油菜素甾醇类物质的生理作用及信号传导11

精品1油菜素甾醇类物质的生理作用及信号传导一：概述要了解一个物质的生理功能，首先我们应该了解这个物质是什么，如何生成等基本问题，所以在介绍其生理作用及信号传导前，首先介绍一下什么是油菜素甾醇类物质。油菜素甾醇（Brassinosteroids，BR）是一大类植物甾醇类激素，广泛分布于高等植物中。其具有促进植物细胞生长的作用，并在植物发育中处于着至关重要的地位。它是最近几十年来被新确认的植物激素，被称为继生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯之后的第六大激素，其他植物激素包括茉莉酸、水杨酸、独脚金内酯等。最近十几年的研究也揭示了油菜素甾醇信号传递的途径，为其在农业和其他领域的应用奠定了基础。（BL的结构式）甾体长期被当做是多细胞动物的激素，直到1970年代Michelle从植物中把甾体分子的激素活性发现，把一种从油菜（Brassicanapus）花粉中提取的促进生长的物质鉴定为甾体化合物，并命名为油菜素内酯（brassinolide，BL）。从此以后，具有与BL相似结构和活性的甾体分子不断被发现，统称为油菜素甾醇。油菜素甾醇为甾醇类激素，是一类环戊烷多氢菲，与动物甾体类激素相似但是作用机制不同，它不经过细胞核内受体发挥作用，而是通过细胞膜表面受体传递信号。由于很低浓度的油菜素甾醇就可以强烈诱导生长和分化，以及利用模式生物拟南芥（Arabidopsisthaliana）中鉴定出BR缺失和BR不敏感突变体，发现了BR在发育中的功能。这些突变体表现出了许多生长缺陷，包括矮小、叶暗绿、开花延迟、雄性不育和全黑暗情况下的光形态建成，所以油菜甾醇已被公认为是一种能使细胞伸长、维管分化、根生长、对光的反应、抗逆、衰老等的基本植物激素之一。BR的合成有一系列酶的参与。与赤霉素和脱落酸的合成类似，油菜素甾醇的合成是萜类途径的一个分支。油菜素甾醇的合成开始于2个法尼醛二磷酸聚合形成C30的三萜三十碳六烯。三萜三十碳六烯经过一系列的闭环反应，形成五环的三萜前体环阿屯醇。后又合成前体菜油甾醇（Campesterol）、谷甾醇和胆固醇等。菜油甾醇首先生成菜油甾烷醇（campestanol），然后经过早期C-6氧化和后期C-6氧化2条途径，转化为栗木甾酮，继而转化成油菜素内酯。现在油菜素甾醇已经在27个科的种子植物、1种羊齿类植物（问荆）、1种苔藓类植物（地钱）、1种绿藻（水网藻）等中得到了鉴定。因此，油菜素甾醇是一种在陆生植物进化之前就普遍存在于各种植物中的激素。在被子植物中，精品2油菜素甾醇在花粉、花药、种子、叶片、茎、根、幼嫩的生长组织中均有较低浓度的广泛分布。现在多数实验表明，BRs缺乏长距离运输模式，可进行短距离运输。在施用BL处理后的种子，产量可提高45%。BR促进植物长大，因此生物量自然会增多，这在水果、蔬菜中有着重大的意义。BR参与调控植物株型的调整，这在农业上也有着潜在的用途。比如控制株型大小、种植密度等。外源的表油菜素内酯处理后，作物对各种环境胁迫，如热胁迫、冷胁迫、干旱等的耐受性均会有较大幅度的提高。二、生理作用油菜素甾醇为甾醇类激素，也是一类环戊烷多氢菲，但其与动物甾体类激素的作用机制不同，不经过细胞核内受体发挥作用，而是通过细胞膜表面受体传递信号。油菜素甾醇最早由Michelle于1970年发现。他从油菜花粉中提取出了一种能促进植物茎杆伸长和细胞分裂的高活性物质，将其称为油菜素（Brassins）。由于很低浓度的油菜素甾醇就可以强烈诱导生长和分化，并且通过进一步的对拟南芥（Arabidopsisthaliana）的分子遗传学研究，证明油菜素甾醇是一种植物激素。合成途径：BR的合成有一系列酶参与完成。与赤霉素和脱落酸的合成类似，油菜素甾醇的合成也是萜类途径的一个分支。油菜素甾醇的合成开始于2个法尼醛二磷酸聚合形成C30的三萜三十碳六烯。三萜三十碳六烯经过一系列的闭环反应，形成五环的三萜前体环阿屯醇。油菜素甾醇的合成前体为菜油甾醇（Campesterol）、谷甾醇及胆固醇等，其来源于环阿屯醇。菜油甾醇首先生成菜油甾烷醇（campestanol），然后经过早期C-6氧化和后期C-6氧化2条途径，转化为栗木甾酮。两条途径在栗木甾酮处合并，继而转化成油菜素内酯。油菜素唑Brz（Brassinazole）是一种BR合成的特异性抑制剂，其抑制油菜素内酯合成途径中催化6-氧-菜油甾烷醇生成卡它甾酮的单氧酶CYP72B1DWF4的活性。BR，是新型植物激素，在不同情况下对植物生长发育表现出特殊的调节作用，但因其性质不完全符合植物激素的严格定义，一般称之为植物激素类似物。精品3合成机制如下图：生理作用：BR在植物的生长发育中有着重要的作用，与其他植物激素一起参与调控植物发育的很多方面，包括茎叶的生长、根的生长、维管组织的分化、育性、种子萌发、顶端优势的维持、植物光形态建成等。另外，对于植物的对环境胁迫的防御中也有重要作用。油菜素内酯（BS）与根系的生长发育有关系，它在很低浓度水平下能表现出强的生活性。有实验表明在黄化水稻幼苗第二叶片弯曲实验中，油菜素内酯在0.005mg/L时即可产生明显的倾斜效应。而生长素、赤霉素虽也有此反应，但一般在较高浓度下，才表现出倾斜效应。与传统的五大类植物激素相比，其作用机理独特、生理效应广泛、生理活性极高，但用量仅是五大类激素的千分之一。BS和BR可以促进胚芽鞘的生长提取的BS与合成的BR均能促进植物胚芽鞘的伸长，且生理活性相似。精品4以下是BS和BR对水稻胚芽鞘伸长的作用BR可提高幼苗光合速率以玉米幼苗为例，epihomoBR浸种后，玉米品种铁单10号幼苗根力活力、根干重、叶面积、地上部干重、充实度、叶绿素a含量、光合速率、玉米素含量均有提高；叶鞘主脉出维管束细胞径向增大，细胞壁增厚，同时维管束变大。实验表明，经BR浸种处理，除了能增加光合面积外，还能显著提高光合速率，这充分说明BR能有效提高苗期光合作用，为培育壮苗，增加秧苗干物质的积累创造有利条件。BR浸种后推断其提高光合速率的机制有两种可能：一是浸种处理提高了叶片的素质。二是BR浸种提高了幼苗叶片内ZR（玉米素）的含量，机制如下图所示：精品5BS生物活性具有稳定性通过实验，提取的BS促进黄化水稻第二叶切段的效果随BS处理浓度的增大而增加，随BS处理时间的延长而增加，如下图，BS处理时间与黄化水稻叶片倾斜角度的关系，说明BS的生理活性很稳定。油菜素甾醇类与生长素能够相互作用。近年来研究表明，BR与生长素能协同调节基因的表达，二者在代谢、运输和信息转导等不同层次上存在相互作用，并且这两种信号与其他信号转导途径，如激素信号转导途径和光信号转导途径之间也存在信号对话。1.协同调节基因的表达近年来随着基因芯片技术的应用，推动了BR调节基因表达的研究。Mussig等利用基因芯片技术，比较BR处理和对照植株，以及BR缺失型突变体和野生型植株的基因表达，发现BR对一些生长素反应基因也有调节作用，BR能快速诱导生长素早期基因IAA3和IAA19的表达，并且这种诱导不仅依赖于生长素的水平。ARF1是与生长素反应元件结合的转录因子，ARF1结合蛋白（ARF1PB）的功能很可能是调节ARF1的活性。在BR处理的拟南芥植株中ARF1PB表达较少，这表明BR通过调控ARF1PB基因与生长素协同调节生长素影响基因的表达。而生长素也能增强BR响应基因TCH4的表达。精品62.BR和生长素与其他植物激素的相互作用除了BR生长素之间存在相互作用外，它们还会共同语其他植物激素相互作用，以调节植物的生长发育。如在拟南芥中，BL能诱导GA20氧化酶基因（GA20ox）的表达，在豌豆中，生长素能抑制该基因（PsGA20oxl）的表达。3.BR和生长素与光的相互作用Reed研究发现BR和生长素共同调节AUX/IAA蛋白和GH3蛋白，同时还可能调节植物的光反应。在酵母双交中，光敏色素A（PHYA）能与AUX/IAA蛋白相互作用，如燕麦中的PHYA在体外能磷酸化IAA1、SHY2/IAA3、IAA9、AXR3/IAA17和豌豆中的IAA4等AUX/IAA蛋白。这些实验证据从水分子水平揭示了BR和生长素与光信号之间的相互作用。二、信号传导油菜素甾醇的细胞信号通路研究是最近植物学领域最前沿的领域之一。通过十多年的分子遗传学、生物化学、蛋白质组学和结构生物学研究，已经基本建立了完整的油菜素甾醇细胞信号转导途径。在油菜的近亲------模式生物拟南芥中发现了BR不敏感突变体，找到的这些拟南芥突变体不仅包括BR生物合成酶的突变，也有感知和传导BR信号的信号蛋白的突变。BR的信号转导级联反应途径：细胞表面受体激酶BRI1感知BRBRI1激酶通过与共受体BAK1的配体诱导契合和相互磷酸化BKI1的解离而被激活BRI1继而磷酸化BSK1，接着激活BSU1BIN2由于BSU1催化其Tyr的去磷酸化而被抑制引起去磷酸化BZR的核内累积和BR应答基因的表达精品7BRI1在细胞表面感知BRBR不敏感突变体bri1(brassinosteroidinsenstitive1)是用外源BR处理后仍保持矮小的不敏感状态而鉴定出来的。bri1的其他等位突变体促使了BRI1基因（编码LRR-RTK蛋白）的克隆。BRI1的胞外域包含了24个富亮氨酸重复序列（LRR）和一个位于第20和21个LRR之间的“岛”区域（ID）；胞内结构域包括一个Ser/Thr激酶结构域、一个近膜区（JM）和一个C末端序列。几组实验证明BRI1的功能是作为BR的受体。这些实验包括：嵌合受体BRI1-XA2能在BR诱导下引发防御反应、拟南芥内源的或者大肠杆菌表达纯化的BRI1能与氚标记BL（3H-BL）免疫共沉淀结合、BR能诱导BRI1的自磷酸化。更深入的研究显示，含94个氨基酸残基的ID-LRR21结构域（包括岛区域ID和紧挨着ID的LRR21）是BR结合的充分条件。这些研究就证明BRI1是BR受体，并给出了一种新的甾体结合基序。BR结合到BRI1的胞外域后，激活胞内激酶，进而将信号传递到胞内其它蛋白分子。28个bri1位点突变的大部分都位于ID-LRR21或胞内激酶结构域，这与BRI1的BR结合和激酶活性的基本功能相吻合。结构域-结构分析也揭示了JM和CT结构域的重要作用。去掉JM结构域能消除BRI1的信号功能，这暗示JM在BRI1的功能发挥中起着正调控作用。相反，去掉BRI1碳末端49个氨基酸残基后，在体外实验中激酶活性更高，转基因到bri1突变体植物后挽救bri1表型更强，这暗示CT起着自抑制的作用。CT区包含很多磷酸化位点，将这些Ser/Thr位点突变为模拟磷酸化的酸性氨基酸后的效应与去掉这个区域的效应相似，暗示CT区域的磷酸化能帮助激活激酶。这可能是通过C末端尾巴通过构象改变而释放自抑制功能而发生的。BR增加BRI1与其共受体BAK1异源寡聚化，诱导受体激酶二聚体化和寡聚体化精品8动物中的许多研究显示，受体激酶的激活通常需要配体诱导的同源或异源二聚体化，或着异源寡聚体化。BRI1的同源二聚体化最早是通过对豌豆原生质体的质膜进行荧光能量转移共振实验（FRET）而检测到的。在此之后，单分子检测技术证明质膜中大约20%的BRI1分子是以同源二聚体形式存在的，并没有更加高级的寡聚体化。拟南芥转基因植株中BRI1-GFP和BRI1-FLAG融合蛋白的免疫共沉淀实验也检测到了BRI1的同源二聚体化。尽管在原生质体中，BR对BRI1的同源二聚体化几乎没有作用，但BR处理拟南芥植物后，BRI1-GFP和BRI1-FLAG的免疫共沉淀增加了，这就暗示BR能促进或者是稳定BRI1的同源二聚体化。目前尚不清楚BR是像生长素诱导TIR1-IAA的二聚体化一样，作为分子胶水来帮助稳定BRI1同源二聚体；还是BR结合后引起构象变化成为更加偏爱同源二聚体的形式。据估算，每一分子BL能结合一个分子的BRI1-GFP，这就支持了第二种可能性。目前也不是很清楚BRI1激酶活性对BR诱导的BRI1同源二聚体化是否是必要的。不管怎样，BR诱导的BRI1同源二聚体化并不足以完全激活BRI