油菜素內(nèi)酯的生物合成及信號轉(zhuǎn)導研究進展

熊書

摘要：油菜素內(nèi)酯作為一類甾醇類激素，在植物體內(nèi)廣泛分布。油菜素內(nèi)酯在植物細胞生長、根莖伸長、種子發(fā)芽、生殖發(fā)育和向性建成等生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。本文綜述了BR生物合成和信號轉(zhuǎn)導途徑近年來的重要進展。

關(guān)鍵詞：油菜素內(nèi)酯;生物合成;信號轉(zhuǎn)導;進展

中圖分類號：Q94 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）19-0111-02

油菜素內(nèi)酯（brassinosteroids，BR）作為一類甾醇類激素，在植物體內(nèi)廣泛分布。油菜素內(nèi)酯在植物的種子發(fā)芽、根莖伸長生長、光形態(tài)建成、維管束分化、向性建成和生殖發(fā)育等發(fā)育和生長過程中起到重大的作用，同時BR還具有增強植物抵抗高溫、低溫和高鹽等不利生長條件的功能。

一、油菜素內(nèi)酯的生理功能

將表油菜素內(nèi)酯（24-EBL）施用植物時，植物的組織、器官表現(xiàn)出一系列的生理反應。已有的研究表明，BR不僅能改變植物內(nèi)源激素的平衡、酶的活性以及膜電位，刺激植物細胞的伸長生長，還能刺激DNA復制、RNA轉(zhuǎn)錄及蛋白質(zhì)的翻譯，增強乙烯的合成和光調(diào)活性等。

1.細胞伸長。BR可促進黃瓜的下胚軸、豌豆和綠豆的上胚軸、單子葉植物的中胚軸和胚芽鞘及幼苗莖的伸長，植物幼嫩的營養(yǎng)器官對BR響應尤其明顯。BR通過調(diào)控植物細胞液泡膜H+-ATPase的組裝，促進液泡吸收水分，從而引起細胞的快速伸長生長。Yang等的研究表明，油菜素內(nèi)酯的轉(zhuǎn)錄因子BESl可直接與全部的擬南芥纖維素合成酶基因的啟動子區(qū)域結(jié)合，開啟這些基因表達。

2.細胞分裂。同時向中國大白菜使用3種激素時，將刺激細胞團和細胞簇的形成，增強原生質(zhì)體的分裂的速度。Hu等利用擬南芥懸浮細胞det2首次研究BR對細胞分裂的影響，發(fā)現(xiàn)BR能提高周期蛋白基因CycD3——一種D型植物細胞周期蛋白基因的表達。一般來說，通過CycD3途徑，BR能刺激細胞分裂，CTK也能通過激活CycD3蛋白而刺激細胞分裂，而且BR在擬南芥的B懸浮細胞與愈傷組織中具有CTK的功能。

3.細胞分化。通過觀察擬南芥cpd突變體莖的橫切面，顯示莖的形成層分化不對等，且另外的韌皮部細胞在形成層以外形成，與擬南芥dwf7-1突變體的表型相同。另外突變體維管束的數(shù)目減少到6個，而野生型有8個。Cano-Delgado等報道兩個BR受體BRL1和BRL3在導管組織中特異性表達，而且突變體brl1表現(xiàn)出異常的韌皮部/木質(zhì)部分化比率。

4.根系生長。外源添加低濃度的BR有利于不定根的形成和主根的生長，同時還可以誘導側(cè)根的形成，BR和生長素對于側(cè)根的形成具有正向作用，并且對于側(cè)根的形成可能是部分由脂酶A完成的;而高濃度BR會阻礙側(cè)根形成和主根生長。目前認為，BR促進根發(fā)育可能是通過調(diào)節(jié)生長素極性運輸實現(xiàn)的。BR促進植株頂端生長素的運輸，是側(cè)根發(fā)育所必須的。

二、油菜素內(nèi)酯的生物合成

通過給植物幼苗和培養(yǎng)的細胞飼喂標記物，利用GC/MS研究代謝產(chǎn)物，基本闡明了由鯊烯（squalene）前體最終生成BR的反應過程。鯊烯還原生成Campestanol時，在側(cè)鏈和甾醇體上經(jīng)過氧化、羥化步驟，同時在C-6位酮基化（在C-22、C-23、C-2和C-3位置的修飾前和后進行酮基化）。反應的兩個途徑分別叫早期C-6氧化前途徑與晚期C-6氧化后途徑。在早期C6氧化途徑，作為BR生物合成的開始，蕓苔甾醇（campesterol）通過加氧、羥化、氧化變成6-氧蕓苔甾烷醇（6-oxocampestanol），6-氧蕓苔甾烷醇再進行羥化生成茶甾酮，茶甾酮繼續(xù)脫水、羥化生成香蒲甾醇，最終形成油菜素內(nèi)酯和油菜素甾酮。通過研究水稻和煙草幼苗及培養(yǎng)細胞，證實了6-脫氧油菜素甾酮可以直接生成油菜素甾酮，表明在許多植物中也存在晚期C6氧化途徑，這是BR生物合成的另一途徑。除了水稻和煙草外，菊芋和擬南芥也存在早期和晚期C6氧化途徑。研究還顯示，在不同光質(zhì)下，BR的生物合成和代謝途徑可能有差異，在黑暗中可能啟動早期C6氧化途徑，在光下主要進行后期C6氧化途徑。

三、油菜素內(nèi)酯的信號轉(zhuǎn)導

近年來，通過生物化學和分子生物學等技術(shù)，人們利用BR突變體研究BR信號轉(zhuǎn)導過程，取得了極大的進展。

1.BR信號在質(zhì)膜上的感知。在高等植物中，BRI1是BR主要的受體。突變掉番茄、水稻、以及大豆中的BRI1將導致BR不敏感的表型。BRI1是BR信號在質(zhì)膜上感知的主要成分，BRI1的胞外區(qū)直接參與了BR的信號識別。最近的研究顯示，C-末端的磷酸化程度與BRI1的活性直接相關(guān)，且BRI1的激活必需要BR的參與。作為負調(diào)控因子的BRI1蛋白C-末端，主要調(diào)節(jié)該蛋白的活性。BAK1能夠與BRI1形成異源二聚體，參與BR的信號轉(zhuǎn)導過程，BAK1不影響B(tài)R和BRI1的結(jié)合。在豇豆原生質(zhì)體中，Russinova等利用FRET（fluorescence resonance energy transfer）技術(shù)，發(fā)現(xiàn)BRI1可結(jié)合成同源二聚體于質(zhì)膜上，在質(zhì)膜上BRI1和BAK1可生成異源二聚體。BAK1在BR信號傳導中的作用機制還不十分清楚。

BRS1在BR信號轉(zhuǎn)導途徑的前期發(fā)揮功能。當過表達的BRS1基因可以互補bri1-9和bri1-5的表型，bri1-9和bri1-5都是BRS1的胞外域突變體，但不能互補bri1-5/dwf4-1和bri1-1（為胞內(nèi)域突變體）雙突變的表型，所以，BRS1的活性和BR的生物合成及對BRS1發(fā)揮其作用非常關(guān)鍵。BRS1有很強的水解活力，位于胞外。TTL和TRIP-1是BRS1的兩個下游信號分子。TRIP-1的特異位點可被體外重組的BRS1胞內(nèi)激酶域磷酸化，經(jīng)過體內(nèi)免疫共沉淀實驗，同時證實他們可相互作用，由此推測TRIP-1可能是胞質(zhì)BRS1的底物，調(diào)控植物的生長發(fā)育。BK11與BRS1互作，對BR信號傳遞途徑進行負調(diào)控。BKI1作為BRS1分子的底物，當胞質(zhì)中甾類分子濃度較低時，位于質(zhì)膜上的BKI1與BRS1的同源二聚體互作，進而抑制BAK1與BRS1的相互作用，抑制BR信號轉(zhuǎn)導途徑。當BRS1的胞外域與甾類分子結(jié)合后，BRS1被誘導產(chǎn)生磷酸化及活化，然后活化的BRS1與BK I1分離，最終BR信號轉(zhuǎn)導途徑被激活。endprint

2.BR從細胞膜表面受體到細胞核的信號轉(zhuǎn)導傳遞途徑。BIN2作為BR信號轉(zhuǎn)導的負調(diào)控因子。利用BIN2-GFP研究顯示，BIN2既可以定位在細胞質(zhì)中與細胞膜上，還可以定位于細胞核中。BIN2對BR信號在細胞內(nèi)的傳遞起負調(diào)控作用，但BAK1和BRI1皆不能與BIN2互作，使BIN2蛋白磷酸化。通過遺傳篩選，發(fā)現(xiàn)BZR1和BZR2/BES1是BIN2的底物。BZR1和BES1是BR信號途徑下游特異的調(diào)控因子。BZR1作為BR合成的調(diào)控蛋白定位于細胞核內(nèi)。BZR1是一種具有調(diào)節(jié)下游生長反應及BR生物合成雙重功能的轉(zhuǎn)錄抑制因子。具有雙重功能的BZR1說明它在BR信號轉(zhuǎn)導途徑中起到重要的調(diào)控作用。BZR2/BES1作為轉(zhuǎn)錄激活因子，也定位于細胞核內(nèi)。最近的研究顯示，SAUR-like基因的啟動子中的E-box（CANNTG）可與BES1結(jié)合，BES1被位于細胞核內(nèi)的BIN2磷酸化，致使磷酸化的BES1喪失與響應基因啟動子結(jié)合的能力，從而影響其轉(zhuǎn)錄活性，因此，調(diào)控的關(guān)鍵是BES1的磷酸化。作為一種核蛋白，BSU1能夠?qū)ES1的磷酸化進行調(diào)控。與BIN2蛋白的功能相反，通過阻礙BES1的磷酸化，BSU1導致去磷酸化的BES1積累，然后抑制bin1和bri2的表型缺陷。

四、討論

雖然BR分子生物學已取得很大進展，但仍然有許多地方需要深入研究。BR生物合成途徑中各環(huán)節(jié)的酶未完全確定;BIN2的活性調(diào)控機理，BES1和BZR1及其他家族成員對目的基因調(diào)控和BR分子的合成和降解途徑也需要進一步的研究;BR與植物激素間相互作用，相互影響以及調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的進程也需要進一步的闡明。通過研究不敏感和敏感BR突變體，克隆出大量的BR生物合成、信號轉(zhuǎn)導和調(diào)控相關(guān)的基因，可為我們尋找到更多的與BR對植物生長發(fā)育和調(diào)控作用有關(guān)的信息。

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