全 文 ：拟南芥突变体在生长素信号传导中的研究进展①
常　立1 ,简　兴2
(四川农业大学 林学园艺学院 , 中国四川 雅安　625014)
摘　要:近年来 , 在植物激素的信号传导研究上已取得突破性进展.生长素的信号传导通路研究除了在生长
素结合蛋白(ABP)上有所进展外 ,在生长素应答基因(Aux IAA), 生长素调节因子(ARF)以及感应突变体的研
究上也取得较大进展.对生长素运输通路及 PIN1 蛋白的功能和其抑制剂的研究也使对生长素信号传导的认
识更清楚.生长素应答基因(Aux IAA)是生长素处理后快速诱导的基因.Aux IAA 蛋白具有组织特异性(例如
SAU 蛋白)可以用来研究外源激素对植物生长发育的影响.生长素调节因子(ARF)与生长素应答基因的启动
子序列具有特异性结合 , Aux IAA 蛋白与生长素调节因子(ARF)相互作用 , 并引发一系列蛋白质降解.使用转
基因的拟南芥突变体 ,能有效地研究生长素在植物体内的特异性分布.借助运输载体抑制剂 , 可以对生长素的
极性运输有更深入的了解.已经证明 PIN 蛋白参与生长素运输并与肌动蛋白有关.而且生长素参与了赤霉素
介导的植物伸长反应.
关键词:生长素;生长素应答基因;生长素调节因子;生长素应答基因突变体;泛蛋白;PIN蛋白;拟南芥突变
体;DELLA蛋白
中图分类号:Q946.885.1　　　　　　　　文献标识码:A 文章编号:1007-7847(2003)S0-0075-04
Current Progress in Auxin Signaling by Using Arabidopsis Mutants
CHANG Li
1 , JIAN Xing2
(Department of Forestry and Horiticulture , Sichuan Agricultural University , Yaan 625014 , Sichuan , China)
Abstract:By using mutants of auxin responsive , specific promotor of auxin response gene and molecule biology
tools , some auxin response genes being cloned and point-mutants of promotor of auxin response genes can provide
more knowledge to learn about auxin signaling.Discovery of some auxin transportation proteins such as PIN promote
more understanding of auxin signaling.Aux IAA gene is auxin-induced rapidly after auxin treatment.Regulation of a
set of early auxin-responsive genes is among the best characterized auxin response.Expression of these genes is
controlled by a family of transcription factors — auxin response factors(ARFs).Auxin response factor(ARF)which
can bind specific to the sequence TGTCTC in AuxREs was cloned from Arabidopsis by using a yeast one-hybrid
system.The carboxyl terminus of ARF1 contains two motifs found in the Aux IAA class of proteins and appears to
mediate protein-protein interactions.Aux IAA proteins act as repressors for ARF-activated gene expression.
Interaction of Aux IAA proteins and auxin response factors makes a series of protein degrading event in signaling.
The normal asymmetric membrane localication of PIN1 has realationship with auxin polar transportion , and function
of PIN proteins depends on actin activity.
Key words:auxin;Aux IAA gene;auxin response factors (ARFs);auxin response mutants;ubiquitin;PIN
protein;Arabidopsis mutants;DELLA
(Life Science Research ,2003 ,7(2):75 ～ 78)
第 7 卷　第 2期(专辑)
2003 年 6月 　 　　　　　　　　
生命科学研究
Life Science Research
　 　　　　　　　　Vol.7　No.2(Suppl.)
June 2003
① 收稿日期:2003-05-23;修回日期:2003-06-10作者简介:常　立(1973-),男 ,山西原平人 , 四川农业大学硕士研究生 ,从事植物组织培养研究 , Tel:+86-0835-2888560, E-mail:
changli1973@etang.com
　　生长素影响植物的生长和发育 、包括细胞分
裂 、细胞伸长和分化 、顶端优势 、植物向性 、衰老 、
脱落以及促使某些植物开花.但由于在细胞感受
生长素刺激上存在几套较独立的机制 、生长素参
与的复杂效应及与其它植物激素之间的相互作
用 ,生长素的生物学研究进展缓慢.即便如此 ,在
经过了几十年不懈的研究后 ,我们对生长素的合
成和在植物体内的运输已有了较深刻的了解 ,并
能在分子水平和细胞层次上了解它对植物生长发
育所起的作用.对生长素信号传导的了解可以有
助于此.使用生长素应答基因突变体 、抑制剂 、生
物芯片 、各种电泳技术 、转基因方法 ,我们对生长
素信号传导通较为深刻的认识.
1　生长素应答/诱导基因(Auxin-Respon-
sive Genes)
　　利用生长素所诱导表达的组织或发育阶段特
异性基因来研究生长素信号调控的方法差不多进
行了 20多年.这些基因被上游的启动子所调控被
称为生长素应答基因[ 1] .在用生长素处理后 ,植物
的基因表达发生了变化 ,其中一些基因属于生长
素应答基因 ,这些基因被生长素诱导而表达.事实
上因为早期生长素应答基因也可被蛋白质合成抑
制剂放线(菌)酮 ,环己酰亚胺所诱导 ,由此认为这
种抑制剂的快速形成参与了这些基因表达的调
控.但是这些生长素诱导基因的产物需要进一步
研究.现在看来蛋白质合成抑制剂有助于保持生
长素诱导基因 mRNA的稳定.
Aux IAA基因是一个典型的生长素所诱导表
达的组织或发育阶段特异性基因家族.其中 25个
已从拟南芥中克隆.Aux IAA 蛋白属于生长素快
速诱导的半衰期很短的核蛋白 ,并且具有 4个保
守结构域 ,结构域 II 的 13个氨基酸特异序列(构
成一个降解单元)是 Aux IAA蛋白家族中的共有
保守序列 ,由此可见它对生长素的信号传导是必
需的.13个氨基酸特异性保守序列和荧光(素)酶
的融合蛋白(使 Aux IAA蛋白变得较稳定)类似于
先前所观察到的 PSIAA6全长序列[ 2] .并且对 Aux
IAA蛋白的核内定位表明:一些丰度很低只有 5 ～
10min的半衰期.以上表明至少某些 Aux IAA 蛋
白参与了转录[ 3] .Aux IAA 蛋白与生长素调节因
子(ARF)可形成异源多聚体 , 并可以作为 ARF 所
激活的生长素应答基因的抑制剂.即 Aux IAA蛋
白对生长素调节因子(ARF)有拮抗作用.早期生
长素应答基因的调控是生长素信号传导通路研究
中的重要内容.这些基因表达受一个转录因子
(ARFs)家族的调控[ 4] .ARFs能够直接与生长素应
答基因的启动子的生长素应答因子发生特异性结
合.在拟南芥中 ,特异性的转录因子(ARFs)激活
或抑制生长素应答基因表达[ 5] .Aux IAA 蛋白与
生长素调节因子(ARF)可形成异源多聚体 , 并可
以作为 ARF 所激活的生长素应答基因的抑制
剂[ 6 ,7] .生长素能够促进 Aux IAA 蛋白的降解 ,但
是Aux IAA蛋白与生长素调节因子(ARF)是怎么
起作用的 ,并不清楚.有的 Aux IAA基因的表达在
被生长素处理后几分钟就发生了 ,而其它的基因
差不多需要20多分钟.Aux IAA 基因也显示了不
同的诱导动力学 ,使用量应答反应和表达的组织
特异性.使用酵母单杂交系统 ,与拟南芥生长素应
答基因的启动子的 TGTCTC序列发生特异性结合
的生长素调节因子(ARF1)被克隆[ 8] .生长素调节
因子 (ARF1)具有一个 玉米的转录激活剂
Viviparous-1(线传多面体病毒组)的羧基端相关的
氨基末端区域.生长素调节因子(ARF1)的羧基端
包含两个与 Aux IAA蛋白同源的序列 ,看起来参
与了蛋白之间的相互作用.由此推测生长素调控
植物的生长发育是通过调控转录因子和生长素应
答因子(AuxREs)间的相互作用而实现的.对于生
长素应答基因表达的第二阶段的调控来讲 ,这种
功能上的多样性是非常必要的.第二阶段涉及不
同的生物应答反应.
2 　生长素应答突变体(Auxin Response
Mutants)
　　到目前为止 ,不管在生长素诱导还是生长素
应答经常使用拟南芥缺陷突变体[ 9] .在 2001年完
成的拟南芥基因组测序进一步支持了相关基因的
克隆.现在筛选对生长素有异常应答的拟南芥突
变体主要是基于对经诱变处理突变体的形态学评
估.例如 ,生长素抗性突变体(在 8 个位点 aux1;
axr1 , 2 , 4 , 5 , 6;Dwf , tir1)都已经被分离.这些
突变体在抑制生长的生长素浓度下仍具有对根伸
长的促进作用[ 9] .
其中一些突变基因已被克隆出来 , axr1编码
一个与酵母 ENR2相类似的生长素流入载体蛋白
质[ 10] ,酵母 ENR2是一个通路的成分 ,这一通路使
得细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制剂 Sic1p与
Ubiquitin结合 ,从而使抑制剂 Sic1p 降解[ 11] .tir1
76 　　　　　　　　　　　　　　生　命　科　学　研　究　　　　　　　　　　　　　　　　2003年
编码的 F-box 蛋白与 Sic1p ubiquination 通路的另
一成分相类似[ 12] .由此可以认定以一种对生长素
依赖的方式 , axr1 和 tir1在调控这些 axr1和 tir1
所编码的功能蛋白上可能具有相互关联的作用.
对这些功能蛋白量的调节可能涉及参与生长素所
介导的细胞分裂的调控蛋白 、Aux IAA 蛋白以及
一些未知的生长素信号蛋白.在一系列生物鉴定
中 ,一个位点的突变 ,如 axr3 ,可以产生生长素的
过量表达 ,并可触发生长素诱导基因的启动子
saur-ac1的异位表达[ 13] .
axr3对应于 Aux IAA 基因中的 iaa17;AXR 3
编码产物的突变发生在Aux IAA 蛋白保守结构域
中的一个[ 14] .这个发现意味着 Aux IAA 蛋白有可
能作为生长素信号传导的介导物.在拟南芥中使
用转生长素应答基因表达的阻遏 去阻遏来筛选
突变体.两个不同的生长素应答基因启动子(一个
在无生长素处理时 ,较低的Aux IAA蛋白表达;另
一个经外源生长素处理后 ,较高的蛋白表达)被用
来驱动葡(萄)糖苷酸酶(GUS)报告基因和潮霉素
磷酸转移酶(HPH)选择标记基因表达[ 15] .这一筛
选突变体的方法产生了几个突变体 , 其中 5 个
(axe1-1 to axe1-5)被定位到 5 号染色体上.一种
以遗传图谱为基础的分析法确定 axe1突变位点
在一个拟南芥 RPD3 类组蛋白去乙酰酶基因上 ,
并被称为 HDA6.从这些遗传和分子生物中 ,可以
看到生长素调控一个由转录因子组成的信号传导
网.
3　生长素和赤霉素的关系
我们都知道生长素调控植物器官的生长 ,但
对如何调节细胞伸长并不清楚.付向东等[ 16] 的实
验证实:生长素参与了细胞对赤霉素的应答从而
调节了根生长.在植物细胞核中赤霉素可抑制
DELLA蛋白生长阻遏物的效应.DELLA 蛋白在植
物体内中作用是抑制伸长.拟南芥植物细胞核编
码至少 5种 DELLA蛋白(GAI , RGA , RGL1 , RGL2 ,
RGL3), 经验证 , 缺少 RGA(rga-24gal-3)或 GAI
(gai-t6gal-3)的根比对照 gal-3长 ,如果同时还缺
少 RGA(rga-24gal-3)和 GAI(gai-t6gal-3),就会极
大地抑制 gal-3的表型.RGA 和 GAI 共同调节根
和茎的伸长.它们的抑制作用可被赤霉素所抵销.
当生长素运输或信号传导减弱时 ,赤霉素所诱导
的根细胞核 RGA 蛋白降解速度变慢.这说明:通
过生长素参与赤霉素介导的 DELLA 蛋白降解失
活过程 ,植物茎尖遥控了植物根器官的伸长.
4　结语
复杂性是植物激素信号传导机制的特点.尽
管以上两种方法已经产生较大进展 ,仍需要新的
更有效的方法[ 17] .Theologis等率先使用精确的遗
传学方法定位了一些生长素应答基因启动子的特
有的顺式作用因子.近来趋向于生长素信号传导
的复杂调控即靶蛋白的稳定性受一个 ubiquitin
ubiquitin-like(泛蛋白及类泛蛋白)蛋白降解方式
调控.Ubiquitin(泛蛋白能促进与它相结合的蛋白
质的降解)途径意味着 ubiquitin 参与了靶蛋白的
26S蛋白亚基的降解[ 18] .IAA 能够激活 Rac-like
GTPases(Rac Rop),后者反过来激活生长素应答基
因表达 ,并且超量表达一个野生型烟草.结果显
示:激活生长素应答基因的同时 ,负显性 NtRac1
和阴性 Rac 调控子抑制了生长素应答基因表达.
因此 Rac Rop GTPases 的一个亚基参与了生长素
信号传导[ 19] .然而生长素受体及初始信号传递因
子仍有待阐明.尽管 ABP-1 被认为是最有可能的
生长素受体 ,而且大多数研究集中在 IAA上 ,但对
其它生长素仍需更多的研究.
2002年的有关报道指出靶蛋白的降解在生
长素的信号传导中具有一定的普遍性.一些生长
素运输调控因子诸如 PIN 蛋白与生长素的极性运
输有关.PIN 蛋白的功能取决于肌动蛋的活性 ,近
来的免疫化学定位也显示使用抑制剂例如
Brefeldin A(BFA)及 GNOM 基因突变体都会阻断
小泡移动 ,破坏 PIN 蛋白在膜上的不对称性 ,反而
导致 PIN 蛋白在细胞内的积累.GNOM 基因编码
ADP 核糖基化反应鸟苷酸互换因子(ARF-
GEF)[ 20] .当 Brefeldin A 去除后 ,生长素很快又恢
复到正常值[ 21] .可见 ,随着更多的实验积累 ,对生
长素受体 、抑制剂 、新的生长素流入/流出载体的
研究 ,将会使我们进一步增加对生长素信号传导
的认识.
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