温度形态建成中关键转录因子PIF4所受调控的研究进展

张敏 苏立新 王昕

摘要 温度形态建成是非逆境高温引起的植物的一系列形态变化，是植物适应高温环境的重要机制。PIF4是温度形态建成的正向调控因子，在温度形态建成中发挥着非常重要的调控作用。因此在长期的自然选择过程中，植物进化出了复杂的调控PIF4活性的分子机制。将从转录、蛋白质稳定性、与靶序列的结合强度和调控转录的活性4个方面来阐述调控PIF4活性的分子机制，并讨论了今后可能的研究方向。

关键词 温度形态建成;PIF4;转录水平调控;蛋白质水平调控

中图分類号 Q 945  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）20-0022-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.006

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Progress in the Regulation of Key Transcription Factor PIF4 in Thermomorphogenesis

ZHANG Min， SU Li-xin， WANG Xin

（College of Life Science and Bioengineering， Shenyang University， Shenyang， Liaoning 110044）

Abstract Thermomorphogenesis is a series of plant morphological changes induced by nonstressful high temperature， which is an important mechanism of plant for adaption to high temperature. PIF4 is positive regulation factor of thermomorphogenesis， and plays a very important role in thermomorphogenesis. So in the long-term process of natural selection， plants have evolved complex molecular mechanism for regulating PIF4 activity. To address the molecular mechanism of regulating PIF4 activity， we reviewed transcription， protein stability， the bonding strength to target sequences and transcription activity of PIF4， and discussed the future possible research directions.

Key words Thermomorphogenesis;PIF4;Transcription-level regulation;Protein-level regulation

基金项目 国家自然科学基金项目（31600220）。

作者简介 张敏（1995—），女，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向：分子生态学。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事昆虫分类学研究。

收稿日期 2021-02-09

温度是植物生长发育的重要环境因子，深刻地影响着植物的分布和季节性行为。作为固定生长的生物，植物对温度非常敏感。在长期的自然选择过程中，植物进化出了一系列复杂的生长发育调控机制以适应不断变化的环境温度，温度形态建成就是其中之一[1]。温度形态建成是指由非逆境高温引起的一系列植物形态变化，例如下胚轴伸长生长和叶的上位性生长等[1]。其中下胚轴伸长生长是研究温度形态建成分子机制的理想模型。非逆境高温是指高于适宜生长温度且低于对植物产生伤害的逆境高温的温度。非逆境高温代表着植物依靠自身的调控来应对高温使自身不受伤害的温度范围。

高温与庇荫生长条件引起的植物形态变化非常相似[2]，这意味着这2种环境应答反应可能分享着相同的信号转导组分。受此观点启发，人们发现了basic helix-loop-helix（bHLH）转录因子PIF4是温度形态建成的一个关键调控因子[ 3]。通过协调下胚轴伸长基因的转录，PIF4在高温信号转导过程中发挥着极为重要的功能。在转移到高温后，PIF4的转录本丰度便迅速上升并开启温度形态建成[ 4-5]。与此同时，温度形态建成也需要严格精确地控制以平衡伸长反应带来的产量下降[6]。因此在长期的自然选择过程中，植物便进化出了调控PIF4活性的复杂机制，包括转录调控、蛋白质稳定性调控、靶序列结合能力调控和转录活性调控等。笔者将从以上4个方面来阐述温度形态建成中调控PIF4活性的分子机制。

1 对PIF4基因的转录调节

将幼苗转移到高温中能够在整株幼苗和子叶中快速提

升PIF4和PIF5的转录[5，7]，并且能够在下胚轴中更加稳定地提升PIF4和PIF5的转录[5]。庇荫条件引起的phyB活性下降不能影响PIF4的转录，因此温度控制的PIF4转录可能涉及温度受体介导的温度信号转导通路以外的信号途径。与野生型幼苗相比，pwr突变体在23 ℃中具有正常的PIF4基因和PIF4靶基因YUC8的转录本丰度，而在27 ℃中却明显低于野生型幼苗，这意味着组蛋白去乙酰化对PIF4的转录诱导至关重要。

EARLY FLOWERING 3（ELF3）、ELF4和LUX ARRHYTHMO（LUX）组成了 EVENING COMPLEX，它是生物钟的一个组成部分。这一复合体能够结合到PIF4的启动子区并且抑制PIF4的转录[8]。elf3突变体中PIF4的转录本水平较高[8]，因此它在较低温度下依然具有长下胚轴的表型[9]。温度升高抑制ELF3和LUX与其靶标启动子区的结合，从而使PIF4在高温中的表达受到促进[10-12]。虽然EVENING COMPLEX和phyB共同定位于细胞的很多位点，但是elf3突变体与phyB phyD phyE多突变体在引起下胚轴伸长的效应方面依然存在加成效应，这说明ELF3与phyB分属于不同的温度信号转导途径[11]。

PIF4是HY5的直接靶基因，并且受到HY5的抑制[13-15]，但是这一调控过程尚存在着一定的争议[15]。此外，HY5的基因表达和蛋白稳定性都会受到温度升高的抑制[1 16-17]。紫外线B（ultraviolet-b，UV-B）辐射通过被光受体UV-RESISTANCE LOCUS 8（UVR8）感受后抑制PIF4以及PIF4诱导基因的表达[18]。UVR8以失活的二聚体形式存在，它通过感受UV-B被转化为具有活性的单体状态。UVB单体能够与下游的配体相互作用，从而将温度信号传递下去[19];UVR8单体的比例随着温度的升高而降低，并且更快地转化为失活的二聚体形式[20]。

BRASSINAZOLE-RESISTANT 1（BZR1）是油菜素内酯信号转导通路中的一个关键转录因子，它能够与PIF4的启动子区结合并促进PIF4的转录[21]。高温诱导的下胚轴伸长生长需要BZR1和PIF4的共同存在[22]。在高温条件下，功能获得型的bzr1突变体和BZR1过表达植物与野生型相比具有较长的下胚轴表型和较高的SMALL AUXIN UP RNAs 19（SAUR19）转录本水平[21]。温度升高能够促进BZR1蛋白质的入核，但是并不能明显地促进BZR1基因的转录和提高BZR1蛋白质的丰度[5，21]。

CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1（COP1）是一种E3连接酶，与SUPPRESSOR OF PHYA-105 1（SPA1）、SPA2、SPA3和（或）SPA4 形成一个复合体[23]。这一复合体是多聚体CULLIN 4（CUL4）-DAMAGED DNABINDING PROTEIN 1（DDB1）E3连接酶的底物连接适配子[23]。DE-ETIOLATED 1（DET1）和COP10形成另外一种多聚体CUL4-DDB1连接酶，这一复合体明显地增强了CUL4-DDB-COP1-SPA多亚基复合体的活性[23]。在高温培养条件下，与野生型相比cop1、det1、cop10、cul4和spa1 spa3 spa4突变体均展现出短下胚轴表型[13]。因此，COP1、DET1、COP10、CUL4、SPA1、SPA3和SPA4都是温度形态建成的正向调控因子，发挥着促进温度形态建成的功能。温度升高促进COP1在细胞核中的积累[24]，COP1在细胞核中促进PIF4基因的转录，但这一调控并不是通过降低HY5蛋白质的丰度来实现的[15]，尽管HY5是COP1的底物[23]。

2 对PIF4蛋白稳定性的调节

在白光与黑暗循环的条件下种植的拟南芥幼苗中，当phyB活性因转暗而下降时，PIF4的蛋白质水平在第1个小时中就上升了，而且其转录本水平并未出现明显变化[25]。这意味着转暗提升了PIF4蛋白质的稳定性[25]。在转暗诱导的phyB活性下降的条件下，PIF5（在高温诱导的下胚轴伸长生长中存在与PIF4的功能冗余）的蛋白质稳定性也快速上升了[26]。与转暗相似，温度升高也能够降低phyB的活性，因此PIF4的蛋白质稳定性在温度升高条件下可能也会上升。有研究证明事实的确如此：在红光/黑暗循环条件下，PIF4蛋白质的稳定性在25 ℃下生长的幼苗中较高，而在15 ℃下生长的幼苗中较低[27]。这种蛋白质稳定性的不同在蓝光/黑暗循环条件下变小[27]，因为蓝光激活phyB的效率显著低于红光。然而，在持续白光和长日照（16 h光照/8 h黑暗）条件下，PIF4的蛋白质稳定性在20和29 ℃中没有明显差别[5，18]。在将幼苗由黑暗转移到光照下后，被激活的phyB与PIF4发生直接的蛋白质相互作用，并在介导PIF4磷酸化后引起PIF4在蛋白酶体中被降解[28]。

BLADE-ON-PETIOLE 1（BOP1）和BOP2 是 Bric-à-brac/Tramtrack/Broad（BTB）类蛋白质，是参与PIF4降解的CUL3 E3连接酶的靶标识别适配子[29]。二者能够与CUL3和PIF4发生直接的蛋白质相互作用，并且CUL3-BOP复合体介导PIF4的多聚泛素化[29]。bop1和bop2突变体能够累加性地提升高温诱导的下胚轴伸长反应，并且pif4突变体对于bop1bop2双突变体具有部分的遗传上位性效应[29]。然而，bop2依然保持着较强的温度应答反应[29]，而且温度是否影响了BOP1和BOP2与PIF4的相互作用目前仍不清楚。

PIF4蛋白能够与DELLA蛋白发生直接的相互作用。这一相互作用会降低PIF4蛋白的稳定性，但是负责此降解过程的E3连接酶至今还未被找到。虽然温度升高会使DELLA蛋白变得不稳定，但是DELLA蛋白介导的应答高溫的PIF4蛋白降解的意义目前还不得而知。det1和cop1突变体中PIF4的蛋白质丰度高于野生型[15]，这说明DET1和COP1能够增强PIF4的转录强度和提高PIF4的蛋白质丰度，或者能够做到二者中的一项。det1和cop1突变体能够降低PIF4过表达植物下胚轴的伸长速率和高温诱导的下胚轴伸长生长[15]，这说明DET1和COP1能够提高PIF4的蛋白质稳定性，因为PIF4过表达植物中驱动PIF4表达的35S强启动子不受调控PIF4转录因子的影响。

3 对PIF4与靶序列结合能力的调控

除了前面提到过的对PIF4蛋白质稳定性的调控外，DELLA蛋白还能够通过与PIF4的DNA结合结构域结合来使PIF4丧失与其DNA靶序列的结合能力[30]。高温会促进DELLA蛋白的降解，从而激活PIF4的转录调控能力。因此，温度诱导的下胚轴伸长生长能够被提高DELLA蛋白稳定性的因素所抑制，例如GA合成抑制剂处理、GA合成基因的突变和GA受体基因的突变等[5]。

LONG HYPOCOTYL IN FAR RED 1（HFR1）和PHYTOCHROME RAPIDLY REGULATED 1（PAR1）是非典型的bHLH蛋白，二者都能够与PIF4形成异源二聚体[31-32]。这种二聚体形成后PIF4便丧失了与靶标DNA的结合能力，进而丧失了激活基因表达的能力[31-32]。高温通过增加HFR1基因表达和蛋白质稳定性的方式来提高HFR1蛋白质的丰度[18，27]。PACLOBUTRAZOL RESISTANT 1（PRE1）是另外一种非典型的bHLH蛋白，它能够与HFR1和PAR1发生蛋白质相互作用从而释放PIF 使其恢复转录调控的功能。

ELF3能够降低PIF4过表达植株的长下胚轴表型和增强的PIF4靶基因表达强度，这意味着除了调控PIF4转录的功能外，ELF3对PIF4还会施加其他的影响[33]。试验证明，ELF3能够与PIF4发生直接的蛋白质相互作用并阻止PIF4与靶基因启动子区的结合[33]。

转录因子SEUSS（SEU）能够与PIF4发生相互作用并且共同调控许多基因的表达[34]。SEU能够提升PIF4与某些靶基因的结合能力，并促进高温诱导的基因表达和下胚轴伸长生长[34]，但是温度对SEU的影响目前还不清楚。高温中，PIF4会募集FCA到染色质上，而后FCA诱导相关区域染色质的重塑[35]。这一重塑事件会使PIF4从靶基因的启动子区解离下来并且抑制植物对高温的相应[35]。转录因子HY5能够与PIF4竞争性地结合于YUC8等靶基因（促进温度诱导的下胚轴伸长生长的基因）的启动子区域，从而降低PIF4促进这些基因转录的能力[15]。

4 对PIF4转录活性的调控

转录因子TIMING OF CAB EXPRESSION1（TOC1）和PSEUDORESPONSE REGULATOR5（PRR5）是生物钟的组分并且能够与PIF4发生直接的蛋白质相互作用[36]。TOC1与PIF4可能通过共同结合G-box基序紧密地定位于许多靶基因的启动子区[36]。原生质体试验表明TOC1抑制PIF4对靶基因启动子的激活，但是不影响PIF4与靶序列的结合[36]。TOC1和PRR5的过表达会减弱高温诱导的下胚轴伸长生长和PIF4靶基因的表达（例如YUC8、IAA19和IAA29）。toc1突变体展现出相应高温的超敏反应，pif4突变体对于此表型具有遗传上位性[36]。

蓝光激活的crytochrome 1（cry1）和cry2光受体也能够与PIF4发生直接的相互作用[37-38]。在被cry1接收后，蓝光降低了高温诱导的YUC8表达、生长素积累和下胚轴伸长[37]。cry1与PIF4共同结合于许多靶基因启动子区的相同区域[37]。高温对cry1的蛋白质丰度影响也很小，但却能够在蓝光下增强cry1与PIF4的DNA结合靶标的结合强度[37]。cry1的存在不影响PIF4与YUC8启动子区的结合强度，但却能够降低PIF4促进YUC8表达的能力[37]。

5 PIF4所受调控的研究领域中有待解决的问题

由于PIF4在温度形态建成中的重要地位，所以植物进化出了大量的调控机制以严格控制PIF4的活性。这就造成了虽然研究者们已经报道了许多调控PIF4的分子机制，但是依然有许多调控机制尚未被发现。

（1）PIF4引起的负反馈调控机制。PIF4具有促进温度形态建成的功能。如果PIF4的作用强度超出作物所需，就很可能会影响作物的产量。因此，及时准确的负反馈调节就至关重要。由PIF4自身所引起的负反馈调节将能精准快速地实现对PIF4活性的调控，然而目前这方面的研究成果却比较少。

（2）介导PIF4降解的E3连接酶。PIF4蛋白降解是其活性调控机制的重要组成部分，E3连接酶是介导PIF4蛋白降解的重要調控因子。目前仍然有尚未被发现的介导PIF4蛋白降解的E3连接酶。例如DELLA蛋白与PIF4发生相互作用后会引起它的降解，但是此降解过程的E3连接酶目前尚未被发现。

（3）染色质重塑对PIF4活性的调控。目前的研究表明染色质重塑广泛存在于基因转录的调控过程中。在温度形态建成过程中对PIF4基因转录的调控和PIF4调控其他基因转录的情况非常多，然而这些转录调控的染色质重塑过程分子机制却很少被研究。

参考文献

[1] KOINI M A，ALVEY L，ALLEN T，et al.High temperature-mediated adaptations in plant architecture require the bHLH transcription factor PIF4[J].Current biology，2009，19（5）：408-413.

[2] Franklin K A.Shade avoidance[J].New phytologist，2008，179（4）：930-944.

[3] PROVENIERS M C G，VAN ZANTEN M.High temperature acclimation through PIF4 signaling[J].Trends in plant science，201 18（2）：59-64.

[4] SUN J Q，QI L L，LI Y N，et al.PIF4-mediated activation of YUCCA8 expression integrates temperature into the auxin pathway in regulating Arabidopsis hypocotyl growth[J].PLoS Genetics，201 8（3）：1-9.

[5] STAVANG J A，GALLEGO-BARTOLOM J，G MEZ M D，et al.Hormonal regulation of temperature-induced growth in Arabidopsis[J].The plant journal，2009，60（4）：589-601.

[6] FOREMAN J，JOHANSSON H，HORNITSCHEK P，et al.Light receptor action is critical for maintaining plant biomass at warm ambient temperatures[J].The plant journal，201 65（3）：441-452.

[7] KOINI M A，ALVEY L，ALLEN T，et al.High temperature-mediated adaptations in plant architecture require the bHLH transcription factor PIF4[J].Current biology，2009，19（5）：408-413.

[8] NUSINOW D A，HELFER A，HAMILTON E E，et al.The ELF4-ELF3-LUX complex links the circadian clock to diurnal control of hypocotyl growth[J].Nature，201 475（7356）：398-402.

[9] THINES B，HARMON F G.Ambient temperature response establishes ELF3 as a required component of the core Arabidopsis circadian clock[J].Proceedings of the national academy of sciences of the United States of America，2010，107（7）：3257-3262.

[10] BOX M S，HUANG B E，DOMIJAN M，et al.ELF3 controls thermoresponsive growth in Arabidopsis[J].Current biology，2015，25（2）：194-199.

[11] EZER D，JUNG J H，LAN H，et al.The evening complex coordinates environmental and endogenous signals in Arabidopsis[J].Nature plants，2017，3（13）：17029-17033.

[12] RASCHKE A，IBA EZ C，ULLRICH K，et al.Natural variants of ELF3 affect thermomorphogenesis by transcriptionally modulating PIF4-dependent auxin response genes[J].BMC Plant Biology，2015，15（1）：1-10.

[13] DELKER C，SONNTAG L，JAMES G V，et al.The DET1-COP1-HY5 pathway constitutes a multipurpose signaling module regulating plant photomorphogenesis and thermomorphogenesis[J].Cell reports，201 9（6）：1983-1989.

[14] LEE J，HE K，STOLC V，et al.Analysis of transcription factor HY5 genomic binding sites revealed its hierarchical role in light regulation of development[J].The plant cell，2007，19（3）：731-749.

[15] GANGAPPA S N，KUMAR S V.DET1 and HY5 control PIF4-mediated thermosensory elongation growth through distinct mechanisms[J].Cell reports，2017，18（2）：344-351.

[16] CATAL R，MEDINA J，SALINAS J.Integration of low temperature and light signaling during cold acclimation response in Arabidopsis[J].Proceedings of the national academy of sciences，201 108（39）：16475-16480.

[17] TOLEDO-ORTIZ G，JOHANSSON H，LEE K P，et al.The HY5-PIF regulatory module coordinates light and temperature control of photosynthetic gene transcription[J].PLoS Genetics，201 10（6）：1-14.

[18] HAYES S，SHARMA A，FRASER D P，et al.UV-B perceived by the UVR8 photoreceptor inhibits plant thermomorphogenesis[J].Current biology，2017，27（1）：120-127.

[19] HEIJDE M，ULM R.UV-B photoreceptor-mediated signalling in plants[J].Trends in plant science，201 17（4）：230-237.

[20] FINDLAY K M W，JENKINS G I.Regulation of UVR8 photoreceptor dimer/monomer photo-equilibrium in Arabidopsis plants grown under photoperiodic conditions[J].Plant，cell & environment，2016，39（8）：1706-1714.

[21] IBA EZ C，DELKER C，MARTINEZ C，et al.Brassinosteroids dominate hormonal regulation of plant thermomorphogenesis via BZR1[J].Current biology，2018，28（2）：303-310.

[22] OH E，ZHU J Y，WANG Z Y.Interaction between BZR1 and PIF4 integrates brassinosteroid and environmental responses[J].Nature cell biology，201 14（8）：802-809.

[23] LAU O S，DENG X W.The photomorphogenic repressors COP1 and DET1：20 years later[J].Trends in plant science，201 17（10）：584-593.

[24] 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.

[25] PUCCIARIELLO O，LEGRIS M，COSTIGLIOLO ROJAS C，et al.Rewiring of auxin signaling under persistent shade[J].PNAS，2018，115（21）：5612-5617.

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

[27] FOREMAN J，JOHANSSON H，HORNITSCHEK P，et al.Light receptor action is critical for maintaining plant biomass at warm ambient temperatures[J].The plant journal，201 65（3）：441-452.

[28] LORRAIN S，ALLEN T，DUEK P D，et al.Phytochrome-mediated inhibition of shade avoidance involves degradation of growth-promoting bHLH transcription factors[J].The plant journal，2008，53（2）：312-323.

[29]

ZHANG B，HOLMLUND M，LORRAIN S，et al.BLADE-ON-PETIOLE proteins act in an E3 ubiquitin ligase complex to regulate PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4 abundance[J].eLife，2017，6：1-19.

[30] DE LUCAS M，DAVI RE J M，RODR GUEZ-FALC N M，et al.A molecular framework for light and gibberellin control of cell elongation[J].Nature，2008，451（7177）：480-484.

[31] HORNITSCHEK P，LORRAIN S，ZOETE V，et al.Inhibition of the shade avoidance response by formation of non-DNA binding bHLH heterodimers[J].The EMBO Journal，2009，28（24）：3893-3902.

[32] ROIG-VILLANOVA I，BOU-TORRENT J，GALSTYAN A，et al.Interaction of shade avoidance and auxin responses：A role for two novel atypical bHLH proteins[J].The EMBO Journal，2007，26（22）：4756-4767.

[33] NIETO C，L PEZ-SALMER N V，DAVI RE J M，et al.ELF3-PIF4 interaction regulates plant growth independently of the evening complex[J].Current biology，2015，25（2）：187-193.

[34] HUAI J L，ZHANG X Y，LI J L，et al.SEUSS and PIF4 coordinately regulate light and temperature signaling pathways to control plant growth[J].Molecular plant，2018，11（7）：928-942.

[35] LEE H J，JUNG J H，CORTS LLORCA L，et al.FCA mediates thermal adaptation of stem growth by attenuating auxin action in Arabidopsis[J].Nature communications，201 5（1）：1-7.

[36] ZHU J Y，OH E，WANG T，et al.TOC1-PIF4 interaction mediates the circadian gating of thermoresponsive growth in Arabidopsis[J].Nature communications，2016，7（1）：1-10.

[37] MA D B，LI X，GUO Y X，et al.Cryptochrome 1 interacts with PIF4 to regulate high temperature-mediated hypocotyl elongation in response to blue light[J].Proceedings of the national academy of sciences，2016，113（1）：224-229.

[38] PEDMALE U V，HUANG S C，ZANDER M，et al.Cryptochromes interact directly with PIFs to control plant growth in limiting blue light[J].Cell，2016，164（1/2）：233-245.