综述：泛素“交响乐”：E3连接酶在果蔬生长发育与应激反应调控中的关键作用

《Horticultural Plant Journal》：The ubiquitin symphony: E3 ligases as key conductors in the orchestra of growth and stress responses in fruits and vegetables

本文系统综述了E3泛素连接酶在水果和蔬菜生长、发育及应对生物和非生物胁迫中的分子机制，为未来研究提供理论基础。

　　植物在生长、发育及应对各种生物和非生物胁迫的过程中，经历了一系列复杂的调控机制。这些机制对于维持植物的生理功能、确保果实和蔬菜的品质至关重要。其中，泛素-蛋白酶体系统（UPS）是调控这些过程的关键途径之一，而E3泛素连接酶在该系统中扮演着核心角色。E3连接酶通过识别特定蛋白并将其标记为降解，影响蛋白质的稳定性、活性及定位，从而参与多种细胞功能的调控。随着研究的深入，越来越多的E3连接酶被发现参与果实和蔬菜的生长、发育及胁迫响应，然而，目前仍缺乏对这些连接酶在广泛果蔬种类中的系统性研究。本文旨在介绍不同类型的E3泛素连接酶及其在果实和蔬菜发育与胁迫响应中的调控功能和机制，为进一步探索其作用提供理论基础。

### E3泛素连接酶的分类与功能

E3泛素连接酶在植物中表现出高度的多样性和复杂性，它们不仅在数量上差异显著，其功能也涉及多个层面。根据序列特征和泛素转移机制，E3连接酶可分为几种主要类型，包括HECT型、RING型、U-box型、RBR型以及Cullin-RING连接酶（CRL）。其中，HECT型连接酶以其独特的催化结构而著称，通常包含一个约350个氨基酸的HECT结构域，位于C端。这些连接酶通过形成E3-泛素中间体，将泛素从E2连接酶转移到目标蛋白上。在植物中，HECT型连接酶主要作为转录调控因子，影响特定基因的表达，并在果实发育和胁迫响应中发挥重要作用。然而，目前在番茄和苹果等果蔬中报道的HECT型连接酶数量相对较少。

RING型连接酶是最常见的E3连接酶，其结构由一个富含半胱氨酸（Cys）和组氨酸（His）的锌结合域组成。该结构域通过直接与E2连接酶相互作用，将泛素直接转移到目标蛋白上，而无需形成E3-泛素中间体。RING型连接酶在植物中广泛存在，例如在苹果中，超过600个RING型连接酶已被鉴定，而番茄中也有大量相关基因。这些连接酶在果实成熟、细胞壁代谢和胁迫响应中起关键作用，其表达水平往往随着环境变化而波动。此外，一些RING型连接酶还包含SINA结构域，使其能够与特定的转录因子相互作用，从而调控植物的生理反应。

U-box型连接酶在植物中同样具有重要作用，其结构域与RING型相似，但通过不同的机制发挥作用。U-box结构域通常由约70个氨基酸组成，能够直接与E2连接酶结合，促进泛素的转移。此外，U-box型连接酶还与其他蛋白相互作用，如Armadillo重复结构域、EF3结构域等，从而参与多种信号传导过程。在苹果、番茄、葡萄等果蔬中，U-box型连接酶的数量相对较多，其在果实发育、色素合成和胁迫响应中的调控作用逐渐被揭示。例如，在苹果中，U-box型连接酶MdPUB24通过泛素化作用调控果实成熟和抗病性，而番茄中的SlU-box13、43、50和51可能在果实发育中起关键作用。

RBR型连接酶则是一种较为特殊的E3连接酶，其结构包含三个锌结合域：RING1、IBR和RING2。这种结构使其能够在不依赖E3-泛素中间体的情况下，通过两个步骤完成泛素的转移。RBR型连接酶在植物中的研究仍处于初步阶段，但在番茄和葡萄中已有相关报道。例如，番茄中的SlCHIP基因编码一个U-box结构域蛋白，其表达在高温胁迫下显著上调，表现出增强的热耐受性。这些研究显示，RBR型连接酶在调控植物对环境胁迫的反应方面具有潜力。

CRL型连接酶则是由多个亚基组成的多亚基复合物，其中Cullin蛋白作为支架蛋白，结合不同的E3连接酶亚基，如RBX1、Skp1等。这些复合物在调控植物的生长发育和胁迫响应中起着重要作用。例如，在番茄中，CRL4型连接酶SlDDB1通过降解特定的转录因子，调控果实的成熟和抗病性。此外，CRL型连接酶在调控植物的抗氧化能力和重金属耐受性方面也显示出重要作用。在番茄中，SlRING1通过泛素化特定的转运蛋白和抗氧化调控因子，降低细胞内的镉（Cd）浓度，同时增强抗氧化酶的活性，从而提高植物对镉胁迫的耐受性。

### E3泛素连接酶在果实和蔬菜生长发育中的调控作用

果实和蔬菜的生长发育受到多种因素的影响，包括果实大小、形状、色素合成及成熟过程。E3泛素连接酶在这些过程中发挥着关键作用。例如，番茄中的RING型连接酶SlDDB1通过泛素化和降解SlCK2α，负向调控果实大小，从而影响果实的发育。此外，苹果中的U-box型连接酶MdPUB24通过泛素化MdBEL7，促进叶绿素降解，从而影响果实成熟过程。在香蕉中，MaBAH1通过泛素化MaMYB60，抑制叶绿素降解，导致果实出现绿色表皮现象，影响其市场价值。

在果实成熟过程中，乙烯（Ethylene）是一种重要的植物激素，其合成和信号传导受到E3连接酶的调控。例如，在苹果中，MdPUB29通过泛素化MdbHLH3，负向调控乙烯积累，从而影响果实的成熟和软化过程。而在香蕉中，MaBRG2和MaBRG3通过降解MaMYB4，促进乙烯合成和果实软化。此外，番茄中的SlEBF1-3基因通过与EIN3和EILs蛋白相互作用，调控乙烯信号传导，进而影响果实成熟。

除了果实成熟，E3连接酶还参与果实的色素合成。例如，在番茄中，PPSR1通过泛素化PSY1，抑制类胡萝卜素的合成，从而影响果实的颜色。而在苹果中，SP1的过表达能够促进叶绿体向有色体的转化，增强果实的成熟和颜色变化。此外，花青素（Anthocyanin）是另一种重要的色素，其合成受到多种E3连接酶的调控。在苹果中，MdSINA4和MdSINA11通过泛素化MdIAA29和MdARF5-1，调控花青素的合成和积累，从而影响果实的颜色和品质。

### E3泛素连接酶在生物胁迫中的作用

果实和蔬菜在生长和收获过程中，常常面临多种生物胁迫，如真菌、细菌和病毒的感染。E3泛素连接酶在这些胁迫响应中起着关键作用。例如，在番茄中，U-box型连接酶PUB12/13通过泛素化PSK受体蛋白PSKR1，负向调控植物的抗病性。而在苹果中，MdPUB29的过表达能够增强对Verticillium verticillioide的抗性，通过促进水杨酸（SA）的合成和信号传导。此外，在甘蓝中，BoPUBs的表达在Alternaria brassicicola感染后显著上调，表明其在抗病性中的潜在作用。

在根结线虫（RKN）感染的情况下，番茄中的RING型连接酶RIN1和AdBiL能够增强植物对RKN的抗性。这些连接酶通过与CSN4等信号亚基相互作用，调控植物的免疫反应。此外，在西瓜中，CLE3R型连接酶与A. Citrulli组II菌株的效应蛋白AopU相互作用，影响植物的免疫反应。而在桃子中，PpHOS1通过泛素化PpWRKY22，增强对Rhizopus stolonifera的抗性。这些研究显示，E3泛素连接酶在调控植物对生物胁迫的响应方面具有重要作用。

### E3泛素连接酶在非生物胁迫中的调控作用

除了生物胁迫，植物还面临多种非生物胁迫，如干旱、盐害、温度变化和重金属污染。E3泛素连接酶在这些胁迫条件下的调控作用同样显著。例如，在香蕉中，超过50个MaU-box基因在干旱胁迫下显著上调，表明其在干旱响应中的潜在作用。而在马铃薯中，StPUB49、StPUB51和StPUB58通过与泛素修饰蛋白形成复合物，参与干旱胁迫的调控。

盐害是植物生长过程中常见的非生物胁迫之一，其主要原因是土壤中过量的可溶性盐分影响植物的水分吸收，导致渗透胁迫和离子毒性。在苹果中，MdPUB29的过表达能够增强植物对盐害的耐受性，而葡萄中的VviPUB19则通过降解VviERF105和Exo70B，负向调控盐害抗性。此外，在番茄中，SlPUB10、SlPUB13、SlPUB30、SlPUB31和SlPUB43在盐害和低温胁迫下显著上调，表现出增强的抗氧化能力和胁迫耐受性。

温度胁迫也是影响植物生长和果实品质的重要因素。在葡萄中，VpPUB2通过促进VpICE1的积累，增强植物对低温胁迫的耐受性。而在梨中，PbrPUB3、PbrPUB12、PbrPUB36和PbrPUB48在低温胁迫下显著上调，表明其在低温响应中的潜在作用。此外，在番茄中，SlCHIP的过表达能够提高植物对高温胁迫的耐受性，而某些RING型连接酶则表现出对低温胁迫的负向调控作用。这些研究显示，E3泛素连接酶在调控植物对温度胁迫的反应方面具有重要作用。

重金属污染是影响果蔬品质和产量的另一大问题，特别是镉（Cd）污染对植物的生长和代谢造成严重影响。在番茄中，SlRING1通过泛素化特定的转运蛋白和抗氧化调控因子，降低细胞内的Cd浓度，同时增强抗氧化酶的活性，从而提高植物对Cd胁迫的耐受性。此外，SlUPS基因在CdCl?处理下显著上调，其在拟南芥中的异源表达能够提高植物在Cd胁迫下的萌发和生长能力，表明其在调控植物对Cd胁迫中的潜在作用。

### E3泛素连接酶在果实和蔬菜中的未来研究方向

尽管E3泛素连接酶在果实和蔬菜的生长发育及胁迫响应中发挥着重要作用，但目前仍有许多未知的连接酶及其具体功能尚未被完全揭示。这主要是由于基因组注释不完整、泛素化事件的检测技术有限、底物特异性相互作用的映射困难以及对植物体内泛素化调控机制的理解不足。为了克服这些挑战，研究者正在探索多种新兴技术，如单细胞RNA测序（scRNA-seq）和空间转录组学，以解析不同细胞类型中E3连接酶的具体功能。此外，结合CRISPR技术的E3筛选和泛素组学（ubiquitin proteomics）能够系统地识别底物网络，而深度学习模型如AlphaFold-Multimer则可以预测E3连接酶与底物之间的相互作用，补充传统的低通量酵母双杂交实验。这些技术的发展为深入研究E3泛素连接酶在果实和蔬菜中的作用提供了新的途径，有助于进一步优化作物的品质和产量，提高其在逆境下的适应能力。