　參考文獻：

 

　　1. Binkert, M., Kozma-Bognar, L., Terecskei, K., De Veylder, L., Nagy, F., and Ulm, R. （2014）。 UV-B-responsive association of the Arabidopsis bZIP transcription factor ELonGATED HYPOCOTYL5 with target genes, including its own promoter. Plant Cell 26, 4200-4213.

 

　　2. Brown, B.A., Cloix, C., Jiang, G.H., Kaiserli, E., Herzyk, P., Kliebenstein, D.J., and Jenkins, G.I. （2005）。 A UV-B-specific signaling component orchestrates plant UV protection. Proc Natl Acad Sci U S A 102, 18225-18230.

 

　　3. Favory, J.J., Stec, A., Gruber, H., Rizzini, L., Oravecz, A., Funk, M., Albert, A., Cloix, C., Jenkins, G.I., Oakeley, E.J., Seidlitz, H.K., Nagy, F., and Ulm, R. （2009）。 Interaction of COP1 and UVR8 regulates UV-B-induced photomorphogenesis and stress acclimation in Arabidopsis. EMBO J 28, 591-601.

 

　　4. Liang, T., Yang, Y., and Liu, H. （2019）。 Signal transduction mediated by the plant UV-B photoreceptor UVR8. New Phytol 221, 1247-1252.

 

　　5. Podolec, R., Demarsy, E., and Ulm, R. （2021）。 Perception and Signaling of Ultraviolet-B Radiation in Plants. Annu Rev Plant Biol 72, 793-822.

 

　　6. Qian, C., Chen, Z., Liu, Q., Mao, W., Chen, Y., Tian, W., Liu, Y., Han, J., Ouyang, X., and Huang, X. （2020）。 Coordinated Transcriptional Regulation by the UV-B Photoreceptor and Multiple Transcription Factors for Plant UV-B Responses. Mol Plant 13, 777-792.

 

　　7. Shi, C., and Liu, H.T. （2021）。 How plants protect themselves from ultraviolet-B radiation stress. Plant Physiol 187, 8.

 

　　8. Yang, G., Zhang, C., Dong, H., Liu, X., Guo, H., Tong, B., Fang, F., Zhao, Y., Yu, Y., Liu, Y., Lin, L., and Yin, R. （2022）。 Activation and negative feedback regulation of SlHY5 transcription by the SlBBX20/21–SlHY5 transcription factor module in UV-B signaling. The Plant Cell 10.1093/plcell/koac064.

 

　　9.Yin, R., and Ulm, R. （2017）。 How plants cope with UV-B: from perception to response. Curr Opin Plant Biol 37, 42-48.

 

　　10.Zhang, C.L., Zhang, Q.W., Guo, H.Y., Yu, X.H., Liang, W.J., Chen, Y.H., Yin, R.H., and Lin, L. （2021）。 Tomato SlRUP is a negative regulator of UV-B photomorphogenesis. Molecular Horticulture 1.