《食品科学》：山东理工大学李晓安副教授等：果蔬逆境胁迫应答中AP2/ERF转录因子的激素调控研究进展

果蔬是国民生活必需的农产品。在果蔬生长发育及采后贮运过程中经常会遭受各种逆境胁迫，包括非生物胁迫（如干旱、高盐、低温、机械伤等）和生物胁迫（如虫害、霉菌、细菌和病毒等），这些胁迫会影响果蔬品质，引起果蔬腐烂，造成巨大的经济损失。而植物在长期的进化过程中也发展出复杂的调控网络，通过调节相关基因和功能蛋白，激活体内免疫应答机制，增强其对逆境胁迫的抗性及适应能力。

转录因子是一类重要的DNA结合蛋白，可以特异性地结合真核基因启动子区域的顺式作用元件，调控靶基因在特定时间和空间内以特定的强度表达，激活或抑制基因的转录。其中，AP2/ERF转录因子家族是植物中最大的转录因子家族之一，广泛参与果蔬的生长发育、成熟衰老、胁迫应答等生物学过程。

山东理工大学农业工程与食品科学学院的李皎琪、李美琪、李晓安*等从AP2/ERF转录因子结构特征、分类分布、激素调控等多个方面，对近年来国内外有关AP2/ERF转录因子家族在果蔬逆境胁迫应答中的作用及机制进行综述，以期从AP2/ERF转录因子激素调控的角度，为增强果蔬对逆境胁迫的抗性提供理论依据。

1 转录因子AP2/ERF概述

1.1 AP2/ERF转录因子家族的结构及分类

AP2/ERF转录因子家族DNA结合域为1 个或2 个保守的AP2/EREBP（简称AP2）结构域，因此统称为AP2/ERF。AP2结构域由57～70个高度保守的氨基酸残基组成，其N端含有1个YRG（一段包含19～22个氨基酸残基的氨基酸序列）保守元件，C端含有1个RAYD（一段包含43个氨基酸残基的氨基酸序列）保守元件，这2个元件在AP2/ERF识别下游特异性DNA序列中发挥重要作用。此外，AP2结构域序列都含有1个α-螺旋和3个反向平行的β-折叠形成的三维结构，其中，α-螺旋与其他转录因子或DNA结合发挥作用，β折叠则可以识别GCC box（AGCCGCC）、低温诱导元件CRT（AGCCGAC）、干旱诱导元件DRE（TACCGACAT）等多种顺式作用元件从而调节靶基因表达。

根据AP2结构域特点和数量，可将AP2/ERF转录因子家族分为5个亚家族：AP2、ERF、脱水反应元件结合蛋白（DREB）、RAV（related to abscisic acid insensitive 3（ABI3）/viviparous 1（VP1））和Soloist亚族。其中，AP2亚家族含有2个相似度极高且串联重复的AP2结构域；ERF亚家族和DREB亚家族均只含1个AP2结构域，主要区别在于ERF亚家族第14位氨基酸是丙氨酸，第19位是天冬氨酸，而DREB亚家族第14位氨基酸是缬氨酸，第19位是谷氨酸；RAV亚家族包含位于C端的单个AP2结构域和N端的1个B3结构域；Soloist亚家族也包含1个AP2结构域，但与ERF和DREB亚家族相比缺少特定的WLG保守基序。

1.2 AP2/ERF转录因子在果蔬中的分布及数量

AP2/ERF家族最初从模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）中通过全基因组分析鉴定，随着研究的深入，发现AP2/ERF家族蛋白广泛存在于多种果蔬中。据报道，果蔬中ERF和DREB亚家族的数量所占比例均超过AP2/ERF家族的50%以上。Solosist亚家族的数量较少，大部分果蔬中只有1～2 条，而在梨和芹菜中甚至不包含AP2/ERF转录因子。目前已对番茄、苹果、芹菜等多种果蔬中AP2/ERF家族进行了分离和鉴定，发现在不同果蔬中，亚家族的分类和数量各不相同。例如，在番茄中共鉴定出176个AP2/ERF转录因子，其中28个属于AP2亚家族，100 个属于ERF亚家族，41个属于DREB亚家族，3个属于RAV亚家族，4个属于Soloist亚家族。茄子中共发现了178个AP2/ERF转录因子，其中22 个属于AP2亚家族，104个属于ERF亚家族，49个属于DREB亚家族、2个属于RAV亚家族，1个属于Soloist亚家族。此外，在苹果、梨、菠萝等果蔬中也完成了AP2/ERF转录因子的鉴定（表1）。

2 果蔬逆境胁迫应答中AP2/ERF的激素调控

植物激素是植物体天然存在的一系列有机化合物，除生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）和ET五大主要植物激素外，其他几种新型植物激素如JA、SA、油菜素内酯（BR）等也广泛调控果蔬的品质形成、胁迫反应、信号转导等过程。AP2/ERF转录因子家族是连接植物激素信号的关键调控因子，通过激活靶基因诱导植物激素反应或作为反应因子调控果蔬品质形成及胁迫应答过程。目前研究发现，AP2/ERF转录因子主要依赖于ET、JA、SA、ABA等植物激素信号途径，广泛参与到果蔬逆境胁迫应答（图1）。

2.1 ET介导的AP2/ERF调控作用

ET作为植物中的主要激素，不但在促进种子发芽、花开花落、果实生长发育、成熟衰老等方面发挥关键作用，而且在果蔬对逆境胁迫的应答中扮演重要角色。果蔬组织可通过转录及转录后水平的协同调控调节内源ET的生物合成和ET信号转导途径，参与果蔬抵御低温、机械伤、干旱等非生物胁迫及细菌、昆虫、病毒等生物胁迫。作为ET信号转导途径末端重要的转录因子，AP2/ERF在ET介导的胁迫应答反应中发挥重要的调控作用。植物体内的ET含量在正常状态下处于较低水平，当其受到逆境胁迫时ET释放会在短时间内增加，参与逆境胁迫应答。当ET浓度极低或不存在时，位于内质网膜上的ET受体（ETR1、ETR2、ERS1、ERS2、EIN4）会激活下游蛋白CTR1的功能，与之形成二聚体，磷酸化CTR1下游关键参与者EIN2的C端结构（CEND），磷酸化的CEND被EIN2靶向蛋白1/2（ETP1/2）降解，抑制ET信号向下游传递，阻断ET信号转导途径。而当ET存在时，ET受体与ET识别结合，抑制与受体关联的CTR1激酶的活性，失活的CTR1不能磷酸化EIN2，CEND从EIN2解离并转移至细胞核，稳定并诱导转录因子EIN3/EIL1（EIN3/EIN3-like 1）的积累，进而激活EIN3的直接靶基因ERFs的表达，从而调控下游一系列功能基因的转录表达，响应ET信号。

研究表明，AP2/ERF可作为关键转录因子介导ET合成与传导，参与果蔬逆境胁迫应答反应。Wang Ke等发现桃果实（Prunus persica）经低温预贮，ET合成量明显增多，并通过激活PpERF家族成员基因增加桃果实抗冷能力以减轻冷害造成的氧化损伤。Sun Xiaoming等从山葡萄（Vitis amurensis）中鉴定出1个冷响应型转录因子VaERF092，发现低温胁迫和ET合成前体1-氨基环丙烷-1-羧酸可诱导VaERF092基因的表达，但在低温条件下，VaERF092表达受到ET合成抑制剂氨基乙氧基乙烯基甘氨酸的抑制，而异源表达VaERF092可增强拟南芥的耐冷性，表明ET通过调控下游信号转导途径关键转录因子VaERF092增强葡萄对低温胁迫的耐受性。由灰葡萄孢菌引起的灰霉病是造成果蔬损失的一种常见的坏死型真菌病害，外源乙烯利处理显著增强葡萄VaERF16基因表达量及灰霉病抗性，过表达VaERF16可增强葡萄叶片对灰霉菌的抗性，相反，VaERF16沉默则增加组织对灰霉菌的易感性。ET-AP2/ERF信号通路介导的果蔬抗性反应，除ET可对AP2/ERF家族转录因子进行诱导外，ET代谢也受到AP2/ERF的调控。番茄SlPti5基因沉默通过抑制ET信号通路及抗病相关基因的表达，增加番茄对灰霉菌的敏感性。

2.2 JA及其甲酯介导AP2/ERF调控作用

茉莉酸类化合物是植物体内天然存在的一类重要的小分子信号物质，具有广谱的生理功效，被认为是诱导植物品质形成和抗性反应的原初信号分子，参与植物代谢调节及抗性反应的建立。JA及茉莉酸甲酯（MeJA）是茉莉酸类化合物的典型代表，在果蔬贮藏保鲜中受到广泛关注，其调控果蔬品质的机制主要包括促进抗性相关酶活性、抗性物质的积累、诱导基因的表达、保持组织能量代谢平衡等方面。研究发现，逆境胁迫诱导的果蔬抗性与JA生物合成及其信号转导密切相关，通过JA介导的信号途径，触发诱导系统抗性，并激活下游病程相关基因，提高果蔬抗病性。JA由α-亚麻酸代谢途径合成，参与JA生物合成的关键酶包括LOX、AOS和AOC等。JA合成后，在茉莉酸氨基酸合成酶的作用下与Ile结合形成具有活性的衍生物JAIle，进入JA信号转导途径。COI1、JAZ和MYC是JA信号通路中重要的信号转导元件。其中，COI1是JA-Ile的受体，在JA信号转导过程中发挥重要作用。研究发现在拟南芥中，COI1可与AtCUL1、AtRbx1及SKP1的类蛋白ASK1/ASK2（Arabidopsis SKP1 like 1/2）结合形成SCF COI1 复合体，SCF COI1 在植物体内具有E3泛素连接酶的功能，可以与JAZ蛋白结合并催化其降解。JAZ蛋白是JA信号通路的抑制因子，由NT（N terminal domain）、Jas（jasmonates，又称CCT-2）和ZIM（又称TIFY）3 个结构域组成，可以与上游COI1蛋白和下游MYC蛋白互作。当JA缺失或含量较低时，JAZ蛋白结合下游MYC等转录因子，抑制这些转录因子的活性，从而抑制下游抗性相关基因的表达。而当植物受到生物或非生物胁迫时，大量积累的JA-Ile促进SCF COI1 -JAZ复合体的形成，导致JAZ蛋白的泛素化并被26S蛋白酶体降解，未被JAZ结合的MYC等转录因子被激活，可识别靶基因启动子G/E-box元件，激活JA信号途径下游响应基因，从而增强植物抗性。

研究发现，许多AP2/ERF转录因子受到JA信号的诱导，促进逆境胁迫应激反应信号途径之间的串扰。AP2/ERF转录因子与JA信号的关系最早在长春花中被发现，JA诱导AP2/ERF家族蛋白ORCA2和ORCA3，激活次级代谢物单萜类吲哚生物碱合成基因的表达。Lorenzo等报道，AtERF1作用于ET和JA通路的下游，可能是植物防御反应调控的核心。此外，在拟南芥中，AP2/ERF转录因子家族成员AtORA47转录因子可由JA诱导并激活JA生物合成关键基因AtAOC2的表达，表明AtORA47可能在J A 响应反馈回路发挥重要的调控作用。近年来随着研究的拓展和深入，发现AP2/ERF转录因子在JA信号通路介导的果蔬生物或非生物胁迫响应中也发挥重要作用。SlERF2基因超表达增强了MeJA诱导的番茄果实灰霉病抗性反应，而SlERF2沉默则减弱了MeJA的抗病作用。由指状青霉菌引起的绿霉病是柑橘（Citrus sinensis）果实采后最重要的病害之一，Li Ting等研究发现，CsERF1B基因在柑橘果皮中的瞬时过表达显著诱导抗病相关基因的上调表达，增强果实对绿霉病的抗性，进一步实验表明，转录因子CsERF1B可直接与JA信号通路关键基因和免疫相关基因CsRIN4启动子中GCC box特异性结合，并激活其表达，而CsRIN4可直接被CsMYC2激活，进而参与柑橘果实抗病调控。

2.3 SA介导的AP2/ERF调控作用

SA是植物中的一种酚类内源激素，其衍生物包括水杨酸甲酯（MeSA）和乙酰水杨酸（ASA）等。SA及其衍生物MeSA均为天然植物激素，MeSA是由SA羧基上的氢原子被甲基取代合成所得，而其衍生物ASA为人工合成，但与SA发挥的作用效果一致。SA及其衍生物在影响果蔬生长发育、成熟衰老、抗逆反应等方面发挥了至关重要的作用。植物体内的SA主要通过ICS途径和PAL途径合成，其中抗病反应中诱导产生的SA 90%以上是经由ICS途径合成的。ICS途径是指叶绿体中的分支酸通过ICS1/ICS2形成异分支酸，再转运到细胞质后形成共轭复合体，最后自发转化为SA；PAL途径首先将分支酸转化为苯丙氨酸，转运到细胞质后通过PAL合成反式肉桂酸，再转化为苯甲酸后，经由苯甲酸-2-羟化酶合成SA。位于SA合成关键酶ICS1上游的PAD4、EDS1以及NDR1信号枢纽与植物免疫反应密切相关，其中PAD4和EDS1相互作用可以激活抗性基因参与应答逆境胁迫。SA下游有2条平行的信号通路，在植物体内SA很低或没有时，NPR3和NPR4（NPR3/4）作为SA的主要受体，在植物免疫负调控中起到重要作用，而受体NPR1在第55和59位丝氨酸处被磷酸化，使NPR1保持稳定且无活性的状态，促进NPR3/4与II类TGA转录因子相互作用，以抑制下游防御基因的表达；在应答逆境响应且SA水平积累时，NPR1作为SA的主要受体，在第11和第15位的丝氨酸被磷酸化，以促进NPR1在转录激活中的活性，通过与TGA、NIMIN、WRKY等转录因子作用，激活下游免疫基因的表达。

近几年关于ERF与SA相互作用调控果蔬逆境胁迫应答的研究有了新的突破。例如，Wang Jiahui等研究了过表达和沉默MdERF11基因对苹果愈伤组织灰霉病抗性的影响，发现MdERF11基因的过表达明显提高了苹果愈伤组织的抗性，且促进了愈伤组织内源SA信号的积累，表明转录因子MdERF11可通过调节SA合成途径增强采后果蔬对灰霉病的抗性。

2.4 ABA介导的AP2/ERF调控作用

ABA是一类含有倍半萜结构的植物激素，因其能抑制生长，促使叶片脱落而得名，可参与植物种子萌发、叶片衰老和果实表层蜡质积累等生长发育过程中。ABA是果蔬体内的一个关键调节器，对于平衡内源激素和提高果蔬自身对逆境胁迫的耐受性具有重要意义，可提高农作物的经济效益。ABA的生物合成途径分为直接途径和间接途径，直接途径是由植物病原真菌通过中间产物甲萘醌途径合成ABA，也称类萜途径。间接途径是由植物通过类胡萝卜素途径合成ABA，也称ABA的从头合成，也是高等植物合成ABA的主要方式。ABA从头合成第一步是玉米黄素在玉米黄质环氧化酶（ZEP）催化下生成紫黄质，然后通过2 种可能的途径转化为9-顺式-新黄质或9-顺式-紫黄质，由VP14（viviparous 14）编码的NCED可将二者转化为黄质醛，这个过程在叶绿素进行；随后黄质醛转移到细胞质中，经醇脱氢酶转化为脱落醛，最终在醛氧化酶3（AAO3）参与下进一步催化脱落醛合成ABA。ZEP、NCED和AAO3是ABA合成的关键酶，其活性与ABA生物合成密不可分，其中NCED是ABA合成中最重要的调节酶。ABA在植物各细胞之间的转运对植物有至关重要的影响，当果蔬应答逆境胁迫时，ABA信号水平升高，与其受体PYR/PYL/RCAR结合，形成的受体复合物抑制PP2Cs磷酸化酶的活性，减轻或者消除PP2Cs对SnPK2s的抑制，从而使SnPK2s处于磷酸化状态，并可增强SnPK2s激酶对下游蛋白的磷酸化，积极控制下游ABFs/AREBs和AP2/ERF等转录因子，以调控ABA信号应答。其中PP2Cs和SnPK2s是ABA信号转导过程中的关键信号元件。

AP2/ERF在ABA信号传导应答逆境胁迫过程中发挥了关键作用，转录因子ABI4和RAV1分别是ERF家族中DREB亚家族和RAV亚家族的成员，可以调控ABA信号通路转导，提高植物应对胁迫的能力；ABA激素信号也可以上调或抑制AP2/ERF转录因子的表达，并结合DRE/脱落酸响应元件（DRE/ABRE），调控下游相关靶基因的表达，以应答非生物胁迫。模式作物烟草中发现转录因子NtJERF1通过调控ABA生物合成基因NtSOR表达，使ABA保持较高水平，增强烟草对盐和低温的耐受性。目前，ABA介导的果蔬逆境胁迫响应中AP2/ERF的调控作用研究主要集中在非生物胁迫方面。在果蔬研究的模式材料番茄中发现，ABA处理可诱导SlERF5基因表达，提高番茄对干旱和盐胁迫的耐受性。在华东葡萄（Vitis pseudoreticulata）中VpERF1和VpERF2基因明显受到ABA的强烈诱导表达，在烟草中异源过表达的VpERF1和VpERF2可促进病程相关蛋白（PR）、NtPR3、NtPR4和NtPR13的积累，提高其对病原菌、干旱、低温、高温的耐受性。王梦琪的研究中明确番茄果实转录因子SlERF15位于ABA下游，并调控抗冷相关基因的表达。近年来研究也发现，芹菜AgERF8转录因子在应答盐胁迫过程中起到负调控的作用，芹菜经ABA处理后，AgERF8基因显著上调，导致细胞损伤严重，抑制了抗坏血酸相关基因的表达。

2.5 其他激素介导的AP2/ERF调控作用

除上述4 种激素外，AP2/ERF转录因子还可参与IAA、GA、CTK和BR等植物生长发育相关激素介导的逆境调控。目前由IAA和CTK介导的AP2/ERF在植物逆境胁迫应答调控网络中的研究仍存在较大的空缺，而由BR和GA介导的AP2/ERF逆境胁迫应答调控研究集中于拟南芥、水稻等模式植物中，该应答机制虽在果蔬中鲜见报道，但可为后续深入研究AP2/ERF转录因子参与果蔬逆境胁迫应答的激素调控网络提供一定的参考。

GA作为生长调节剂，在促进植物组织生长、开花坐果及逆境调控中均发挥具有重要作用。GA3ox、GA20ox、GA2-氧化酶、KO、KAO、CPS和贝壳杉烯合成酶是参与GA生物合成的关键酶。GA合成后，与其受体蛋白GID1特异性结合，复合体GA-GLD1与DELLA蛋白结合，促进DELLA蛋白与SCF E3泛素连接酶的结合，泛素化的DELLA蛋白最终被26S蛋白酶复合体分解，并激活或抑制下游反应因子发挥作用。Tang Yuehui等发现在麻风树（Jatropha curcas）中，JcDREB2基因可由ABA诱导表达，也可由GA和盐胁迫抑制，异源过表达JcDREB2基因使水稻（Oryza sativa）对盐胁迫的敏感性增加并表现出严重的侏儒表型，同时有关GA合成的OsGA20ox、OsGA3ox2、OsCPS1、OsKO2和OsKAO基因表达量明显降低。

BR被称为第6种植物激素，参与植物的生长发育及胁迫应答过程。BR合成途径复杂，形成巨大的网络结构，其中DWF4和CPD是BR合成的关键酶。存在于细胞膜上的BR受体蛋白BRI1与BAK1共同作用形成复合体识别BR信号，经过磷酸化反应传至BSK1蛋白，同时信号传递至细胞内。BSK1激活下游BSU1磷酸酶后，可去磷酸化BR传导途径的负调节因子BIN2并使其失活，进而解除BIN2对下游转录因子BZR1BES1的抑制。

激素信号介导AP2/ERF对不同果蔬逆境胁迫响应的调控作用如表2所示。目前关于GA和BR介导AP2/ERF转录因子调控植物非生物胁迫有了初步的研究，而在果蔬逆境胁迫应答中，这些植物激素与AP2/ERF是否存在相互作用，还有待后续深入挖掘和验证。

3 结 语

AP2/ERF转录因子和激素信号在果蔬生物/非生物胁迫应答过程中占有重要地位，AP2/ERF转录因子能够调控植物激素信号分子合成和传导或作为反应因子响应激素信号分子诱导表达，直接或者间接激活下游防御相关靶基因的转录表达，参与植物激素介导的果蔬对干旱、低温、机械损伤、细菌及真菌等侵染性病害等逆境胁迫的防御反应，进而调节果蔬的品质及抗性。AP2/ERF参与抗逆激素信号调控网络的作用和机理也受到越来越多研究者的关注，研究发现利用基因超表达技术和CRISPR/Cas9基因编辑技术可调控激素信号相关基因，促进或抑制激素信号的合成和传导；通过外源激素处理，也可上调或下调转录因子的表达量，改变果蔬对逆境胁迫的应答能力。但目前对于大多数AP2/ERF转录因子参与果蔬抗逆反应的激素调控的分子机制仍未被揭示。近年来高通量测序和分子生物学等技术的发展促进了转录因子的研究，转录因子与激素信号相互作用可实现网络化分析和深度挖掘、验证，可望补充果蔬逆境胁迫应答中AP2/ERF转录因子激素调控研究的空缺。

因此，今后可充分借助高通量测序筛选果蔬逆境胁迫应答中密切相关的AP2/ERF转录因子及激素信号转导关键基因，利用基因超表达技术、CRISPR/Cas9基因编辑技术鉴定其转录因子-激素信号相互作用在果蔬逆境胁迫应答中的作用，进一步利用现代主流分子生物学实验技术，深入挖掘其相互作用的分子网络及作用机制。以期通过构建、完善果蔬逆境胁迫调控中AP2/ERF的激素信号网络模型，为果蔬作物的品质改良、抗性调控、品种选育等提供理论参考。

本文《果蔬逆境胁迫应答中AP2/ERF转录因子的激素调控研究进展》来源于《食品科学》2024年45卷12期315-323页. 作者：李皎琪，李美琪，王玉婷，刘秀玲，张新华，李富军，李晓安. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20230626-194. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网