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生物技术通报 | 茶树光敏色素互作因子CsPIF3a的克隆及其与光温逆境的响应

花匠小妙招
2025-06-21 09:39

班秋艳，赵鑫月，迟文静，黎俊生，王琼，夏瑶，梁丽云，贺巍，李叶云，赵广山

温度控制植物生长发育、分布和季节性行为，整个植物的生命周期均受环境温度的影响。光作为自然界中影响生长发育最重要的环境因素之一，不仅为植物提供光合作用的能量，而且作为一种重要的环境信号参与调控植物的生长发育和逆境抗性。温度和光照作为紧密联系的重要环境因子，共同调控植物的生长和发育过程。

茶树（Camellia sinensis（L.）O. Kuntze）是一种喜温怕寒的经济型叶用常绿植物，主要种植于热带和亚热带地区。茶树在生长发育过程中，不可避免地遭受低温、干旱或热害等非生物胁迫，严重影响茶叶的产量和品质。 研究茶树在温度逆境下对光信号的响应，解析光强对茶树抗性的调控机制具有重要的科学意义。

光敏色素（phytochrome, Phy）是一类红光/远红光受体，在植物体内以2种较稳定的状态存在，即红光吸收型Pr和远红光吸收型Pfr。 PIFs因子或称PILs因子，是能与光敏色素Pfr相互作用的一类bHLH转录因子，是光敏色素（Phy）的主要信号传导伙伴，在Phy介导的光信号转导中起关键作用，能够整合环境信号和植物内部信号，驱动下游形态发生和抵御逆境。PIF不仅可调控种子萌发、生物节律、激素信号、糖代谢等生理过程，还可以通过植物体内各种激素途径，如油菜素内酯、脱落酸、赤霉素、生长素和乙烯等途径，共同调节植物对逆境的响应。PIFs因子N端相对保守的APB结构域能与PHYB特异性互作，已知PIF1和PIF3能够与PHYA相互作用，且PIF1与PHYA的相互作用能力比PIF3强。此外，还在一些重要的农作物中发现了一些PIF 类转录因子家族成员。 PIF3是第一个被发现的PIFs家族成员，与PHYA、PHYB的活化形式Pfr相互作用将光信号传导下去。PIF3与PHYB的相互作用主要通过APB domain实现，至于PIF3与PHYA是如何相互作用的，迄今仍不清楚。有研究发现， PIF3的mRNA积累是不受光调控的，但它的蛋白是受光调控的。这个蛋白在黑暗中比较稳定，在光照下很不稳定，在红光条件下的半衰期大约只有10‒15 min。进一步的研究发现，在PHYA和PHYB介导的光信号通路中的PIF3蛋白主要是通过26S蛋白酶介导，并快速被多聚泛素化，随后被降解。前人 通过全基因组学鉴定出茶树 CsPIF1、CsPIF3a/3b、CsPIF7a/7b和CsPIF8a/8b。

目前，针对PIFs的研究主要集中在拟南芥、水稻、玉米等作物中，虽然茶树已经开展了PIF3转录因子的研究，但主要聚焦在CsPIF3参与叶绿素代谢的转录调控。 关于CsPIF3的抗逆分子机理研究，仍不清楚。

近日， 《生物技术通报》在线发表了题为的研究报告。本研究从茶树‘舒茶早’中克隆CsPIF3a，通过对其进行序列比对、理化性质、进化树、无序化、二级结构预测、三级结构等生物信息分析，对CsPIF3a进行亚细胞定位和转录活性分析；运用荧光定量PCR方法检测CsPIF3a在茶树对光温胁迫的响应，为进一步深入研究茶树CsPIF3a转录因子在茶树光温胁迫调控中的作用提供借鉴，为利用光信号途径避免或缓解逆境对茶树造成的危害提供理论指导。

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本文主要包括以下几部分内容：

1 材料与方法

1.1 材料

1.2 方法

2 结果

2.1茶树CsPIF3a的克隆

2.2 茶树CsPIF3a蛋白氨基酸序列的比对

2.3 茶树CsPIF3a蛋白进化树分析

2.4 茶树CsPIF3a蛋白氨基酸的理化性质分析

2.5 茶树CsPIF3a蛋白固有无序化预测与分析

2.6 CsPIF3a二级结构及三级结构预测

2.7 CsPIF3a的亚细胞定位分析

2.8 CsPIF3a转录活性的研究

2.9 CsPIF3a在不同组织的表达分析

2.10 CsPIF3a在光温胁迫下的表达分析

3 讨论

4 结论

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太阳给地球上的生物带来光明的同时也带来了热量。在自然环境中，白天温度高，夜晚温度低，因此，光照和温度作为紧密联系的重要环境因子，共同调控植物的生长和发育过程。茶树在生长过程中面临着非常复杂的光温环境，光照过强或光照过低，温度过高或温度过低等都会对茶树的生长发育产生很大的影响。因此， 研究和揭示茶树光、温信号通路交叉互作的分子机制，有助于深入理解茶树的环境适应性机理，并为提高茶树在温度胁迫下的生存能力提供新策略。

光敏色素互作因子PIFs作为一类可以与光敏色素蛋白相互作用的bHLH家族转录因子，是光信号响应过程中的关键负调控因子。近年来，随着对PIFs研究的不断深入，发现 PIFs不仅广泛参与调控植物的生长发育，在植物抵御逆境胁迫中也发挥重要的作用。PIF3是该亚族中第一个被发现的成员，含有PAS结构域的基本螺旋‒环‒螺旋蛋白，可以与phyA和phyB的非光活性羧基末端片段结合，并在体内光敏色素信号传导中起作用。目前对PIF3的研究集中在拟南芥等为主的模式植物上，在其他植物上的研究报道较少。本文从茶树品种‘舒茶早’中克隆到CsPIF3a（TEA033210），该基因开放阅读框长度为2 163 bp，共编码720氨基酸；对CsPIF3a转录因子氨基酸组成成分、理化性质的分析结果显示，CsPIF3a属于亲水性蛋白，二级、三级结构主要表现为无规卷曲、α-螺旋、β-折叠结构和β-转角。CsPIF3a系统进化树表明茶树与毛花猕猴桃的进化树关系相近，与胡桃、杨梅、拟南芥的进化树关系相对较远。 保守结构域分析表明，CsPIF3a蛋白含有1个bHLH结构域、1个APB结构域和1个APA结构域，属于bHLH转录因子家族，这与油茶CoPIF3的结构相同。有研究结果表明，固有无序蛋白因为自身结构的特点，可在植物受到逆境胁迫时快速反应，从而减少逆境对植物的伤害。CsPIF3a蛋白的无序化比例较高，由于CsPIF3a的表达响应温度胁迫且与光照强度有关，因而推测 CsPIF3a蛋白的无序化区域可能与‘舒茶早’应对光温胁迫的相应调控过程有关。 PIF3在低温下通过抑制低温信号通路关键转录因子基因CBFs/DREB1s的表达，负调控植物的抗冻性；而CBFs在低温下积累后与PIF3互作，促进phyB蛋白稳定性，促进PIF1、PIF4和PIF5的蛋白降解，诱导COR的表达，从而增强植物的抗冻性。植物的CBFs-PIF3互作模式，不仅巧妙地消除了其他PIFs对冷信号转导的抑制作用，同时也防止了CBFs的过量表达，保证了植物在冷胁迫下具有耐冷性的同时还能正常生长。然而目前对于茶树CsPIF3a表达受光温信号调控的具体途径尚不清楚，有待今后进一步研究。

从‘舒茶早’克隆获得CsPIF3a，其开放阅读框长度为2 163 bp，编码720个氨基酸，蛋白分子相对质量为76.97 kD，理论等电点为5.70，具有亲水性；与毛花猕猴桃、红马银花、狭叶油菜和君迁子的进化树关系较近；含有1个bHLH结构域、1个APB结构域和1个APA结构域；二级结构中含α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲和无序化区域；定位到细胞核并具有转录活性，响应低温和高温胁迫，其表达强度与光照强度相关。