综述 | 西班牙植物分子细胞研究所: 植物赤霉素信号与代谢的起源与进化
编译：寒江雪，编辑：十九、江舜尧。
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论文ID
原名：Origin and evolution of gibberellin signaling and metabolism in plants
译名：植物赤霉素信号与代谢的起源与进化
期刊：Seminars in Cell & Developmental Biology
IF：5.46
发表时间：2020.4
通讯作者：Miguel A. Blázquez
通讯作者单位：西班牙植物分子细胞研究所
DOI：10.1016/j.semcdb.2020.04.009
主要内容
1前言
所有生物的进化都是为了在不断变化的环境中生存，在营养稀缺、捕食者和疾病的情况下茁壮成长。对于植物来说，克服恶劣环境尤其困难，因为它们是固着生物，一旦它们在特定的位置固定下来，就只能适应周围的环境。为此，它们利用错综复杂的信号网络来响应环境。植物激素是网络一部分，是一种调节发育过程和生理反应的分子信号。赤霉素(GA)对环境适应特别重要，因为它们的新陈代谢依赖于外界条件，而且它们参与的功能在植物的生命周期中广泛存在。除了众所周知的通过细胞扩张和分裂促进植物生长外，赤霉素在整个植物生命周期中调节许多发育过程，如种子萌发，光形态建成，开花，雄性育性和坐果。还响应重力，光或温度等不同的环境刺激。此外，GA水平影响对活性氧、盐或冷引起的非生物胁迫以及病原体引起的生物胁迫的防御。虽然这些功能大部分是被子植物、单子叶植物和裸子植物所共有的，但也有一些是某些植物门所特有的。比如它们可以调控蕨类植物的性别决定，或结瘤和丛枝菌根的联合。在这篇综述中，研究人员讨论了GA的进化史，从它们的生物合成到信号通路的组成，以了解支持它们在植物生活中普遍作用的原则。
1.1新陈代谢介绍
作为二萜类化合物，赤霉素来源于类异戊二烯的生物合成途径（图1）。在大多数陆地植物中，GA是由甲基赤藓糖醇4-磷酸(MEP)途径形成的，一种质体特异性的类异戊二烯合成途径。第一步是在原生质体中通过反式牻牛儿基牻牛儿基焦磷酸（GGPP）合成ent-Kaurene。在种子植物中，两个单功能的二萜环化酶（DTC），对苯二甲酰二磷酸合成酶（CPS）和ent-Kaurene合成酶，在连续的环合反应中，从GGPP生产对位二磷酸酯(ent-CPP)，然后再生成ent-Kaurene。被质体膜结合的P450双加氧酶和内质网结合的P450双加氧酶氧化，依次生产GA12。氧化作用将ent-Kaurene环转化为所有GA共有的赤霉素环。随后在细胞质中，通过依赖于2-氧戊二酸的双加氧酶（2-OGD），即GA20ox和GA3ox的作用形成生物活性GA。这些酶通过氧化将C20赤霉素骨架转化为C19GA。第三种类型的2-OGD，GA13ox，作用于胞浆途径，产生替代的13-羟基化-GA途径。
生物活性GA可以被第四种类型的2-OGD，GA2ox灭活。不同的GA2ox可以在GA生物合成的早期步骤中起作用，以耗尽生物活性GA的底物，而GA2ox作用于C19-GA骨架是GA失活的主要途径。一些修饰如甲基化可以可逆的使GA失活。
在被子植物中，GA的生物合成受到内源和环境因子的调控。大部分是在转录水平上的调控，目前对于翻译后的调节机制尚不清楚。负责GA生物合成的几个步骤的基因是受发育调控的，而环境信号和内源反馈反应通常针对2-OGD基因。在拟南芥中，已经报道了不同的GA20ox和GA3ox基因的复杂调控模式，其中一些诱导使GA水平下降，并在胁迫条件下被抑制。
1.2 GA信号介绍
GA信号通路由受体识别活性GA分子而触发的转录调节因子的降解组成（图2）。GA受体由GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1（GID1）编码，它是一种存在于细胞核和细胞质中的可溶性蛋白，由一个带有GA结合口袋的C-末端结构域和一个结构灵活的N-末端延伸(N-ex)组成。当生物活性GA绑定C端袋时，引起结构变化，N-ex折叠在C-端上，像盖子一样覆盖口袋，并露出新的表面，与DELLA基因编码的转录调节因子相互作用。DELLA是一种可溶性核蛋白，属于转录调节因子GRAS家族。DELLA亚家族的特征是具有与其他GRAS蛋白相同的C-末端结构域，以及包含保守基序DELLA、LEQLE和TVHYNP的N-末端结构域，这些基序可被GID1识别。GA-GID1和DELLA之间的这种物理相互作用促进了与特定F-box蛋白的相互作用，SCF泛素E3连接酶复合物的募集以及26S蛋白酶体随后的降解。
DELLA的稳定性主要受GA水平的调节，也受其他环境因素的影响。GID1基因的表达受生物钟的控制，DELLA的稳定性也受到某些翻译后修饰的调节（PTMs），DELLA的磷酸化使其对蛋白水解具有抵抗力，而去磷酸化则促进它们的降解。
从作用机制分析，这些DELLA-TF相互作用可以分为三组：（1）导致TF隔离，削弱其与靶启动子的结合。（2）将DELLA募集到靶启动子，其中DELLA充当转录共激活因子。（3）间接影响TF活性的与其他非DNA结合转录调控因子的相互作用。
除了TF，DELLA还可以在细胞核内与其他涉及细胞生理不同方面的调节因子相互作用。DELLA与染色质重塑机制的组件相互作用，如PICKLE或SWI3C，或将伴侣素预折叠蛋白保留在细胞核内，最终损害微管蛋白折叠和细胞伸长。
总而言之，目前对GA和DELLA功能的看法是，它们将环境信息传递给多个转录回路，通过优化和协调植物反应来促进适应。环境信号将通过GA代谢进行整合，而GA-GID1感知模块将通过其N-末端结构域控制DELLA水平，而C-末端GRAS结构域将与TF以及可能的其他核调节因子相互作用。但是生物活性GA，或真正的GID1受体并不存在于所有的植物谱系中（图3），因此提出了GA代谢和信号是如何出现和进化的问题。
2赤霉素代谢的研究进展
赤霉素的生物合成可以分为三个阶段。（1）CPS和KS连续作用下GGPP环合成ent-CPP和ent-Kaurene。（2）细胞色素P450(CYP)单加氧酶氧化生成ent-KA和GA12。（3）由2-OGD家族进一步氧化形成生物活性GA。前两个在所有陆地植物中是保守的，但2-OGD催化胞液氧化是维管植物所特有的（图4）。
事实上，CPS和KS可能起源于细菌的DTC前体，通过水平基因转移到陆地植物，因为绿藻不包含编码相似蛋白的基因（图3）。苔藓中，CPS/KS产生的内源ent-Kaurene与发育相关。在种子植物中，参与这些步骤的酶活性是由独立但密切相关的酶CPS和KS执行的。其他植物中，特异性化合物通过DTC依赖的环化作用来源于GGPP，这表明了这类酶的混杂，特别是双功能CPS/KS（图4）。有人提出，在陆地植物进化过程中，KS连续获得了识别ent-CPP和ent-Kaurene形成的特异性。被子植物中的CPS和KS基因倾向于单拷贝，没有双功能的DTC，而非维管陆地植物中CPS/KS基因的拷贝数较高。表明被子植物谱系以外的植物具有丰富的二萜代谢，这可能是由于存在多个拷贝的DTC所致。而关于GGPP衍生的二萜类化合物的功能尚不清楚。现存DTC的特征是广泛的底物特异性和混杂，通过祖先陆地植物中萜类合成酶的新功能化获得CPS/KS样环化酶活性，可能提供了新的化合物，要么具有直接防御功能，要么作为信号器来响应外界环境。
位于胞质和/或内质膜的KO和KAO来自P450，但分别属于CYP701A和CYP88A家族。这两种酶都会进行几次连续的氧化，首先形成对甲酸，然后是GA12，中间产物不会累积。限制了每种酶的这两个最终产物的通路的可能分支。在测序的藻类中没有发现KO，这表明KO起源于陆地植物的共同祖先，但其最初的活性尚不清楚。一些研究发现，Atko能够识别并产生不同的分子，这表明祖先的KO可能识别了多种底物。
苔藓植物和维管束植物中都存在编码KAO的基因，表明它们起源于陆地植物（图3）。虽然在KAO中还没有研究底物特异性，但早期的分析显示，豌豆KAO产生了多种中间代谢物。和细菌一样，一些植物的2-OGD酶也可以执行KAO活性。
GA生物合成和失活的胞是由2-OGD酶完成的。虽然这个蛋白质家族存在于许多生物体中，但植物GA20ox、GA3ox和GA2ox基因拥有共同的祖先。这些基因广泛存在于维管植物中（图3），但在早期分化的陆地植物中没有发现真正的同源基因，这与苔藓植物中缺乏典型的生物活性GA是一致的。和许多酶一样，一些2-OGD已经进化成不同的特异性和催化效率。与大多数种子植物的GA3ox相比，蕨类植物金莲花含有一种对GA9具有更高特异性的GA3ox酶。
已发现其他植物、细菌和真菌可以产生GA，但它们是通过生物合成途径产生GA的，这些途径似乎独立于陆地植物进化而来。真菌和非维管束陆地植物只有一种双功能的CPS/KS酶，而产生赤霉素的细菌有两种独立的单功能酶。真菌和细菌中的KO和KAO活性都是由CYP酶完成的，但它们与植物的对应酶无关。在细菌和真菌中都没有发现GA20ox和GA3ox酶。是由细菌中的2-OGD酶完成的，而真菌在KAO之后能够使用一组不同的CYPS来产生GA。这些生物同源步骤之间还存在其他酶学差异。
GA具有化学特性，使得它们可以成为生理调节剂。大量已知的赤霉素相关结构可能代表着新的调控分子出现。其他荷尔蒙新陈代谢途径的副产物已经进化成信号分子，如四氢叶酸。茉莉酸也被认为是脂肪酸分解代谢的副产物，是配体和受体之间的共同进化。关于赤霉素，2OH-KA在其作为对苯二甲酸的非活性产物出现后，具有分子调节的功能。
3赤霉素信号转导的研究进展
3.1 DELLA蛋白的来源及多样性
基因组测序发现在维管植物和非维管植物中都发现了DELLA基因（图3）。DELLA存在于所有的陆地植物中，但不存在于藻类，在所有陆地植物的祖先中找出了DELLA的起源。对GRAS基因进化的分析表明，藻类GRAS基因家族是单系进化的，而陆地植物(包括DELLA亚群)中GRAS基因家族的扩展是独立发生的。
从系统发育的角度看，早期分化的陆地植物中的DELLA属于祖先类型(“DELLA1/2/3”)，该类型后来在维管植物的祖先(“DELLA1/2”和“DELLA3”)中重复，并再次在真双子叶植物(“DELLA1”、“DELLA2”和“DELLA3”)中复制。不同物种中旁系DELLA的实际数量反映了基因组在进化过程中丢失和获得的特定历史。
考虑到DELLA活动性具有与TF交互的能力，研究DELLA活性的演化需要对不同物种的DELLA相互作用组进行比较分析。不同植物物种的功能研究表明，DELLA-TF相互作用有一定程度的保守性。另一方面，虽然某些物理相互作用是守恒的，但它们可能不调节相同的过程。尽管缺乏被子植物以外的DELLA活性信息，但更多的间接研究也表明，DELLA活性在陆地植物中是保守的。
所有检测的陆地植物基因组中都有DELLA基因，而活性GA和GID1仅是维管植物的典型基因，这表明DELLA早于GA感知模块，它们的募集是GA信号转导的起源。根据我们对GA/GID1调控DELLA稳定性的认识，这种调控机制的出现要求在所有维管植物中，GID1和DELLA的N端结构域之间建立GA依赖的物理相互作用。对于非维管植物中的DELLA来说，保护基序和残基对相互作用很重要。GA信号通路的建立可能与DELLA蛋白N端结构域中一个预先存在的反式激活结构域的GA受体的激活有关（图5）。与GID1的唯一相互作用阻断了DELLA的反式激活能力的观察表明，DELLA稳定性的泛素依赖性调节可能发生在第二个进化步骤中，作为对DELLA活性的GA依赖调控这个模式的改进。
鉴于GA信号在植物谱系中的逐步构建，DELLA早于GA和GID1的出现，一个问题是DELLA和GA为细胞内稳态提供了哪些特性。基于DELLA信号转导关键差异物种间比较表达网络分析表明，该途径的存在与转录反应的协调性显著增加相关。在这项研究中，基因共表达网络是从一个没有GA/GID1或DELLA，一个含有DELLA基因但没有GA/GID1感知模块的苔藓植物和两个具有完整GA通路的被子植物建立的，在不同物种间比较这些子网络的特征。在具有DELLA基因的物种中，有几个参数表明网络互连性增加，特别是那些能够感知GA的物种，表明DELLA和GA在转录反应的协调中的作用。还需要进一步的实验研究来评估这种特性。
3.2赤霉素感知模块的进化
GA感知模块（即GA-GID1）只在维管植物中起作用。系统发育和结构分析证实GID1受体是羧酸酯酶家族（CXE），属于α/β-水解酶超家族。区分GID1的两个特征是：（1）识别催化GA的能力，（2）在DELLA口袋盖关上后与他们互作的能力。从这个意义上说，典型的GID1具有识别DELLA基序的N-末端和CXE催化三联体缺失的特征，它只存在于维管植物中，而CXE则存在于所有的植物中。原始的GID1可能是一种CXE，它失去了催化活性，并调整了其底物袋以容纳相关化合物（图6）。在真双子叶植物中，复制单个GID1后产生了两个类：GID1ac和GID1b。这些分支不仅在表达模式上不同，而且在它们对不同GA的敏感性也不同。这些GID1大多能以GA依赖的方式与DELLA蛋白相互作用。一些维管GID1在没有GA的情况下也能够结合DELLA，因为它们的盖子是半封闭的。
DELLA-GID1相互作用的功能结果是如何产生的目前尚不清晰。GA信号传导的一个关键因素是F-box SLY1/GID2负责蛋白酶体依赖性DELLA降解，GID1可以抑制DELLA蛋白N端结构域编码的反式激活能力，并以蛋白酶体独立的方式抑制GRAS结构域编码的反式激活能力。因此，在将GID2与GA-GID1-DELLA复合物结合之前，GID1可能最初进化为抑制DELLA功能。另一种进化模式是，在GA-GID1模块出现之前，陆生植物祖先SLY1/GID2可能参与了DELLA稳定性的调节。
4赤霉素功能
受体的鉴定，DELLA降解的信号转导机制的阐明，以及DELLA与转录调控因子相互作用对基因表达的控制，解决了许多问题，并提出了利用GA代谢和信号转导的策略来促进作物改良。
GA可以根据器官、生长阶段、发育阶段或环境条件发挥多种功能。GA信号传导依赖于一组元素，在某些植物物种中，这些元素由一个受体基因和一个DELLA基因组成。GA的功能多样性是DELLA蛋白固有特性的直接结果。未来的研究应该解释DELLA是如何在进化过程中成为转录中枢的，而未来的生物技术应用应该以产生具有不同相互作用能力的DELLA等位基因为目标。
也有人基于对GA活性的功能缺失或过表达突变体的观察提出GA调节生长和防御反应之间的平衡，或者通过处理提高或降低GA活性。进化模型中显示GA与协调转录的能力增强有关，表明该激素途径至少在进化规模上可能对适应具有潜在影响。
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