植物激素受体研究进展

第26卷第2期2009年4月

生物学杂志

JOURNALOFBIOI。OGY

V01.26No.2

Apr,2009

doi:lO.3969/j.issn.1008—9632.2009.02.043

植物激素受体研究进展

赵丽1,黄海杰2,田维敏

(1.中国热带农业科学院橡胶研究所热带作物栽培生理学重点实验室,海南儋州571737;

2.中国热带农业科学院热带生物技术研究所,海南海口571101)

摘要:植物激素对植物的生长发育以及在植物应对逆境方面具有重要的调节作用,植物激素受体是植物激素信号转导途径中的一个关键环节,倍受关注。近年来,由于生物化学与分子生物学和遗传学结合,使得植物激素受体的研究取得了很大进展。综述了5种经典植物激素受体以及油菜素内酯和茉莉酸受体在生物化学、遗传学和分子生物学三个层面上的研究成果,旨在为进一步研究植物激素作用机制提供参考资料。关键词:植物激素;受体;突变体中图分类号:Q946.885

文献标识码:A

文章编号:1008—9632(2009)02—0043—05

植物激素受体是植物激素信号传导途径中的一个至关重要的环节。近年来,采用生物化学、遗传学和分子生物学相结合的研究手段,主要以拟南芥、番茄和烟草等为材料,在植物激素受体的分离鉴定和作用机理方面的研究取得了很大进展。本文综述这方面的研究成果,旨在为迸一步研究植物激素作用机制提供参考资料。

后进入26S蛋白酶体途径降解。生长素能够促进TIRl与AUX/IAA的相互作用,在低浓度生长素环境中,Aux/IAA蛋白相对稳定并与生长素响应因子ARF

(auxin.responsefactor)蛋白结合形成异二聚体,负调控

ARF的功能。当细胞内生长素浓度升高时,生长素结合TIRl,促进AUX/IAA蛋白降解,解除对ARF转录因子的抑制,转录因子ARF形成自身二聚体,并通过其N端的DNA结合结构域DBD(DNA

binding

生长素受体研究进展

虽然早就认识到生长素及其对植物生长发育的调

domain)结

合生长素早期应答基因启动子区的生长素响应元件

(auxin—responseelement,AuxRE),从而触发下游信号转

节作用,但直到最近才证明TIRl(Transport

inhibitor

re-

spensel)是生长素的受体。TIRl蛋白是由TIRl基因编码的一种F.box蛋白,含有594个氨基酸残基,由N端的一个F.box模式、一段短的约40个氨基酸残基的间隔区域(spacerregion)、16个简并的LRRs(1eucine—

rich

导和基因表达。

最近,Tan等人研究认为拟南芥TIRl.ASKI复合体的可单独存在或与生长素及Aux/IAA底物形成复合体。TIRl中富含亮氨酸重复序列结合有肌醇六磷酸辅因子,该结构域通过一个单一的表面口袋识别生长素和Aux/IAA底物。生长素锚定在rI'IRl口袋的底部,占据结合生长素及其类似物的位点。底物Aux/IAA肽段停泊在生长素的顶端,占领了TIRl口袋的其余空间而完全封闭了激素结合位点。生长素作为一种“分子胶水”通过填充蛋白质内表面的疏水空穴而增强TIRI与底物Aux/IAA的相互作用…。

此外在拟南芥中存在3个与TIRl同源的AFB

(auxin—signalingF-boxprotein)蛋白,该蛋白属于F—box

repeats)和一个C端约70氨基酸残基的尾巴构成。

其中N端的75个氨基酸(包括F—box序列)是TIRl同IAA结合所必需的,推测这段序列直接控制TIRl同IAA和Aux/IAA蛋白的结合。

在模式植物拟南芥中,对TIRl的作用机制做了深入研究。r11IRl与AtCULl(cullin

(RING—box

sis

protein

homologue1)、RBXl

1)及类似SKPl的ASKI(Arabidop-

Skpl—likel)一起形成一个SCFllm复合体,催化激

活状态的泛素分子从泛素连接酶E3转移到底物分子。AUX/IAA蛋白作为TIRl识别的底物,经泛素化修饰

收稿日期:2008—04—29;修回日期:2008—10—23

蛋白家族,含有LRRs,与TIRl高度同源性。用突变体

作者简介:赵丽(1980一),女,汉族,硕士研究生,专业方向:植物分子生物学,E—mail:yifanever2007@163.eom;通讯作者:田维敏,博士,研究员,博士生导师,主要从事植物发育生物学的研究,E—mail:wratian@163.corn。基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB08205)资助

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万方数据

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实验证明,拟南芥TIRl及其同源基因AFB突变后均影响植株表型,说明TIRl和AFB类蛋白是生长素结合所必需的,推测AFB家族也可能是生长素的受体,与TIRl共同感受生长素信号。2细胞分裂素受体研究进展

细胞分裂素是利用了一种类似于细菌中双元组分系统的途径将信号传递至下游元件的。在拟南芥中,作为细胞分裂素受体的组氨酸激酶(Arabidopsis

histi—

dine

kinases,AHKs)与细胞分裂素结合后自身磷酸化,

并将磷酸基团由激酶区的组氨酸转移至信号接收区的天冬氨酸。天冬氨酸上的磷酸基团进一步被转移到胞质中的磷酸转运蛋白(Arabidopsis

histidine-phospho—

transferproteins,AHPs)。磷酸化的AHPs进入细胞核并将磷酸基团转移到A型和B型反应调节因子ARRs

(ArabidopsisResponseRegulators)上,进而调节下游的

细胞分裂素应答反应旧。。

在拟南芥中,已证明3个组氨酸激酶是细胞分裂素的受体,它们是AHK2、AHK3和CREI(Cytokinin

Re—

sponsel),又名AHK4或WOODENLEG,WOL。CREl蛋白是一种膜结合蛋白,在细胞分裂素信号转导中起正调控作用。AHK2和AHK3也被陆续证明能在体外和体内特异地结合细胞分裂素。AHK2、AHK3和CREl分别编码AHK2、AHK3和CREI蛋白,与细菌二元组分的组氨酸蛋白激酶序列相似,胞外区均具有保守的CHASE结构域,被认为是细胞分裂素的结合区。

分子生物学和遗传学研究表明,3个作为细胞分裂素受体的AHK在序列上有着很高的同源性,既存在高度的功能冗余现象,又具有一定的功能特异性。CREl是一个双功能的酶,它不仅具有组氨酸激酶活性,也具有可以将AHP去磷酸化的磷酸酶活性,细胞分裂素介导的磷酸基团传递是双向的可逆的过程。但是AHK2和AHK3均只表现出磷酸激酶的活性,不具备磷酸酶活性∞。,这表明功能高度冗余的3个受体在功能及作用机制等方面存在着一定特异性。用突变体实验证明,细胞分裂素在根中的作用可能主要是通过CREl行使的,在植物地上部分的作用可能主要是通过AHK2和AHK3行使的。此外,在细胞分裂素调节叶片衰老的过程中,AHK3起主要作用∞]。

组氨酸激酶AHKI在拟南芥生长中起重要的作用,是干旱,盐压应答和ABA信号途径的正调控因子。Ahkl突变体的分析表明AHKI下行调控许多与压力相关的和/或ABA诱导的基因,包括AREBI,ANAC,和DREB2A转录因子和他们的下游基因。与AHKl不同的是,allIc2,ahl【3。和eret的功能缺失分析表明AHK2,

44

万方数据

AHK3,和CREI在ABA信号途径中起负调控子的作用。在拟南芥中由于许多与压力有关的和/或ABA诱导的基因的上行调控作用,AHK2,AHK3也可负调控渗透压应答,ahk2,ahk3的单突变体和ahk2ahk3的双突变体对于旱和盐压表现冉强的不耐受性一1。

此外,A型ARRs是细胞分裂素的信号途径的负调控因子,可迅速地应答于细胞分裂素的转录上游调控。ARRs蛋白含有一个保守氨基酸的磷酸化位点,受体结构域的磷酸化作用是A型ARRs功能所必须的:5|。

3赤霉素受体研究进展

GA是一种疏水羧酸,作为羧化阴离子可在植物细胞的胞间和细胞内溶解,并可作为质子化酸通过被动运输穿过细胞质膜。由此推断,植物体含有与质膜结合的可溶性受体。

2005年,Ueguchi.Tanaka等在水稻中鉴定了一种赤霉素不敏感的矮化突变体gidl(gibberellin—insensitivedwa矿1),并分离出四个突变体基因,并证明GIDI是赤霉素的受体旧1。Iuchi等也从拟南芥中鉴定出三种赤霉素的受体基因,AtGIDla,AtGIDlb和AtGIDlc¨1。

GIDI基因包括一个内含子和两个外显子,编码354个氨基酸的GID蛋白,其保守区与激素敏感的脂肪酶(hormone.sensitivelipase,HSL)家族虬有同源性。GIDl蛋白定位在核内,在水稻中,GIDI作为一种町溶性的受体介导赤霉素信号传导,它在与活性的GAs结合感知赤霉素信号后,将信号传递到DELLA蛋白

SLRI(SLENDERRICE),导致SLRl降解从而诱发一系

列下游反应№』。对拟南芥中SLRl的结构域分析表明DELLA蛋白SLRI的TVHYNP结构域是GIDl.SLRI相互作用所必需的。91。G|DI感知GA信号后,GA可增强GIDI和DELLA蛋白的相互作用,同时GA.GIDI复合物可促进在RGA(REPRESSOROFgal-3)和F-box

蛋白SLYI之间的相互作用‘…。。

在拟南芥萄dl-1的突变株中,单突变体gidla、gidlb和gidlc都能正常发育,无明显缺陷表型。双突变体atgidlaatgidlc表现出矮化表型,双突变体atgidlaatgidlb植株的雄蕊显著比野生型短,易不育。7o。三突变体atgidl

atgidlbatgidlc不能正常萌发,种子仅在浸

湿并剥落外壳后才能开始生长,植株表现出严重矮化表型。。,而且花形成的时间长却时间推迟,成仡器官有严重的缺陷,不能应答于外施的GA¨0。。这些结果表明,所有AtGIDls都作为拟南芥中GA的受体共同感知激素信号,但在基因间又存在功能特异性。4乙烯受体研究进展

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Apr.2009

迄今在拟南芥中分离鉴定出5个乙烯受体,即ETRI、ETR2、ERSl、ERS2和EIN4。它们在结构上与细菌和真菌中存在的双元组分系统类似。根据结构上的特点可将其分为两类。第一类包括ETRl和ERSl,具有氨基端乙烯结合结构域和非常保守的羧基端组氨酸激酶结构域;第二类包括ETR2、ERS2和EIN4。具有氨基端乙烯结合结构域,但组氨酸激酶结构域是不完整的,缺少催化活性所必需的一个或多个元件。在5个受体中,ETRI、ETR2和EIN4还多出一个接收器结构域,其功能尚不清楚。

遗传学研究表明,5个受体中的任何一个发生功能获得性突变(多数突变影响了受体与乙烯的结合能力)都能导致对乙烯不敏感,表明所有的5个受体都与乙烯信号相关。但单个受体的功能缺失突变体表型与野生型类似,表明不同受体之间存在功能冗余。三重或四重功能缺失突变体具有组成型的乙烯反应表型进一步证实了上述推论,也表明乙烯受体在乙烯信号转导途径中起着负调控作用。在ersl/etrl双重突变体(I类受体全部功能缺失的突变体)中,过量表达任何一个Ⅱ类受体都不能互补其表型,而在etr2/ein4/ers2三重突变体中过量表达I类受体也不能完全互补Ⅱ类受体缺失造成的表型,这说明I类和Ⅱ类受体问虽有功能互补,但各自还有独特的作用。

拟南芥RTEl编码一种膜蛋白且负调控乙烯应依赖于受体ETRI。由过量表达RTEl导致的乙烯不敏感可被etrl-7突变所遮盖,但是不能被其他受体的突变所遮盖。野生型植株的ETRI的N端是RTEl功能起作用所必需的J’i。最近Dong等人证明,拟南芥乙烯受体ETRl受RTEl的正调控。通过乙烯处理能RTEl表达减弱。亚细胞定位实验中表明ETRI不仅定位在内质网中,同时也定位于高尔基体¨“。

Kevany等人证明了在番茄中乙烯受体LeETR4的可特异抑制果实导致早熟,然而果实的大小,产量和同香味相关的成分却是不能改变的,说明乙烯受体可能在调控番茄果实成熟的开端处起生物钟的作用一“。两个家族成员LeETR4或LeETR6水平的下降均可导成熟的果实暴露在乙烯下可导致受体蛋白数量的减少和果实早熟。该结果同通过检测累积的乙烯量受体的万方数据

此外,从矮牵牛花中分离鉴定出两种编码乙烯受体的基因PhERSl和PhETR2。PhETR2在调控开花和花粉囊裂开的同步性方面具有重要作用¨“。5脱落酸受体研究进展

Razem等采用抗-抗ABA抗体(AB2)筛选ABA(脱落酸)处理过的大麦糊粉层eDNA表达文库,获得一全长cDNA(aba33),进而进行体外富集表达和蛋白特性鉴定,得到体外表达的具有潜在ABA受体特征的大麦糊粉蛋白ABAPI蛋白,该蛋白可在体外结合ABA。ABAPl与拟南芥调控植物开花时间的蛋白FCA的氨基酸序列类似。FLC是一种MADS转录因子,是成花过渡过程中的主要抑制因子。FCA是细胞核内一种RNA结合蛋白,通过与FLC的mRNA结合控制开花时间。在RNA3’.末端的加工因子FY参与下FCA通过mRNA前体成熟前剪切和多聚腺苷化自我调控自身的表达。FCA是作为一种ABA受体调控植物开花的时间,但并不参与种子萌发和气孔关闭,推测在植物体内肯定还存在其他类型的ABA受体u

6:。

这种推测很快被张大鹏研究组的研究结果所证实。他们在拟南芥中发现ABAR(ABA

bindingprotein)

是ABA受体u“。编码M矛+螯合酶的H亚基一cHLH是叶绿素的生物合成以及质体向细胞核信号转导过程的关键元件。ABAR/CHLH可特异地结合ABA,在种子萌发、萌发后生长、和气孑L运动的信号通路中起正调控作用。通过转基因上调ABAR的表达后,转基因植株在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA“超敏感”;而通过转基因下调ABAR的表达后,转基困植株在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA反应“不敏感”。同时发现ABAR的T.DNA插入敲除突变体由于种子不能正常成熟,是致死突变。此外,通过研究叶绿素合成和质体-核信号转导相关的突变体,发现如果突变不影响ABAR/CHLH的表达,就不影响植物对ABA信号的响应,从而证明了ABAR是一个ABA受体,其介导的ABA信号转导是一个独立于叶绿素合最近又鉴定出一种与G蛋白相偶联的ABA受体,同G.蛋白的仅亚基GPAI相互作用以介导所有在拟南芥中已知的ABA应答。过量表达该受体使植株表现出ABA超敏感表型。这些受体以一定的生理学浓度在酵母中ABA结合到受体上导致受体.GPAl复合物分离,表明这种G蛋白偶联的受体是一种ABA质膜45

答。遗传学和转化研究表明野生型RTEI的功能首先增强RTEl的转录水平,相反抑制乙烯信号途径则致果实表型早熟。在乙烯存在时LeETR4或LeETR6快速降解,且降解通过26S蛋白酶体途径进行。将未水平可调控果实成熟开端的时间这个模型是一致的㈨。

成和质体一核信号转导的不同的细胞信号过程。川。

结合ABA,且具有预期的动力学曲线和立体专一性。受体‘馏J。

6油菜素内酯受体研究进展

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生物学杂志

JOURNALOFBIOLOGY

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近年来利用油菜素内酯(brassin—osteroids,BR)不敏感突变体材料,通过分子遗传学和生化等方法研究BR信号转导途径,取得很大进展。br/1(brassinosteroid—insensitivel)是拟南芥中一个对BR不敏感的突变体,其表型与BR生物合成缺失突变体,如cpd((constit以ive

photomorphogenesisand

dwa斫sm)、det(de.etolation)和

dwf(幽口们等类似,如光下植株矮化、短缩的叶柄及育

性下降等。但是外源BR处理不能恢复br/1的野生型表型。

1997年,Li和Chory克隆了BRII基因,该基因编码一个含有1196个氨基酸、分子量约为130kD、富含亮氨酸重复序列的膜受体蛋白激酶。该蛋白定位于细胞膜上,胞外区包括N.端的信号肽、亮氨酸拉链基序(1eucine—zipper)、25个串连的LRRs(1eucine—rich

re-

peats)以及位于其首尾的2个半胱氨酸残基,在第21和22个LRR之间还有一个70个氨基酸残基的区域。Kinoshita等利用生物素标记的油菜素甾酮(biotin—

taggedphotoaffinity

castasterone,BPCS)证明这个由70

个氨基酸组成的区域及相邻的第22个LRR(共94个氨基酸)组成的区域ID.LRR22是直接结合BPCS的位点,而且这个序列对BR分子的结合也是非常重要的。

BAKl(BRII—associated

receptor

kinase

1)是一种富

含Leu重复的受体类激酶,可调控油菜素内酯受体BRll,使植物产生对细菌抗原的抗性¨9|。BKKl(BAKl一LIKEI)同BAKl存在功能冗余。组成型防御基因的表达baklbkkl的双突变体表现出植株致死表型、胼胝质沉积、ROS(reactive

oxygen

species)积累,在

贫瘠的生长条件下甚至自发的细胞死亡。表明BAKI和BKKl有双重生理功能,正调控依赖于BR的植物生长途径,负调控独立于BR的细胞凋亡途径闭o。7茉莉酸受体研究进展

在探索茉莉酸信号转导机理的研究中,不同的研究小组进行了大规模对茉莉酸反应改变的突变体的筛选,但得到的突变体大多是茉莉酸信号转导关键组分COIl基因的等位突变。COIl是一种F—box蛋白,在茉莉酸信号途径中起着关键作用,突变体coil几乎丧失对茉莉酸的所有反应。正如TIRI是生长素的受体一样,COIl很可能是茉莉酸的受体。在拟南芥中,已证明COIl是以SCF∞“形式形成功能复合体,推测茉莉酸激活该复合体,使转录抑制因子泛素化,进而被26S蛋白酶体降解。最近,两个研究组同时报道作为SCF∞“复合体底物的转录抑制因子为一类JAZ蛋白呤L221,从而证实了该推测。但至今仍没有证明COIl就是茉莉酸的受体,也没有分离鉴定出其它的茉莉酸受体蛋白。

46

万方数据

8展望

对生长素、赤霉素、细胞分离素、乙烯、脱落酸和油菜素内酯受体的分离鉴定和作用机理的研究成果使人们进一步认识了这些激素对植物生长发育的调节机制,同时也引发出若干有待解决的问题。除了受体下游的不同调控机制和不同信号途径之间的通讯之外,植物激素的多效性可能与受体种类的多样性有关。激素受体的作用机制和分离鉴定新的受体蛋白依然是有待研究的课题。同时,茉莉酸信号传导途径在调节植物对逆境的反应方面起重要作用,但至今还没有分离鉴定出茉莉酸受体。茉莉酸受体是否就是COIl蛋白?转录抑制因子除了JAz蛋白外是否还有其它类型?JAZ蛋白是否与茉莉酸的多效性有关?这些都是亟待解决的问题。

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‘Progressinplanthormonereceptors

ZHAOLil,HUANG

(1.Key

Hai-jie2,TIANWei.min

LaboratoryoftheCultivationandPhysiologyofTropicalAgiculturalCrops,RubberResearchInstitute,

ChineseAcademyofTropical

and

AgricuhralSciences,Danzhou571737;2.InstituteofTropicalBioscience

Bioteehnology,CATAS,Haikon571101,China)

anddevelopment

Abstract:Planthormonesphyveryimportantrolesinregulatingplantgrowth

andabioticand

as

well

a8

resistancesagainstbiotic

stresses.Plant

hormonereceptors

are

thepivotal

components

inplant

hormonesignalingtransduction.Recently,identification

characterizationofplanthormonereceptorsprogressedrapidlyinriceandtomatowiththecombinationofbiochemistry,molecularbi-

an

ologyandgenetics.In

attempt

to

providereferencesfortheinvestigation

on

the

mechanismbywhichplant

hormones

work,the

major

advancesaboutthereceptorsofclassicalplant

hormonesand

thoseof

brassin-osteroidsandjasmonateweresummarized.

Keywords:phytohormone;receptor;mutant

(上接30页)

Changesofsoilenzymeactivitiesinthecoppermine

tailingsduringnaturalsuccession

WANGWei,SUNQing—ye

(School

ofLife

Science,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)

Abstract:Therecalrestoration.The

aIe

manywastelandsofcopperecologicalrestorationof

were

minetailingswastelands

is

inTongling.Anhuiprovince.Most

ofthema弛inthenaturalecologi-

natural

typicalprimarysuccession."railingssamplesunderdifferentplantinvestigatetherelationship

communitiesfromthreezyme

wastelandscollectedanddetermined

to

betweenplant

communities

and

soil

en-

activitiesintheprocessesofnaturalecologicalrestoration.Theresultsshowedthattheactivitiesofthesoilenzymeinwasteland

increasedwiththenaturalecosystem

gradually

succession.And

followingorderwasfound:activitiesofsoilenzymeinwastelandunder

vascularplantcommunities>activitiesofunderbare

soilenzymeinwastelandundercryptogamiecrusts>activitiesofsoilenzymeinwasteland

en-

tailings.The

on

activitiesof

urea∞,alkalinephosphatase,eatalasedecreasedsignificantlywiththedepth.Impactofsoil

z”neactivity

li2"rt

typeofplantcommunities

higher

wassignificantly,theactivitiesofsoilenzymeinwastelandundertheHippochaeteramosissmi-

andZoysiasinicacommunity.Dataanalysisindicatedthere

organicmatterandtotalnitrogenin

community

were

than

thatunderlmpretacylindracacommunity

w℃佗a

significantlypositive

correlationbetweenthe

activityofsoilenzymeand

wastelands.

Keywords:copper

minetailings;soil

enzymeactivities;primarysuccession;plantcommunity;Tong,ling

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Apr,2009

doi:lO.3969/j.issn.1008—9632.2009.02.043

植物激素受体研究进展

赵丽1,黄海杰2,田维敏

(1.中国热带农业科学院橡胶研究所热带作物栽培生理学重点实验室,海南儋州571737;

2.中国热带农业科学院热带生物技术研究所,海南海口571101)

摘要:植物激素对植物的生长发育以及在植物应对逆境方面具有重要的调节作用,植物激素受体是植物激素信号转导途径中的一个关键环节,倍受关注。近年来,由于生物化学与分子生物学和遗传学结合,使得植物激素受体的研究取得了很大进展。综述了5种经典植物激素受体以及油菜素内酯和茉莉酸受体在生物化学、遗传学和分子生物学三个层面上的研究成果,旨在为进一步研究植物激素作用机制提供参考资料。关键词:植物激素;受体;突变体中图分类号:Q946.885

文献标识码:A

文章编号:1008—9632(2009)02—0043—05

植物激素受体是植物激素信号传导途径中的一个至关重要的环节。近年来,采用生物化学、遗传学和分子生物学相结合的研究手段,主要以拟南芥、番茄和烟草等为材料,在植物激素受体的分离鉴定和作用机理方面的研究取得了很大进展。本文综述这方面的研究成果,旨在为迸一步研究植物激素作用机制提供参考资料。

后进入26S蛋白酶体途径降解。生长素能够促进TIRl与AUX/IAA的相互作用,在低浓度生长素环境中,Aux/IAA蛋白相对稳定并与生长素响应因子ARF

(auxin.responsefactor)蛋白结合形成异二聚体,负调控

ARF的功能。当细胞内生长素浓度升高时,生长素结合TIRl,促进AUX/IAA蛋白降解,解除对ARF转录因子的抑制,转录因子ARF形成自身二聚体,并通过其N端的DNA结合结构域DBD(DNA

binding

生长素受体研究进展

虽然早就认识到生长素及其对植物生长发育的调

domain)结

合生长素早期应答基因启动子区的生长素响应元件

(auxin—responseelement,AuxRE),从而触发下游信号转

节作用,但直到最近才证明TIRl(Transport

inhibitor

re-

spensel)是生长素的受体。TIRl蛋白是由TIRl基因编码的一种F.box蛋白,含有594个氨基酸残基,由N端的一个F.box模式、一段短的约40个氨基酸残基的间隔区域(spacerregion)、16个简并的LRRs(1eucine—

rich

导和基因表达。

最近,Tan等人研究认为拟南芥TIRl.ASKI复合体的可单独存在或与生长素及Aux/IAA底物形成复合体。TIRl中富含亮氨酸重复序列结合有肌醇六磷酸辅因子,该结构域通过一个单一的表面口袋识别生长素和Aux/IAA底物。生长素锚定在rI'IRl口袋的底部,占据结合生长素及其类似物的位点。底物Aux/IAA肽段停泊在生长素的顶端,占领了TIRl口袋的其余空间而完全封闭了激素结合位点。生长素作为一种“分子胶水”通过填充蛋白质内表面的疏水空穴而增强TIRI与底物Aux/IAA的相互作用…。

此外在拟南芥中存在3个与TIRl同源的AFB

(auxin—signalingF-boxprotein)蛋白,该蛋白属于F—box

repeats)和一个C端约70氨基酸残基的尾巴构成。

其中N端的75个氨基酸(包括F—box序列)是TIRl同IAA结合所必需的,推测这段序列直接控制TIRl同IAA和Aux/IAA蛋白的结合。

在模式植物拟南芥中,对TIRl的作用机制做了深入研究。r11IRl与AtCULl(cullin

(RING—box

sis

protein

homologue1)、RBXl

1)及类似SKPl的ASKI(Arabidop-

Skpl—likel)一起形成一个SCFllm复合体,催化激

活状态的泛素分子从泛素连接酶E3转移到底物分子。AUX/IAA蛋白作为TIRl识别的底物,经泛素化修饰

收稿日期:2008—04—29;修回日期:2008—10—23

蛋白家族,含有LRRs,与TIRl高度同源性。用突变体

作者简介:赵丽(1980一),女,汉族,硕士研究生,专业方向:植物分子生物学,E—mail:yifanever2007@163.eom;通讯作者:田维敏,博士,研究员,博士生导师,主要从事植物发育生物学的研究,E—mail:wratian@163.corn。基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB08205)资助

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万方数据

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实验证明,拟南芥TIRl及其同源基因AFB突变后均影响植株表型,说明TIRl和AFB类蛋白是生长素结合所必需的,推测AFB家族也可能是生长素的受体,与TIRl共同感受生长素信号。2细胞分裂素受体研究进展

细胞分裂素是利用了一种类似于细菌中双元组分系统的途径将信号传递至下游元件的。在拟南芥中,作为细胞分裂素受体的组氨酸激酶(Arabidopsis

histi—

dine

kinases,AHKs)与细胞分裂素结合后自身磷酸化,

并将磷酸基团由激酶区的组氨酸转移至信号接收区的天冬氨酸。天冬氨酸上的磷酸基团进一步被转移到胞质中的磷酸转运蛋白(Arabidopsis

histidine-phospho—

transferproteins,AHPs)。磷酸化的AHPs进入细胞核并将磷酸基团转移到A型和B型反应调节因子ARRs

(ArabidopsisResponseRegulators)上,进而调节下游的

细胞分裂素应答反应旧。。

在拟南芥中,已证明3个组氨酸激酶是细胞分裂素的受体,它们是AHK2、AHK3和CREI(Cytokinin

Re—

sponsel),又名AHK4或WOODENLEG,WOL。CREl蛋白是一种膜结合蛋白,在细胞分裂素信号转导中起正调控作用。AHK2和AHK3也被陆续证明能在体外和体内特异地结合细胞分裂素。AHK2、AHK3和CREl分别编码AHK2、AHK3和CREI蛋白,与细菌二元组分的组氨酸蛋白激酶序列相似,胞外区均具有保守的CHASE结构域,被认为是细胞分裂素的结合区。

分子生物学和遗传学研究表明,3个作为细胞分裂素受体的AHK在序列上有着很高的同源性,既存在高度的功能冗余现象,又具有一定的功能特异性。CREl是一个双功能的酶,它不仅具有组氨酸激酶活性,也具有可以将AHP去磷酸化的磷酸酶活性,细胞分裂素介导的磷酸基团传递是双向的可逆的过程。但是AHK2和AHK3均只表现出磷酸激酶的活性,不具备磷酸酶活性∞。,这表明功能高度冗余的3个受体在功能及作用机制等方面存在着一定特异性。用突变体实验证明,细胞分裂素在根中的作用可能主要是通过CREl行使的,在植物地上部分的作用可能主要是通过AHK2和AHK3行使的。此外,在细胞分裂素调节叶片衰老的过程中,AHK3起主要作用∞]。

组氨酸激酶AHKI在拟南芥生长中起重要的作用,是干旱,盐压应答和ABA信号途径的正调控因子。Ahkl突变体的分析表明AHKI下行调控许多与压力相关的和/或ABA诱导的基因,包括AREBI,ANAC,和DREB2A转录因子和他们的下游基因。与AHKl不同的是,allIc2,ahl【3。和eret的功能缺失分析表明AHK2,

44

万方数据

AHK3,和CREI在ABA信号途径中起负调控子的作用。在拟南芥中由于许多与压力有关的和/或ABA诱导的基因的上行调控作用,AHK2,AHK3也可负调控渗透压应答,ahk2,ahk3的单突变体和ahk2ahk3的双突变体对于旱和盐压表现冉强的不耐受性一1。

此外,A型ARRs是细胞分裂素的信号途径的负调控因子,可迅速地应答于细胞分裂素的转录上游调控。ARRs蛋白含有一个保守氨基酸的磷酸化位点,受体结构域的磷酸化作用是A型ARRs功能所必须的:5|。

3赤霉素受体研究进展

GA是一种疏水羧酸,作为羧化阴离子可在植物细胞的胞间和细胞内溶解,并可作为质子化酸通过被动运输穿过细胞质膜。由此推断,植物体含有与质膜结合的可溶性受体。

2005年,Ueguchi.Tanaka等在水稻中鉴定了一种赤霉素不敏感的矮化突变体gidl(gibberellin—insensitivedwa矿1),并分离出四个突变体基因,并证明GIDI是赤霉素的受体旧1。Iuchi等也从拟南芥中鉴定出三种赤霉素的受体基因,AtGIDla,AtGIDlb和AtGIDlc¨1。

GIDI基因包括一个内含子和两个外显子,编码354个氨基酸的GID蛋白,其保守区与激素敏感的脂肪酶(hormone.sensitivelipase,HSL)家族虬有同源性。GIDl蛋白定位在核内,在水稻中,GIDI作为一种町溶性的受体介导赤霉素信号传导,它在与活性的GAs结合感知赤霉素信号后,将信号传递到DELLA蛋白

SLRI(SLENDERRICE),导致SLRl降解从而诱发一系

列下游反应№』。对拟南芥中SLRl的结构域分析表明DELLA蛋白SLRI的TVHYNP结构域是GIDl.SLRI相互作用所必需的。91。G|DI感知GA信号后,GA可增强GIDI和DELLA蛋白的相互作用,同时GA.GIDI复合物可促进在RGA(REPRESSOROFgal-3)和F-box

蛋白SLYI之间的相互作用‘…。。

在拟南芥萄dl-1的突变株中,单突变体gidla、gidlb和gidlc都能正常发育,无明显缺陷表型。双突变体atgidlaatgidlc表现出矮化表型,双突变体atgidlaatgidlb植株的雄蕊显著比野生型短,易不育。7o。三突变体atgidl

atgidlbatgidlc不能正常萌发,种子仅在浸

湿并剥落外壳后才能开始生长,植株表现出严重矮化表型。。,而且花形成的时间长却时间推迟,成仡器官有严重的缺陷,不能应答于外施的GA¨0。。这些结果表明,所有AtGIDls都作为拟南芥中GA的受体共同感知激素信号,但在基因间又存在功能特异性。4乙烯受体研究进展

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迄今在拟南芥中分离鉴定出5个乙烯受体,即ETRI、ETR2、ERSl、ERS2和EIN4。它们在结构上与细菌和真菌中存在的双元组分系统类似。根据结构上的特点可将其分为两类。第一类包括ETRl和ERSl,具有氨基端乙烯结合结构域和非常保守的羧基端组氨酸激酶结构域;第二类包括ETR2、ERS2和EIN4。具有氨基端乙烯结合结构域,但组氨酸激酶结构域是不完整的,缺少催化活性所必需的一个或多个元件。在5个受体中,ETRI、ETR2和EIN4还多出一个接收器结构域,其功能尚不清楚。

遗传学研究表明,5个受体中的任何一个发生功能获得性突变(多数突变影响了受体与乙烯的结合能力)都能导致对乙烯不敏感,表明所有的5个受体都与乙烯信号相关。但单个受体的功能缺失突变体表型与野生型类似,表明不同受体之间存在功能冗余。三重或四重功能缺失突变体具有组成型的乙烯反应表型进一步证实了上述推论,也表明乙烯受体在乙烯信号转导途径中起着负调控作用。在ersl/etrl双重突变体(I类受体全部功能缺失的突变体)中,过量表达任何一个Ⅱ类受体都不能互补其表型,而在etr2/ein4/ers2三重突变体中过量表达I类受体也不能完全互补Ⅱ类受体缺失造成的表型,这说明I类和Ⅱ类受体问虽有功能互补,但各自还有独特的作用。

拟南芥RTEl编码一种膜蛋白且负调控乙烯应依赖于受体ETRI。由过量表达RTEl导致的乙烯不敏感可被etrl-7突变所遮盖,但是不能被其他受体的突变所遮盖。野生型植株的ETRI的N端是RTEl功能起作用所必需的J’i。最近Dong等人证明,拟南芥乙烯受体ETRl受RTEl的正调控。通过乙烯处理能RTEl表达减弱。亚细胞定位实验中表明ETRI不仅定位在内质网中,同时也定位于高尔基体¨“。

Kevany等人证明了在番茄中乙烯受体LeETR4的可特异抑制果实导致早熟,然而果实的大小,产量和同香味相关的成分却是不能改变的,说明乙烯受体可能在调控番茄果实成熟的开端处起生物钟的作用一“。两个家族成员LeETR4或LeETR6水平的下降均可导成熟的果实暴露在乙烯下可导致受体蛋白数量的减少和果实早熟。该结果同通过检测累积的乙烯量受体的万方数据

此外,从矮牵牛花中分离鉴定出两种编码乙烯受体的基因PhERSl和PhETR2。PhETR2在调控开花和花粉囊裂开的同步性方面具有重要作用¨“。5脱落酸受体研究进展

Razem等采用抗-抗ABA抗体(AB2)筛选ABA(脱落酸)处理过的大麦糊粉层eDNA表达文库,获得一全长cDNA(aba33),进而进行体外富集表达和蛋白特性鉴定,得到体外表达的具有潜在ABA受体特征的大麦糊粉蛋白ABAPI蛋白,该蛋白可在体外结合ABA。ABAPl与拟南芥调控植物开花时间的蛋白FCA的氨基酸序列类似。FLC是一种MADS转录因子,是成花过渡过程中的主要抑制因子。FCA是细胞核内一种RNA结合蛋白,通过与FLC的mRNA结合控制开花时间。在RNA3’.末端的加工因子FY参与下FCA通过mRNA前体成熟前剪切和多聚腺苷化自我调控自身的表达。FCA是作为一种ABA受体调控植物开花的时间,但并不参与种子萌发和气孔关闭,推测在植物体内肯定还存在其他类型的ABA受体u

6:。

这种推测很快被张大鹏研究组的研究结果所证实。他们在拟南芥中发现ABAR(ABA

bindingprotein)

是ABA受体u“。编码M矛+螯合酶的H亚基一cHLH是叶绿素的生物合成以及质体向细胞核信号转导过程的关键元件。ABAR/CHLH可特异地结合ABA,在种子萌发、萌发后生长、和气孑L运动的信号通路中起正调控作用。通过转基因上调ABAR的表达后,转基因植株在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA“超敏感”;而通过转基因下调ABAR的表达后,转基困植株在种子萌发、幼苗生长和气孔运动方面对ABA反应“不敏感”。同时发现ABAR的T.DNA插入敲除突变体由于种子不能正常成熟,是致死突变。此外,通过研究叶绿素合成和质体-核信号转导相关的突变体,发现如果突变不影响ABAR/CHLH的表达,就不影响植物对ABA信号的响应,从而证明了ABAR是一个ABA受体,其介导的ABA信号转导是一个独立于叶绿素合最近又鉴定出一种与G蛋白相偶联的ABA受体,同G.蛋白的仅亚基GPAI相互作用以介导所有在拟南芥中已知的ABA应答。过量表达该受体使植株表现出ABA超敏感表型。这些受体以一定的生理学浓度在酵母中ABA结合到受体上导致受体.GPAl复合物分离,表明这种G蛋白偶联的受体是一种ABA质膜45

答。遗传学和转化研究表明野生型RTEI的功能首先增强RTEl的转录水平,相反抑制乙烯信号途径则致果实表型早熟。在乙烯存在时LeETR4或LeETR6快速降解,且降解通过26S蛋白酶体途径进行。将未水平可调控果实成熟开端的时间这个模型是一致的㈨。

成和质体一核信号转导的不同的细胞信号过程。川。

结合ABA,且具有预期的动力学曲线和立体专一性。受体‘馏J。

6油菜素内酯受体研究进展

第26卷第2期2009年4月

生物学杂志

JOURNALOFBIOLOGY

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近年来利用油菜素内酯(brassin—osteroids,BR)不敏感突变体材料,通过分子遗传学和生化等方法研究BR信号转导途径,取得很大进展。br/1(brassinosteroid—insensitivel)是拟南芥中一个对BR不敏感的突变体,其表型与BR生物合成缺失突变体,如cpd((constit以ive

photomorphogenesisand

dwa斫sm)、det(de.etolation)和

dwf(幽口们等类似,如光下植株矮化、短缩的叶柄及育

性下降等。但是外源BR处理不能恢复br/1的野生型表型。

1997年,Li和Chory克隆了BRII基因,该基因编码一个含有1196个氨基酸、分子量约为130kD、富含亮氨酸重复序列的膜受体蛋白激酶。该蛋白定位于细胞膜上,胞外区包括N.端的信号肽、亮氨酸拉链基序(1eucine—zipper)、25个串连的LRRs(1eucine—rich

re-

peats)以及位于其首尾的2个半胱氨酸残基,在第21和22个LRR之间还有一个70个氨基酸残基的区域。Kinoshita等利用生物素标记的油菜素甾酮(biotin—

taggedphotoaffinity

castasterone,BPCS)证明这个由70

个氨基酸组成的区域及相邻的第22个LRR(共94个氨基酸)组成的区域ID.LRR22是直接结合BPCS的位点,而且这个序列对BR分子的结合也是非常重要的。

BAKl(BRII—associated

receptor

kinase

1)是一种富

含Leu重复的受体类激酶,可调控油菜素内酯受体BRll,使植物产生对细菌抗原的抗性¨9|。BKKl(BAKl一LIKEI)同BAKl存在功能冗余。组成型防御基因的表达baklbkkl的双突变体表现出植株致死表型、胼胝质沉积、ROS(reactive

oxygen

species)积累,在

贫瘠的生长条件下甚至自发的细胞死亡。表明BAKI和BKKl有双重生理功能,正调控依赖于BR的植物生长途径,负调控独立于BR的细胞凋亡途径闭o。7茉莉酸受体研究进展

在探索茉莉酸信号转导机理的研究中,不同的研究小组进行了大规模对茉莉酸反应改变的突变体的筛选,但得到的突变体大多是茉莉酸信号转导关键组分COIl基因的等位突变。COIl是一种F—box蛋白,在茉莉酸信号途径中起着关键作用,突变体coil几乎丧失对茉莉酸的所有反应。正如TIRI是生长素的受体一样,COIl很可能是茉莉酸的受体。在拟南芥中,已证明COIl是以SCF∞“形式形成功能复合体,推测茉莉酸激活该复合体,使转录抑制因子泛素化,进而被26S蛋白酶体降解。最近,两个研究组同时报道作为SCF∞“复合体底物的转录抑制因子为一类JAZ蛋白呤L221,从而证实了该推测。但至今仍没有证明COIl就是茉莉酸的受体,也没有分离鉴定出其它的茉莉酸受体蛋白。

46

万方数据

8展望

对生长素、赤霉素、细胞分离素、乙烯、脱落酸和油菜素内酯受体的分离鉴定和作用机理的研究成果使人们进一步认识了这些激素对植物生长发育的调节机制,同时也引发出若干有待解决的问题。除了受体下游的不同调控机制和不同信号途径之间的通讯之外,植物激素的多效性可能与受体种类的多样性有关。激素受体的作用机制和分离鉴定新的受体蛋白依然是有待研究的课题。同时,茉莉酸信号传导途径在调节植物对逆境的反应方面起重要作用,但至今还没有分离鉴定出茉莉酸受体。茉莉酸受体是否就是COIl蛋白?转录抑制因子除了JAz蛋白外是否还有其它类型?JAZ蛋白是否与茉莉酸的多效性有关?这些都是亟待解决的问题。

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‘Progressinplanthormonereceptors

ZHAOLil,HUANG

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LaboratoryoftheCultivationandPhysiologyofTropicalAgiculturalCrops,RubberResearchInstitute,

ChineseAcademyofTropical

and

AgricuhralSciences,Danzhou571737;2.InstituteofTropicalBioscience

Bioteehnology,CATAS,Haikon571101,China)

anddevelopment

Abstract:Planthormonesphyveryimportantrolesinregulatingplantgrowth

andabioticand

as

well

a8

resistancesagainstbiotic

stresses.Plant

hormonereceptors

are

thepivotal

components

inplant

hormonesignalingtransduction.Recently,identification

characterizationofplanthormonereceptorsprogressedrapidlyinriceandtomatowiththecombinationofbiochemistry,molecularbi-

an

ologyandgenetics.In

attempt

to

providereferencesfortheinvestigation

on

the

mechanismbywhichplant

hormones

work,the

major

advancesaboutthereceptorsofclassicalplant

hormonesand

thoseof

brassin-osteroidsandjasmonateweresummarized.

Keywords:phytohormone;receptor;mutant

(上接30页)

Changesofsoilenzymeactivitiesinthecoppermine

tailingsduringnaturalsuccession

WANGWei,SUNQing—ye

(School

ofLife

Science,AnhuiUniversity,Hefei230039,China)

Abstract:Therecalrestoration.The

aIe

manywastelandsofcopperecologicalrestorationof

were

minetailingswastelands

is

inTongling.Anhuiprovince.Most

ofthema弛inthenaturalecologi-

natural

typicalprimarysuccession."railingssamplesunderdifferentplantinvestigatetherelationship

communitiesfromthreezyme

wastelandscollectedanddetermined

to

betweenplant

communities

and

soil

en-

activitiesintheprocessesofnaturalecologicalrestoration.Theresultsshowedthattheactivitiesofthesoilenzymeinwasteland

increasedwiththenaturalecosystem

gradually

succession.And

followingorderwasfound:activitiesofsoilenzymeinwastelandunder

vascularplantcommunities>activitiesofunderbare

soilenzymeinwastelandundercryptogamiecrusts>activitiesofsoilenzymeinwasteland

en-

tailings.The

on

activitiesof

urea∞,alkalinephosphatase,eatalasedecreasedsignificantlywiththedepth.Impactofsoil

z”neactivity

li2"rt

typeofplantcommunities

higher

wassignificantly,theactivitiesofsoilenzymeinwastelandundertheHippochaeteramosissmi-

andZoysiasinicacommunity.Dataanalysisindicatedthere

organicmatterandtotalnitrogenin

community

were

than

thatunderlmpretacylindracacommunity

w℃佗a

significantlypositive

correlationbetweenthe

activityofsoilenzymeand

wastelands.

Keywords:copper

minetailings;soil

enzymeactivities;primarysuccession;plantcommunity;Tong,ling

47

万方数据


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