《GM Crops & Food》：AP2/ERF transcription factors in plant stress adaptation: evolutionary expansion, functional diversification and hormone crosstalk
APETALA2/乙烯响应因子（AP2/ERF）转录因子构成一个植物特有的调控家族，协调植物发育、环境胁迫响应和激素信号传导。然而，AP2/ERF家族的扩张及其功能分化对环境适应的贡献尚未在进化和机制尺度上得到全面整合。本综述综合了经典发现和过去五年的代表性进展，涵盖结构分类、重复驱动的扩张、功能分化、胁迫适应和激素交互，特别强调重复后分化如何塑造调控功能。通过这些研究，AP2/ERF蛋白被揭示为连接环境或激素信号与直接靶基因及下游生理响应的情境依赖性节点。这一视角将家族扩张与已证实的适应功能区分开来，并有助于解释为何亲缘关系近的AP2/ERF在不同生物学情境下可能产生截然相反的结果。研究人员进一步讨论了在非模式物种中进行功能验证、多胁迫实验、多组学整合、田间表型鉴定以及基于基因编辑的育种等优先方向，突显了具有培育抗逆作物潜力的AP2/ERF调控因子。
1 引言
植物持续暴露于干旱、盐碱、低温和高温等非生物胁迫，以及病原菌侵染和植食性动物取食造成的生物胁迫。这些胁迫扰乱细胞水分平衡、离子稳态、膜稳定性、蛋白质稳态和光合效率，并诱导活性氧（ROS）积累。为应对多变环境，植物演化出多层级的调控网络，连接外部信号感知、胞内信号转导和转录重编程。转录因子是基因表达的核心调控因子，能将上游信号转化为特定的转录输出，通常识别靶基因启动子中的顺式作用元件，激活或抑制转录，成为环境信号与细胞响应之间的关键节点。
APETALA2/乙烯响应因子（AP2/ERF）转录因子是一个植物特有的转录因子家族，含有一个或多个AP2/ERF DNA结合结构域，广泛参与花器官形成、种子成熟、根系发育、果实成熟、胁迫响应和激素信号传导。根据结构域数量、是否含有B3结构域、系统发育关系和DNA结合特异性，AP2/ERF超家族通常分为AP2、脱水响应元件结合蛋白（DREB）、ERF、与ABI3/VP1相关的RAV和Soloist组。DREB成员优先识别脱水响应元件/C重复序列（DRE/CRT），主要与干旱、低温和高盐响应相关。ERF成员通常识别GCC-box或相关元件，参与乙烯信号传导、防御反应、非生物胁迫适应和多种发育过程。
AP2/ERF因子并非孤立发挥作用，而是处于更广泛的转录和代谢网络中。其他转录因子家族也参与非生物胁迫响应。例如，在八棱海棠中，MbWRKY1与耐旱性相关，MbWRKY5增强耐旱和耐盐性，MbNAC29提高耐冷和高盐耐受性。在葡萄中，VhMYB15在拟南芥中表达时可提高盐和干旱耐受性。胁迫适应还涉及代谢基因，如小金海棠柠檬酸合酶基因MxCS1过表达可增强铁胁迫耐受性。这些研究表明，植物胁迫耐受性由相互连接的转录和代谢通路共同调控，构成了AP2/ERF因子发挥功能的更广泛的调控背景。
近年来，AP2/ERF基因的全基因组鉴定和功能研究在多种植物物种中迅速增加，已有若干综述从结构分类、胁迫响应、激素调节和生物胁迫防御等角度总结了该家族。然而，AP2/ERF介导的环境适应仍有三个方面需要更深入的整合。首先，许多研究报告了不同物种中AP2/ERF成员的数量，但较少从功能进化角度解释基因重复后的新功能化、亚功能化和功能冗余如何促进环境适应。其次，胁迫响应部分常按胁迫类型列举基因，而更清晰的调控链条——连接上游信号、AP2/ERF节点、直接靶基因和下游生理表型——仍属缺乏。第三，特定AP2/ERF成员的作用方向可能随胁迫或激素情境而变化，因此强调情境依赖性而非简单将其归类为正或负调控因子至关重要。
基于此，理解AP2/ERF转录因子的环境角色不仅应考虑该家族的扩张方式，还应关注重复后保留拷贝的命运。表达模式、互作伙伴、靶基因选择和激素响应性的分化可使亲缘关系近的AP2/ERF获得不同功能，从而使相似的上游信号产生不同的生理结果。从这个角度看，AP2/ERF功能反映了进化历史、上游信号、靶标选择和生物学情境的综合效应。当遗传扰动能与直接靶标调控及下游生理变化相关联时，机制证据最为有力，而胁迫或激素诱导的表达仅建立关联而非因果关系。这种区分对于评估AP2/ERF多样化如何促进环境适应具有重要意义。
通过这一整合视角，本综述强调了AP2/ERF转录因子作为植物环境适应网络中核心转录调控节点的价值，并为抗逆作物育种提供新见解。
2 AP2/ERF转录因子的发现与结构特征
AP2/ERF家族的研究源于对花发育和乙烯响应相关基因的功能鉴定。Jofuku等人克隆了拟南芥APETALA2（AP2）基因，证明其编码含两个AP2结构域的蛋白，调控花器官和种子发育。随后，Ohme-Takagi和Shinshi在烟草中鉴定了结合乙烯响应元件的乙烯响应元件结合蛋白（EREBPs），为ERF转录因子的研究奠定了基础。随着基因组测序和系统发育分析的发展，AP2/ERF转录因子逐渐被确认为植物特有且相对较大的转录因子超家族。
AP2/ERF蛋白的核心结构是AP2结构域，通常由约60-70个氨基酸残基组成，形成由三个β折叠和一个α螺旋组成的保守三维结构，使其能够识别靶基因启动子中的特定DNA元件。AP2结构域一般包含YRG元件和RAYD元件，YRG元件富含碱性和亲水性氨基酸，主要参与DNA结合，而RAYD元件可形成两亲性α螺旋，可能参与蛋白质相互作用和结构稳定。这种相对保守的DNA结合结构为AP2/ERF成员参与多种生物学过程提供了分子基础。
根据结构域组成和系统发育关系，AP2/ERF超家族通常分为五大类。AP2亚家族成员通常含有两个AP2结构域，主要调控花器官形成、胚胎发生、种子成熟和营养器官发育。DREB亚家族成员通常含单个AP2结构域，优先结合DRE/CRT元件，广泛参与干旱、低温和高盐响应。ERF亚家族成员也通常含单个AP2结构域，但常识别GCC-box或相关乙烯响应元件，调控乙烯信号传导、生物胁迫防御、非生物胁迫适应和发育过程。RAV亚家族蛋白同时含有AP2和B3结构域，可整合发育和激素信号。Soloist成员数量较少，其AP2样结构域与典型的AP2、DREB、ERF和RAV成员不同，目前最清晰的功能证据来自拟南芥At4g13040/APD1，参与水杨酸（SA）积累和基础抗病性，表明Soloist成员可能参与免疫调控，但大多数作物Soloist成员仍缺乏突变体、靶基因和互作蛋白的证据。
3 AP2/ERF转录因子在植物中的扩张与多样性
AP2/ERF家族大小的变化可能与陆地植物的演化和被子植物的多样化相伴而生，受基因组重复、基因保留模式和物种特异性生态背景共同塑造。早期水生植物中AP2/ERF成员数量较少，表明该家族已在早期植物演化中出现但尚未大规模扩张。向陆地过渡后，植物面临新的选择压力，AP2/ERF家族逐渐扩张和多样化。总体而言，陆地植物和被子植物中AP2/ERF成员数量趋于增加，但物种间差异巨大，反映了基因组重复历史、生活型、生境和基因保留模式的综合效应。
AP2/ERF家族的扩张主要由全基因组重复（WGD）、片段重复和串联重复驱动。重复基因的命运通常包括非功能化、新功能化、亚功能化和功能冗余。非功能化指一个拷贝因突变积累、表达沉默或基因组缺失而丧失祖先功能；新功能化指获得祖先基因不具备的新功能；亚功能化指不同拷贝保留了祖先功能的不同子集；功能冗余指多个拷贝在一定时期内保留相似功能，可缓冲调控网络免受突变或环境波动的影响。对AP2/ERF家族而言，这些重复事件不仅增加了基因数量，还为组织、发育阶段和胁迫条件下的表达分化提供了遗传基础。
重复的AP2/ERF基因可能遵循不同的功能轨迹。在异源四倍体甘蓝型油菜中，AP2/ERF基因数量低于两个亲本亚基因组的简单总和，表明部分拷贝在多倍化后未被保留。相比之下，某些重复拷贝可通过新功能化获得新的适应性角色。例如，水稻SUB1A是VII组ERF基因，其功能分化使植物在短期完全淹没下采取静止策略，通过抑制伸长来节省能量；深水稻SNORKEL1/2也是ERF基因，但它们将乙烯信号导向赤霉素（GA）介导的快速节间伸长，形成逃逸策略。这些例子表明，不同的AP2/ERF成员可将相似的激素输入连接到不同甚至相反的生理输出。
亚功能化和功能冗余也是AP2/ERF重复后的常见命运。拟南芥CBF1、CBF2和CBF3位于同一冷响应基因簇中，均参与低温响应，但其表达模式和调控强度存在差异，表明串联重复产生的CBF成员可能分割了祖先冷响应功能的部分功能。同时，一些重复基因可保留相似功能并表现出部分冗余。例如，多个CBF成员可激活冷响应基因，水稻OsERF74、OsERF77、OsERF108和OsERF125共同调控OsHsfA2c并增强耐热性，组合敲除突变体表现出更强的热敏感性。因此，AP2/ERF扩张的意义不仅在于基因数量的增加，还在于重复拷贝在表达模式、靶基因选择和环境响应性方面的分化和保留。
跨物种比较显示，WGD对AP2/ERF家族扩张做出了重要贡献。被子植物祖先经历了数次古老的多倍化事件，许多现代作物经历了谱系特异性的近期多倍化。WGD后AP2/ERF成员的差异性保留可能与剂量平衡、调控网络复杂性和胁迫适应需求有关。在真双子叶植物中，AP2/ERF III和IX亚家族通过反复的WGD和串联重复发生了趋同扩张，表明某些AP2/ERF分支可能在古环境变化和陆地适应过程中受到正选择。
因此，AP2/ERF成员数量的增加并不等同于更强的抗逆性。关键在于重复基因是否在表达模式、靶基因选择、蛋白质相互作用和激素响应性方面发生了分化。多倍体作物通常保留许多AP2/ERF拷贝，其中一些可能维持功能冗余以确保基本调控稳定性，另一些则可能通过启动子变异、结构域细微改变或蛋白质互作变化发展出新的响应模式。这种从数量扩张到功能分化的转变是AP2/ERF参与植物环境适应的重要进化基础。
4 AP2/ERF转录因子在植物环境胁迫响应中的功能
环境胁迫可分为非生物胁迫和生物胁迫。非生物胁迫主要包括盐碱、干旱、低温和高温，生物胁迫主要由病原菌侵染、植食性动物取食及其他寄生或取食生物引起。AP2/ERF转录因子通常不单独作用于单一生理过程，而是整合上游信号、激素变化、翻译后修饰和靶基因表达，形成多层级的调控网络。
4.1 非生物胁迫
非生物胁迫主要包括盐碱、干旱、低温和高温，扰乱植物水分平衡、离子稳态、膜稳定性、蛋白质折叠和光合作用，并进一步诱导ROS积累和代谢重编程。AP2/ERF转录因子既可作为上游信号下游的响应因子，也可作为胁迫响应基因的直接调控因子。非生物胁迫下的AP2/ERF调控网络并非单一线性通路，而是由多个信号输入、转录因子节点和生理输出组成。盐胁迫下，AP2/ERF蛋白主要将离子和渗透损伤与脱落酸（ABA）调节、ROS稳态和细胞保护相连接。干旱胁迫下，它们协调氧化还原平衡、气孔行为、养分获取和光保护。低温胁迫下，DREB/CBF成员常充当冷感知、蛋白磷酸化和第二信使信号传导的汇聚点，而热响应AP2/ERF则调控蛋白质稳态、抗氧化保护和表皮屏障。
4.1.1 盐胁迫
盐胁迫通常由Na+和Cl-过度积累引起，同时诱导渗透胁迫、离子毒性、ROS积累、膜脂过氧化和光合作用降低。盐胁迫下的植物必须同时维持离子稳态、水分平衡和膜稳定性。盐响应AP2/ERF通过互补机制发挥作用。在水稻中，OsSAE1受盐和ABA诱导，直接抑制OsABI5，从而减少ABA介导的过度萌发抑制，改善幼苗建成。OsERF19通过直接激活OsOTS1和OsNCED5，并影响参与ABA信号、渗透调节和离子稳态的基因，包括OsLEA3、OsNHX1、OsHKT6、OsRAB21、OsP5CS1和OsABI2。在茄子中，沉默SmERF1会降低SmNCED1、SmNCED2、SmDHN1和SmDHNX1的表达。在百脉根中，LcERF056结合GCC-box或DRE元件，促进脂质转移、过氧化物清除和细胞结构维持。沉默SmERF1后观察到的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性降低进一步将该途径与抗氧化能力联系起来。
4.1.2 干旱胁迫
干旱胁迫直接限制植物吸水，进而导致细胞膨压降低、气孔调节、光合作用抑制、ROS积累和渗透失衡。与盐胁迫相比，干旱响应更强调保水、H2O2清除、气孔运动、根系吸收能力和保护性代谢物积累。干旱响应AP2/ERF在多个调控层面发挥作用。在烟草中，NtERF172直接结合NtCAT启动子中的DRE元件，增加CAT活性和H2O2清除，并与较小的气孔开度和减少的水分损失相关。在小麦中，TaRAP2-13L与TaWRKY10相互作用，增强TaNCED2-5B、TaSOD3-2A、TaSOD3-2D和TaGPX1-D的转录激活，将ABA生物合成与ROS清除联系起来。在杨树中，PalERF2直接靶向PalRD20、PalSAG113、PalPHL2和PalPHT1;4，将干旱相关响应与磷吸收联系起来。在苹果中，MdERF38与MdMYB1相互作用，促进MdDFR和MdUF3GT的激活，增加花青素积累，增强ROS缓冲和光保护。
4.1.3 低温胁迫
低温胁迫降低膜流动性，抑制酶活性和光合作用，并诱导细胞脱水、ROS积累和代谢重编程。早期冷响应通常包括膜刚性增加、Ca2+内流、ROS信号传导和激酶级联的激活，随后通过DREB/CBF型AP2/ERF转录因子激活下游冷响应基因。经典的ICE-CBF-COR通路是冷响应的核心框架，但近年研究表明，冷响应网络也受蛋白磷酸化、非典型第二信使、蛋白质相互作用、激素平衡和代谢调控的影响。在水稻中，OsSAPK9与OsERF52相互作用并在S261位点磷酸化，增加OsERF52稳定性及其与OsSPL14和OsICE1的相互作用，磷酸化的OsERF52随后激活OsCBF1、OsCBF2和OsCBF3。另一条感知途径由COLD6-OSM1模块提供，低温下OSM1与质膜定位的COLD6相互作用，促进2',3'-环腺苷一磷酸（2',3'-cAMP）积累，影响OsDREB1A和OsDREB1B的表达。在森林草莓中，FveDREB1B直接激活FveSCL23和FveCHS，FveSCL23-FveDELLA模块促进生长迟缓和耐冷性，FveCHS促进花青素积累并减少恢复过程中的光氧化损伤。
4.1.4 热胁迫
热胁迫导致蛋白质错误折叠、膜稳定性降低、光合作用抑制和过量ROS积累。植物耐热性通常依赖于热激转录因子/热激蛋白（HSF/HSP）介导的蛋白质保护，也需要抗氧化系统、气孔调节、角质层蜡质沉积和保护性代谢物。在百合中，LlERF012结合LlHSFB1启动子中的DRE元件，激活多个HSF基因，包括LlHSFA1、LlHSFA2、LlHSFA3A和LlHSFA3B，并与LlHSFA1相互作用，增强HSF依赖性转录和下游蛋白质保护。水稻OsERF74、OsERF77、OsERF108和OsERF125构成一组热响应ERF调控因子，共享共同靶标同时保留独特调控功能，这些因子通过GCC-box直接激活OsHsfA2c，进而诱导HSP和其他热响应基因。在芍药中，PlTOE3直接激活PlTDC，增加内源性植物褪黑素，支持高温下的ROS清除和抗氧化保护。大麦HvSHN1在转基因烟草中与气孔密度降低、角质层结构改变、蜡质相关和氧化胁迫相关基因表达增加、SOD和CAT活性升高以及丙二醛和H2O2水平降低相关。
4.2 生物胁迫
生物胁迫主要包括真菌、细菌和病毒病原体的感染，以及植食性昆虫、螨类和植物寄生线虫的取食或寄生压力。与非生物胁迫相比，生物胁迫更具互作特异性和动态性。植物识别病原体相关分子模式（PAMP）、效应蛋白或取食诱导的损伤信号后，可激活ROS爆发、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联、SA、茉莉酸（JA）、乙烯（ET）和ABA介导的信号传导、病程相关（PR）蛋白表达、细胞壁强化和防御代谢物积累。AP2/ERF转录因子常作为连接早期免疫信号与下游防御输出的转录节点。AP2/ERF在生物胁迫下的作用方向高度依赖情境。在一些互作中，内源AP2/ERF活性通过激素信号、细胞壁强化、PR蛋白或防御代谢改变抗性或易感性；在另一些情况下，病原体直接操纵AP2/ERF表达或活性以促进感染。
4.2.1 病原体感染期间的AP2/ERF调控
在病原体感染期间，AP2/ERF蛋白参与由真菌、细菌和病毒诱导的免疫调控。在水稻中，OsBIERF3过表达增强细胞壁相关防御，减少真菌和细菌生长，但同时降低耐冷性，揭示了抗病性与冷适应之间的权衡。相比之下，OsERF922受稻瘟病菌和ABA相关信号诱导，促进ABA生物合成基因OsNCED3和OsNCED4的表达，抑制PR和二萜类防御基因，从而增加稻瘟病易感性。在病毒互作中，NtERF5的诱导与NtPRB-1b、NtPR6和JA/ET标记基因表达增加以及病毒积累减少相关。当病原体直接靶向AP2/ERF节点时，情况更为特殊。在水稻细菌性叶枯病中，非洲黄单胞菌致病变种的转录激活样（TAL）效应子TalB识别并激活OsERF#123启动子，人工激活OsERF#123同样增加毒力，表明该因子是被病原体劫持的易感性节点。在葡萄中，VvRAV1可在早期防御中激活VvPR1，但葡萄卷叶相关病毒2的p24蛋白与VvRAV1相互作用，削弱其对VvPR1启动子的结合和激活，从而抑制宿主防御。
4.2.2 植食性动物取食期间的AP2/ERF调控
植食性动物取食胁迫主要包括咀嚼式和刺吸式两种取食模式。在菊花中，CmHRE2-like抑制CmCHS、CmCHI和CmF3'H，减少黄酮类积累，降低蚜虫抗性。在水稻中，OsERF3影响OsMPK3、OsMEK3、OsWRKY53和OsWRKY70，改变JA、SA和ET水平，增加胰蛋白酶抑制剂活性以及对咀嚼式昆虫的抗性；然而，针对褐飞虱等刺吸式昆虫，OsERF3抑制H2O2相关防御，降低抗性。
5 AP2/ERF转录因子介导的激素交互
植物激素间的交互作用是协调生长、胁迫耐受、免疫防御和发育重塑的基础。AP2/ERF介导的激素交互可分为四个功能模块：ABA-GA、ET-GA、JA/ASA/BR-ET和JA/ET/CK-生长素。
5.1 ABA-GA：胁迫下的休眠、萌发与生长抑制
ABA和GA通常在种子休眠、萌发和幼苗生长中表现为拮抗作用。ABA支持休眠维持、气孔关闭和胁迫耐受，而GA倾向于促进萌发、细胞伸长和营养生长。ABA-GA轴中的AP2/ERF因子通过不同作用点汇聚于相同的生理输出。ABI4通过双重作用加强ABA主导地位：激活ABA生物合成基因NCED6和GA失活基因GA2ox7，从而促进ABA积累同时减少活性GA输出。CHOTTO1（CHO1）通过相关但不同的途径发挥作用，CHO1缺失会增加GA3ox1和GA3ox2表达及活性GA形式GA4。在水稻中，OsAP2-39直接调控OsNCED-1和GA失活相关基因EUI，再次将ABA/GA平衡转向ABA主导，但伴随更广泛的发育后果，包括矮化、分蘖减少和产量相关性状改变。
5.2 ET-GA：节间伸长的情境依赖性调控
ET-GA互作是调控禾本科植物节间伸长的重要激素模块。在短期完全淹没条件下，SUB1A受乙烯诱导，促进负向GA信号调控因子SLR1和SLRL1积累，从而降低GA响应性，抑制水下叶片和节间的过度伸长。深水稻SNORKEL1和SNORKEL2也受乙烯诱导，但将乙烯积累转化为GA介导的快速节间伸长，使叶片浮出水面，形成深水环境中的逃逸生长策略。OsEATB下调GA生物合成基因OsCPS2，降低内源GA水平，限制节间伸长，导致节间缩短和矮化。
5.3 JA/ASA/BR-ET：果实成熟过程中乙烯生物合成的调控
乙烯是控制呼吸跃变型果实成熟的核心激素。在苹果中，JA处理后MdMYC2激活MdACS1、MdACO1和MdERF3表达，MdERF3进一步促进MdACS1转录，增强乙烯生物合成；而MdERF2抑制MdERF3和MdACS1表达，MdMYC2与MdERF2的相互作用可减弱这种抑制，释放对乙烯生物合成的阻碍。MdERF4作为JAZ互作蛋白，在JA信号下抑制ACS1和ACO1表达，减少乙烯生物合成输出。在猕猴桃中，外源ASA诱导AdERF105L，作为AdACS1/2的转录抑制因子，减少乙烯生物合成并延缓果实软化和采后成熟。在梨中，BR信号通过PuBZR1抑制AP2/ERF成员PuERF2表达，PuERF2结合PuACS1a和PuACO1启动子，参与乙烯生物合成基因的调控。
5.4 JA/ET/CK-生长素：根系可塑性与发育重塑
在拟南芥中，MeJA诱导的AtERF109激活ASA1和YUC2，增加吲哚-3-乙酸生物合成，促进侧根形成。乙烯响应的AtERF1也调控ASA1，导致根尖生长素积累，抑制主根伸长。相比之下，OsCRL5和AtERF115通过细胞分裂素相关输出进行调控。生长素响应的OsCRL5诱导OsRR1（一种负向调控CK信号的A型响应调控因子），促进水稻冠根起始。JA诱导的AtERF115通过增强CK信号，抑制拟南芥不定根发生。
6 结论与展望
总体而言，AP2/ERF家族扩张应与已证实的适应功能区分开来。重复增加了可用于进化变化的调控拷贝数量，但适应取决于后续在表达、靶基因选择、蛋白质相互作用和激素响应性方面的分化。功能冗余可稳定调控网络，而亚功能化和新功能化可产生不同的响应。重复后调控分化是连接AP2/ERF进化与环境适应的更具信息量的指标。AP2/ERF功能也具有强烈的情境依赖性。SUB1A与SNORKEL1/2的对比输出、OsERF3的取食模式依赖性效应以及病原体对AP2/ERF易感性节点的利用表明，同一家族可根据生物学情境支持耐受、生长抑制、逃逸或易感性。有几个问题仍未解决：哪些启动子变化、编码序列变化或互作网络决定了重复的AP2/ERF保持冗余还是获得新功能；为什么某些调控输出在胁迫或发育情境下会发生逆转。解决这些问题需要功能缺失和互补研究，结合直接靶基因验证以及在同一遗传背景下测量激素和生理响应。多重和连续胁迫值得特别关注，因为它们可能暴露出单一胁迫实验中不明显的调控冲突。这些考虑对作物改良尤为重要。最有用的AP2/ERF候选者不一定是在组成型过表达下产生最大耐受表型的那些，而是在田间相关胁迫组合下保持保护效果且对生长、开花或产量造成最小代价的那些。启动子编辑、等位基因替换、组织特异性表达和胁迫诱导调控可能比强组成型过表达更适合调整有益响应。整合自然变异、多组学和田间表型鉴定有助于识别其调控效应在不同环境下保持稳定的等位基因，并确定实验室定义的机制是否能转化为农艺效益。
