油菜素甾醇类物质的生理作用及信号转导

摘要 近年来，人们研究发现植物细胞中存在甾醇类激素，其在植物的生长发育过程中发挥着重要的调控作用，并发现了膜受体复合物的重要组成部分BRI1 和通过膜受体介导的信号转导途径，使得油菜素凿醇类信号从膜上被感知一直到在核内诱导特异基因表达的信号转导途径有了一个基本的轮廓。

关键词 植物 油菜素甾醇类BRs 生理作用 调控 信号转导 BRI1

油菜素甾醇类化合物(Brassinosteroids,BRs) 是指与油菜素内酯(brassinolide,BL)有类似的结构与功能的甾醇类植物激素，BRs被证明是一类植物生长不可缺少的植物激素，存在于植物的花粉、种子、叶片、根、茎和花冠中。研究表明，花粉、未成熟的种子及根可能是BRs的生物合成位点。在植物体内, BR的活性水平在BR生物合成、代谢及去活化等层次上受到精细调控。在天然BRs中，BL的生物活性最强，被认为是植物体内起作用的BR的活性形式［1］。BR的生物合成呈代谢网格状(metabolicgrid),其生物合成酶受到终产物和信号转导的一些中间组分的反馈抑制［2］。从BR信号的产生,包括BR的合成、活性与水平的调节及运输, 到与膜受体结合引起信号的感知和传递,并最终引起BR诱导基因的表达和特定的生理反应, 是一个连续且相互影响的过程,并且每一个环节都受到多种内外因子在多个层次上的调节，BR信号从细胞膜向细胞核传导的途径已基本清晰［3］。（方欢欢）

1油菜甾醇类的生理作用

与传统的5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，其用量仅是5大激素的千分之一。BRs能增加植物对冷害、冻害、病害、除草剂及盐害等的抗性，协调植物体内多种内源激素的相对水平，改变组织细胞化学成分的含量，激发酶(包括RNA与DNA多聚酶、ACC合成酶、ATP酶等)的活性，影响基因表达，促进Ⅸ蛆、RNA和蛋白质合成，促进细胞分裂和伸长，增加植物生长发育速度，参与光信号调节，影响光周期反应，提高作物产量及种子活力，减少果实的败育和脱落等［4］。（方欢欢）

BR主要用于增加农作物产量，减轻环境胁迫，有些也可用于插枝生根和花卉保鲜。随着对BR研究的深入和成本低的人工合成类似物的出现，BR在农业生产上的应用必将越来越广泛［5］。粮、棉、油、蔬菜、茶、桑、瓜果、花卉和树木等均可使用，而且增产幅度大、产品质量好，无毒副作用。在蔬菜上应用除提高叶菜类产量外，还可保花、保果、增大果实和改善品质等［4］。油菜甾醇类具体的的生理作用如下：（方欢欢）

调节营养器官的生长 适宜浓度的BRs能促进许多植物的幼茎伸长，其促伸长活

性是生长素的100倍乃至1000倍，菜豆的第二节间表现尤为明显。BRs还能促进豌豆下胚轴，绿豆下胚轴，黄瓜下胚轴，单子叶植物的胚芽鞘伸长低浓度BRs（＜0.1nmol／L)则能促进拟南芥根生长，而高浓度24-epiBL抑制拟南芥跟的生长，Brs明显抑制小麦、绿豆和玉米的侧根生长［1］。（方欢欢）

促进种子发芽 BRs

能促进烟草、沙棘、紫穗槐、独脚金、三叶草和列当种子的发

芽速率。萝卜种子萌发期间，油菜甾醇酮水平下降，而BL水平增加，这表明BL在种子的正常萌发中发挥作用。用BL浸泡水稻种子可以提高种子活力，促进水稻早生快发，培育壮苗，促进有效分蘖［1］。（方欢欢）

影响维管束分化 BRs与其他植物激素（生长素、细胞分裂素）协同调控维管束发

育。BRs能加速向日葵外植体的管胞分化。BL生物合成抑制剂能抑制百日草细胞培养中的木质部分化，此现象能为外源BL所解除。这进一步说明BRs促进木质部分化［1］。（方欢欢）

调节生殖生长 育性降低或雄性不育是BR缺失或不敏感突变体的一个共同特征。

近期的证据表明，BRs促进成花是通过降低一个成花抑制子FLC（flowering locus C）的转录水平来实现的。Hewitt等（1985）发现纳摩尔水平的BL能促进花粉管伸长。BL处理使拟南芥和芥菜发生独雌生殖，产生单倍体种子。拟南芥中cpd突变体因其花粉管不能伸长而雄性不育，当供给BRs时，则能结实。Asakawa等（1996）认为随着花粉发育，伴随着游离态BRs的增加，结合态BR前体水平下降。外源BR处理能改善结实和种子充实，并能推迟果实脱落。未成熟种子中相对富含BRs，它们可能通过诱导产生木葡聚糖内转糖基酶而参与果实成熟［1］。（陈丽洁）

参与向重力性和光形态建成 外援施用BL（10

-9

～10mol/L）增强玉米和拟

-5

南芥根的向重力弯曲。BP生物合成突变体det2却表现出延迟的向重力性反应，而BR不敏感突变体bri1有正常的向性反应，这表明BR含量在促进植物向性响应中起关键作用。吕冰（2000）发现24-epiBL(1mg˙L)能促进“抛秧稻”幼苗茎的负向重力性反应，进而促进立苗［1］。

BRs在高等植物光形态建成中可以起到负调控因子的作用。早期研究正式BL可以解除红光对绿豆下胚轴伸长的显著抑制，远红光对此伸长无影响，这表明BRs与光敏色素信号系统可能有互作，也暗示BRs可能有助于维持植物的黄化状态［1］。（陈丽洁）

-1

参与光合作用调节 BR可促进小麦叶RuBP羧化酶的活性，因此可提高光合速率。

BR处理花生幼苗后9天，叶绿素含量比对照高10％～12％，光合速率加快15％［5］。 BR在小麦、水稻等作物中发现，油菜素内醋对叶片的光合作用强度有一定的促进效果，但对植株的总干物重并无明显影响。却对植株干重的分配有着明显的影响。在菜豆试验中，幼苗地上部干物重的分配：油菜素内酯处理节间干重增加4%，处理部分以下节间干重增加11-16%外，处理节间以上部分干重减少15-20%，侧枝干重也有明显增加［6］。（陈丽洁）

促进生根 格雷戈里（Gregory）等用0.0001 ppm表油菜素内酯对大豆下胚轴切段处

理8小时，能刺激其产生不定根，但在高浓度下却抑制根的产生和生长，即油菜素甾醇类对根的作用与浓度有密切的关系［6］。（陈丽洁）

保鲜作用 赵毓橘等人研究发现，表油菜素内酯对绿豆下胚轴有保幼延衰作用。表油

菜素内酯处理5天的绿豆离体下胚轴切段细胞内，仍保持着完整的细胞器结构，而对照的细胞器已崩溃破坏殆尽［6］。（陈丽洁）

其他生理作用 BRs也能促进整株植物的不对称生长（asymmetric growth），如水

稻叶片倾斜；纳摩尔水平的BRs处理萝卜根，会引起幼苗子叶柄和下下胚轴的弯曲伸长；BRs也能诱导番茄叶片和叶柄的偏上生长。［1］

BRs促进菜豆植物细胞分裂和木髓细胞分裂。促进萝卜子叶扩大时，BRs与细胞分裂素有加成效应。［1］

BRs能促进同化产物运输和再分配。用C标记蔗糖饲喂水稻和蚕豆的实验表明，BR能促进同化产物从源叶到库区的分配，促进叶片对蔗糖的吸收。［1］

BRs能提高植物对干旱、冷害、重金属、除草剂伤害、盐胁迫和真菌浸染等逆境的抗性，如BL浸泡稻种和2叶期喷施都可以提高水稻抗寒性及产量。用BL喷施叶片，可减轻或防止水稻纹枯病，黄瓜灰霉病，白菜软腐病，番茄晚疫病［1］。水稻幼苗在低温阴雨条件下生长，

-4

若用10mg／L BR溶液浸根24h，则株高、叶数、叶面积、分蘖数、根数都比对照高，且幼苗成活率高、地上部干重显著增多。此外，BR也可使水稻、茄子、黄瓜幼苗等抗低温能力增强［5］。因此有人将其称为“逆境缓和激素” ［5］。（陈丽洁）

14

2油菜素甾醇类的信号转导途径

BRs在转录水平上调控诸多酶和蛋白质的表达，它们涉及：1.细胞壁松弛，如TCH4；2.细胞分裂，如细胞周期素D3（CycD3）；3.糖类代谢；4.乙烯和茉莉酸生物合成。BRI1是一个定位于细胞膜上的含有25个富含亮氨酸重复片段（leucine-rich repeat，LRR）的丝氨酸/苏氨酸型受体样激素（LRR-RLK），LRR内含一个具油菜素内酯（BL）结合能力的岛状域，BL能以相当高的专一性直接结合到BRI1受体的“岛”区域，证明了BRI1是BR的受体。［1］。（胡琪）

然而，BRI1并不是唯一的BR受体。拟南芥中有3个很接近于BRI1的同源蛋白，其中至少2个——BRL1和BRL3——能高亲和地结合BR。并且，以BRI1启动子表达这两个蛋白后，能挽救bri1突变体的表型［1］。这些BRI1同源蛋白似乎能介导维管组织中细胞类型特异（cell-type-specific）的BR反应［7］。（胡琪）

BAK1也属于RLKs家族中的SERK亚家族（SERK1-SERK5）。除了BAK1（SERK3），2个SERK家族的其他成员——SERK1和BKK1（BAK1-like 1，SERK4）——似乎在BR信号中起着和BAK1冗余的作用。和BAK1一样，过表达SERK1或BKK1都能部分抑制bri1-5的表型；体内实验中，它们也能与BRI1相互作用［8］。虽然bak1功能确实单突变只有比较弱的矮化表型，但bak1 serk1-1双突变的BR不敏感的矮化表型显著增强，bak1-4 bkk1-1双突变和bak1单突变相比，只有去黄化轻微增强的表型。最近有人提出，SERK1和BAK1/SERK3一起，而不是和BKK1/SERK4一起，介导对BR的响应［8］。然而，bak1 serk1双突变体的表型仍然比bri1强突变体和表达显性抑制形式bak1的转基因植株的表型弱得多［9］。加上BAK1和BKK1在抑制细胞死亡的信号通路中的作用，分析起来会更加复杂。（胡琪）

在拟南芥中，BR处理能促进BRI1和BAK1的相互作用并增加它们的磷酸化水平［10］。BR诱导的BRI1-BAK1结合似乎是由它们的激酶结构域介导，而不是胞外域的共同结合。首先，BR结合BRI1并不依赖于BAK1，BAK1也不参与BR与BRI1的结合，在bak1无义突变体和BAK1过表达的植株中，BL结合BRI1的活性都没有发生变化。其次，BRI1与BAK1的相互作用依赖于它们的激酶活性。将BAK1的激酶结构域突变后，体外相互作用减弱；BRI1的激酶结构域突变为没有激酶活性形式后，它们的相互作用几乎完全消失［9］。一个BRI1激酶活性丧失（kinase-dead）的突变体不能表现出BR诱导的与BAK1的结合，这暗示对于BR诱导的BRI1与BAK1的结合，完整的胞外域并不是充分条件，而BRI1激酶活性却是必要条件［10］。然而，酵母中BAK1胞外域亮氨酸拉链中的L46E突变似乎丢失了BAK1与BRI1的结合。虽然这个结果可能支持了胞外域在BRI1-BAK1结合中的作用，但缺乏与BRI1的相互作用也可能是由于突变BAK1蛋白的定位错误（如滞留在内质网中）或在细胞中的不稳定性。另一方面，一个BAK1激酶活性丧失的突变体在BR处理后仍能与野生型BRI1结合，这暗示BR首先激活BRI1激酶，BAK1与BRI1的结合是第一步BRI1激酶激活的结果［10］。BRI1激

酶活性的对于与BAK1相互作用和BAK1的激活的必要性也与一个观察到的现象一致，即BAK1过表达只能抑制bri1弱突变的表型，而不能抑制bri1-5 det2双突变和bri1无义突变的表型［9］。以上这些结果显示，BAK1参与BRI1的激活，不参与将BR信号传递到下游物质。（胡琪）

完整的BR信号通路阐明了通路前后的分子事件：BR结合到细胞表面的BRI1，BRI1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BSU1，使得BIN2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。（胡琪）

3、不依赖于BRI1的信号转导途径

目前，关于BR信号转导的研究大部分集中在以BRI 1为受体的BR信号转导途径，而且BR诱导的很多基因都与细胞伸长有关，但关于BR对细胞分裂的影响则报道较少.在拟南芥中，BR在黑暗条件下能诱导一种细胞周期依赖性激酶相关基因CDC2b的表达。（李函洋）

但奇怪的是，这一基因主要在下胚轴的伸长中发挥作用，而不是与细胞周期的控制有关.李家洋实验室首次报道了BR在细胞分裂中的功能及相应的BR信号转导途径.他们在拟南芥det2(BR生物合成突变体)悬浮培养细胞中发现，BL(epi-brassinolide,epi-BL)能上调一种D型植物细胞周期蛋白基因伪cD3的转录.通常条件下，细胞分裂素(cytokinin,CTK)通过活化CycD3而促进细胞分裂，epi-BL也能通过CycD3而促进细胞分裂，并且在拟南芥的愈伤组织和悬浮细胞中能替代CTK而发挥作用.但BR和CTK诱导cycD3转录的机理不同，CTK对CycD3的诱导作用涉及蛋白质的磷酸化和去磷酸化作用，却不需合成新的蛋白质;然而，BR诱导CycD3的过程不涉及蛋白质的磷酸化和去磷酸化作用，却需要合成新的蛋白质.在BRI 1介导的BR信号转导途径中，磷酸化和去磷酸化作用是BR信号转导级联反应中的一部分。（李函洋）

从这个角度上，BR诱导的CycD3转录途径显然与BRI 1途径不协调.同时，在bril突变体中，BR对CycD3的诱导仍然能发生，说明在植物中可能存在另一种不依赖于BRI1的BR信号转导途径。（李函洋）

可以推测，CycD3介导的BR信号转导途径很可能属于这一类，当然这还需要更多的实验证据来证实.制的基因，如一些编码转录因子的基因和编码BR生物合成酶的基因[11 ].由于BR诱导基因在表达量上变化较小，在2}5倍的变化幅度内[12]，而且BR反应元件在功能上存在冗余，使得BR反应元件的鉴定和BR调节基因表达机理的研究较难.TCH4是惟一一个BR反应元件得到研究的BR诱导基因.研究证实，各种刺激诱导下TCH4的表达都与启动子区域的同一个102 by的片段有关[13]，该片段中存在一种共同的顺式元件，用以控制包括BR在内的不同信号刺激下TCH4的表达调控，（李函洋）

4、BR信号转导的末端元件BR对基因表达的调控

许多信号分子对植物生长发育的影响主要是通过调节基因表达实现的，BR也不例外.迄今为止，已经鉴定到许多受BR调节的基因，其中研究得最深人的是木葡聚糖内转糖基酶(xyloglucan endotransglyco-sylase, XET)基因，如大豆中的BR Ul就是一种功能性XET基因，在BR刺激的茎伸长中发挥作用[14]此外，在拟南芥、水稻、番茄中也发现了类似的XET基因.拟南芥中TCH4基因的表达不仅受到BR的调节，而且还受到生长素和一些环境刺激，如接触、黑暗和温度等的调节[15], BR对BR UI和TCH4表达的调节分别发生在转录和转录后水平上[13], BR还能通过调节微管基因表达来影响细胞的伸长[16]此外，BRs还能参与碳水化合物代谢的调节，促进细胞分裂和维管组织的分化，与这些胞内过程相关的BR调节基因也已

经鉴定到[17]。（李函洋)

大部分BR诱导基因是通过传统的方法鉴定得到的，所以总的数量非常有限.近年来，借助DNA芯片技术，同时比较BR处理植株和对照之间以及BR突变体和野生型植株的基因表达，研究人员筛选到大量受BR调节的基因[11]. DNA芯片技术鉴定的BR诱导基因包括编码转录因子和BAST的基因、编码细胞壁相关蛋白的基因以及一些和生长素信号转导有关的基因.。（李函洋）

5 BR与其他信号的相互作用

由于植物细胞内存在复杂的信号转导网络体系(networks)，了解不同信号之间的相互作用对于我们理解这一复杂的信号转导网络体系越来越重要，因而这一研究成为信号转导领域的研究热点. BR与光信号之间的相互作用研究近年来取得较大进展，已发现BR与光信号之间的相互作用发生在多个层次上.BR与光信号之间相互作用的重要证据来自对BR突变体的研究，BR合成突变体det2的表型为去黄化，表现为暗中生长的幼苗胚轴缩短、子叶张开，而导致这种表型的原因是这种突变在暗中诱导了部分光控基因的表达[18]。（李函洋）

此外，BR信号和光信号还通过BAS 1相互作用，BAS 1通过C26-经化活性调节BR水平和光反应fab].而一种暗诱导的小G蛋白Prat可能调节光和BR信号在黄化过程中的相互作用。（李函洋）

反之，光也能调节BR的生物合成和信号转导过程，BR生物合成的一些关键酶基因(如C尸刀和D基因等)表达受光的调节.BR信号的正向调节因子BZR1具有调节下游生长反应和BR生物合成的反馈抑制的双重作用，而且这种作用依赖于光信号.在黑暗条件下，BZR1对BR信号转导的正向调节作用占优势;而在光照条件下，它对BR生物合成的反馈抑制占优势.因此，BZRI基因可能是光和BR信号转导途径相互作用中的一个调节点。（李函洋）

(李函洋）

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