番茄是一種重要的園藝作物，也是研究光形態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，調控植物的生長發育、次生代謝和對環境逆境的適應性(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境條件下的生長發育表現較野生型差，表明了UVR8介導的光信號通路對與植物適應環境具有重要的作用 (Favory et al., 2009)。研究發現光受體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，上海交通大學農業與生物學院尹若賀課題組在The Plant Cell雜志發表了題為“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，維持體內HY5的水平，調節番茄的光形態建成(Yang et al., 2022)。
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
前人研究發現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同轉錄激活靶基因。在該研究中，研究人員發現在番茄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，從而維持適當的HY5表達水平（上圖）。對野生型番茄進行不同時間長度的紫外光處理，發現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(Zhang et al., 2021)。在本研究中，利用番茄rup突變體，研究人員發現RUP負調控環只在早期抑制HY5的轉錄表達，而后期的負調控主要由HY5蛋白自身調節。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，分別在光信號轉導的早期和晚期發揮作用，平衡植物對紫外光UV-B的響應（上圖）。
綜上，該研究以園藝作物番茄為材料系統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。
來源：上海交通大學新聞網
來源：上海交通大學新聞網
