全 文 ：G-蛋白和 cGMP在光敏色素介导的尾穗
苋苋红素合成中的作用
周君莉　马力耕　孙大业＊
(河北师范大学分子细胞生物学研究室 ,石家庄 050016)
摘要　　以尾穗苋幼苗为材料 ,对 G-蛋白和 cGMP 在红光诱导 、光敏色素介导的苋
红素合成过程中的作用进行了研究 ,结果表明 G-蛋白激活剂霍乱毒素可在暗中诱导
苋红素合成 ,其抑制剂百日咳毒素则抑制红光诱导的合成;cGMP 可以在暗中诱导苋
红素合成 ,而 Genistein抑制红光 、CTX 及外源 cGMP 诱导的苋红素合成;鸟苷酸环
化酶抑制剂 LY-83583可以抑制红光及 CTX诱导的苋红素合成 ,却不能抑制由外源
cGMP诱导的苋红素合成.上述结果表明 G-蛋白 、鸟苷酸环化酶及 cGMP 可能都参
与了苋红素合成过程中红光信号的转导 ,并且红光信号传递链的顺序可能是红光※
光敏色素※G-蛋白※鸟苷酸环化酶※cGMP.
关键词　　G-蛋白　cGMP　光敏色素　尾穗苋　苋红素合成　信号转导
光作为一种重要的环境因子对植物形态建成起着重要的调节作用 ,其光敏受体主要有:光
敏色素 、蓝光受体及紫外光受体 ,其中光敏色素作为红光和远红光信号受体调节植物种子萌
发 、去黄化 、生长花的分化和发育以及衰老等多种生理过程.目前光敏色素调控的细胞信号转
导已成为植物细胞信号转导研究中最活跃和进展最迅速的领域[ 1 ～ 3] .光敏色素介导的信号
转导方式一般为光敏色素接受外界红光信号后 ,进一步启动质膜上及胞内的一系列信号组分 ,
最终完成光信号的传递及光形态建成反应.已有证据表明钙信使系统参与了红光调节的原生
质体膨大[ 4] ,叶绿素 a ,b 结合蛋白的基因表达[ 5]及叶绿体的发育[ 6]等过程 ,而双信使系统的
DAG和 IP3 可能参与了红光调节的硝酸还原酶的基因表达[ 7]等.
我们以前的实验结果已表明钙信使系统可能参与光敏色素介导的尾穗苋苋红素合成过
程[ 8] ,但光敏色素与胞内信使之间的偶联机制还不清楚 ,另外 ,Bow ler等[ 9]证实 cGMP 参与了
植物细胞光信号转导 ,从而使我们想到在光敏色素介导的苋红素合成过程中 ,可能不仅仅只有
Ca2+这一种胞内信使参与 ,基于此 ,本实验在前文基础上 ,进一步证实质膜上异三聚体 G-蛋白
及另一个胞内信使-cGMP 可能也参与了上述过程的红光信号转导.
　　　1996-12-05收稿
　　＊联系人
中　国　科　学　　(C　辑)　　　　　　
第 28卷　第 2期 SCIENCE IN CHINA(Series C)　 1998年 4 月
1　材料与方法
1.1　植物材料培养
尾穗苋种子用蒸馏水冲洗后 ,播种到铺有 2层预先湿润滤纸的培养皿上 ,暗中生长 48 h
后加试剂预处理 ,50 h后照红光(如实验需要),然后再继续暗培养 18 h后摘取子叶.
1.2　苋红素提取和测定
每种处理摘取 300个子叶加到 2mL 蒸馏水中 ,反复冻融 3 次后 ,用 752型分光光度计以
蒸馏水作为对照 ,分别测量534和650 nm 处的光吸收值(A),然后以其差值 ΔA(ΔA =A534-
A 650)大小表示苋红素合成的多少.
1.3　照光处理
对需要照光的处理 , 50 h后照红光(23×10-7μJ·m-2·s-1)10 min ,其中红光以白炽灯为
光源 ,经红光(三菱株式会社 No.102 λmax =663 nm , λ1/2=20 nm)滤光片滤光.
1.4　试剂来源
本实验所用 G-蛋白活化剂霍乱毒素 、拮抗剂百日咳毒素 、8-Br-cGMP 、Genistein及鸟苷酸
环化酶拮抗剂 LY-83583 ,均购自 Calbiochem (San Diego , USA)公司.
2　结果
2.1　G-蛋白在光敏色素调节的苋红素合成中的作用
童哲等[ 10]及我们以前的实验[ 8]已证实红光诱导尾穗苋苋红素合成过程中光敏受体为光
敏色素.本实验发现 G-蛋白激活剂霍乱毒素(Cholera toxin , CTX)在暗中可以诱导苋红素的
合成 ,并且随 CTX浓度增加 ,苋红素合成量也逐渐增加 ,当 CTX的浓度为 400ng/mL 时 ,苋红
素合成量为暗对照的 3.3倍(图 1);而 G-蛋白抑制剂百日咳毒素(Pertussis toxin , PTX)则可
抑制红光诱导的苋红素合成(图 2);表明异三聚体 G-蛋白可能参与光敏色素介导的苋红素合
成.
图 1　G-蛋白激活剂霍乱毒素(CTX)在暗中对
尾穗苋苋红素合成的诱导作用
图 2　G-蛋白拮抗剂百日咳毒素(PTX)对红光
诱导的尾穗苋苋红素合成的抑制作用
2.2　cGMP在光敏色素调节的苋红素合成中的作用
8-Br-cGMP 是可以跨膜且具 cGMP 一切生物活性的化合物 ,暗中外加 8-Br-cGMP 可诱导
苋红素的合成 ,随 8-Br-cGMP 浓度升高 ,苋红素合成也逐渐增加 ,当其浓度为 150 μmol/L 时 ,
144　 中　　国　　科　　学　　(C　辑) 第 28 卷
诱导作用达最大值 ,苋红素含量为暗对照的 2.3倍 ,但当 8-Br-cGMP 浓度大于 150 μmol/ L
时 ,诱导作用开始降低 ,而相同浓度的GMP对苋红素合成没有任何影响(图 3),表明 cGMP 的
上述作用是专一性的.
Genistein为一种天然的异类黄酮类化合物 ,在植物细胞中有报道表明它是 cGMP 信使系
统的高效拮抗剂[ 11] .本实验发现 Genistein可以抑制红光及 cGMP 诱导的苋红素合成 ,并且
随Genistein浓度增加 ,抑制作用逐渐增强 ,当其浓度为 80μmol/L 时 ,则完全抑制了红光及外
源 cGMP诱导的苋红素的合成(图 4).上述 2个实验表明 cGMP可能参与了光敏色素介导的
苋红素合成过程中红光信号转导.
图 3　外源 cGMP 和 GMP 在暗中对尾穗苋苋红
素合成作用的影响
1为 cGM P , 2为 GMP
图 4　Genistein对红光及暗中外源 cGMP诱导的
尾穗苋苋红素合成的抑制作用
1为红光 , 2为 cGMP , 3为暗.外源 cGMP 浓度为
150μmol/ L
图 5　鸟苷酸环化酶拮抗剂 LY-83583对红光诱
导的尾穗苋苋红素合成的抑制作用
1为红光, 2为暗
在动物细胞中 , cGMP 由鸟苷酸环化酶催化
合成 ,鸟苷酸环化酶拮抗剂可抑制 cGMP 的合成 ,
并因此阻断外界信号的进一步转导.本实验发现
鸟苷酸环化酶拮抗剂 LY-83583(6-Anilino-5 , 8-
quinolinequinone ,为一种醌类化合物)同样可以抑
制红光诱导的苋红素合成 ,并且随其浓度增加 ,抑
制程度也逐渐加强 ,当其浓度为 40 μmol/L 时 ,已
完全抑制了红光诱导的苋红素合成(图 5),表明
鸟苷酸环化酶也可能参与光敏色素介导的上述过
程 ,进一步说明 cGMP 可能参与了上述过程.
2.3　G-蛋白 、鸟苷酸环化酶和 cGMP在光敏色素信号转导中的上下游关系
上述实验表明 G-蛋白 、鸟苷酸环化酶和 cGMP 都可能参与了光敏色素信号转导 ,那么 ,在
光敏色素信号传递链中 ,三者之间的上下游关系是怎样的呢? 实验发现鸟苷酸环化酶拮抗剂
LY-83583及 cGMP 拮抗剂Genistein可完全抑制 CTX诱导的苋红素合成(图 6),而 PTX及
LY-83583却不能抑制 8-Br-cGMP诱导的苋红素合成(图 7),表明在上述信号传递链中 ,G-蛋
白位于鸟苷酸环化酶和 cGMP 上游 ,而鸟苷酸环化酶又位于 cGMP的上游.
第 2 期 周君莉等:G-蛋白和 cGMP 在光敏色素介导的尾穗苋苋红素合成中的作用 145　
图 6　Genistein和 LY-83583 在暗中对 CTX诱导
的尾穗苋苋红素合成的抑制作用
Gen为 Genistein , LY为 LY-83583 , CTX , Genistein及
LY-83583的浓度分别为 400 ng/mL , 80μmol/ L ,
40μmol/ L
图 7　PTX和 LY-83583 对暗中外源 cGMP诱导
的尾穗苋苋红素合成的影响
LY为 LY-83583 , cGMP ,PTX 及 LY-83583浓度分别为
150μmol/ L , 400ng/mL , 40μmol/ L
3　讨论
已知在动物细胞中 G-蛋白将质膜上的受体与其效应器(Effector)偶联在一起 ,所以 G-蛋
白在跨膜信号转导中有很重要的作用.最近已发现植物细胞中也存在 G-蛋白 ,并且也可能在
光信号 、病原信号 、激素信号转导中起作用[ 12] ,特别是在光信号转导方面 ,已发现 G-蛋白可能
参与了红光调节的叶绿素 a ,b结合蛋白合成 、查儿酮合成酶基因表达[ 6]等 ,并且 G-蛋白也可
能参与了蓝光信号转导[ 13] .虽然如此 ,与动物细胞 G-蛋白相比 ,G-蛋白在植物细胞信号转导
中的研究还是刚刚开始 ,已经明确其介导的功能还很少 ,且还有许多问题远没有搞清楚[ 12] .
本实验首报了G-蛋白可能参与了光敏色素调控的尾穗苋苋红素的合成 ,将会丰富 G-蛋白在植
物细胞光信号转导中的功能研究.
cGMP在动物视觉细胞的光信号转导过程中发挥着非常重要的作用.脊椎动物视觉细胞
的视紫红质被光激活后 ,可活化转导素(Ttransducin , Gt;Gt为异三聚体 G-蛋白中的一种),然
后Gt激活 cGMP 依赖的磷酸二酯酶 ,将 cGMP 水解 ,降低胞质中 cGMP 的浓度 ,导致 cGMP
控制的离子通道关闭和随后的胞质 Ca2+浓度降低和神经递质分泌变化而引起视感;而无脊椎
动物视觉细胞被光激活后视紫红质激活另一种 G-蛋白(Gq),Gq激活 PLC(磷脂酶 C)催化形
成DAG和 IP3 ,前者激活 PKC ,后者导致胞质中 Ca2+浓度增加 ,Ca2+浓度增加可能导致胞质
cGMP浓度增加 ,并导致 cGMP控制的离子通道开放而完成视觉信号转导.虽然两类动物细
胞 cGMP 作用方式有所不同 ,但都和钙信使系统偶联在一起共同完成光信号的转导[ 14] .而
cGMP在植物细胞光信号转导中的作用 ,直到最近 Bolwer等[ 9]首次证实 cGMP 参与番茄细胞
中光敏色素调节的查儿酮合成酶的基因表达之后 ,才引起人们的重视和极大的兴趣 ,因为这表
明历来认为在动物细胞视觉光信号转导时起作用的信号分子在植物光信号转导中也有作用.
最近又有报道在网柄菌(Dictyostelium discoideum)细胞中 cGMP 也参与了光信号转导[ 15] ,而
本实验发现 cGMP在红光诱导 、光敏色素介导的尾穗苋苋红素合成中起胞内信使的作用 ,是
继Bowler等[ 9 , 11]之后 ,为 cGMP 参与植物细胞信号转导提供了又一证据 ,表明它可能在植物
界具有普遍性.存在于动植物中的上述事实表明依赖于 G-蛋白及 cGMP 的光信号转导方式
146　 中　　国　　科　　学　　(C　辑) 第 28 卷
在生物进化过程中相当保守 ,即预示着 cGMP 在生物细胞信号转导过程中可能有非常重要的
功能.
本实验结果表明在红光调节的尾穗苋苋红素合成过程中 ,红光信号的传递链的组成可能
为红光※光敏色素※G-蛋白※鸟苷酸环化酶※cGMP※蛋白质磷酸化※苋红素合成.但在上
述过程中光敏色素被活化后激活G-蛋白的方式还不清楚 ,因为异三聚体 G-蛋白为膜内侧外周
蛋白 ,而一般认为光敏色素存在于胞质内 ,这一问题同样也是现在植物细胞信号转导确定 G-
蛋白作用方式时普遍遇到的 、而且是现在还没有解决的难题[ 12] ,有待进一步阐明.
我们以前的实验结果曾表明钙信使系统可能参与光敏色素调节的苋红素合成过程中光信
号的转导[ 8] ,本文又进一步提供证据表明 cGMP 信使系统也参与了上述过程 ,即在上述过程
中至少有 2个信使系统参与了光敏色素信号转导 ,我们最近的初步实验结果表明两信使系统
之间存在密切的相互作用(crosstalk),进一步的研究正在进行中.
参　　考　　文　　献
1　马力耕 ,孙大业.植物细胞红光信号转导研究进展.细胞生物学杂志 , 1996 , 18(3):115～ 121
2　Quail P H.Photosensory perception and signal transduct ion in plants.Current Opinion in Genetics and Development , 1994 ,
4:652～ 661
3　Quail P H , Boylan M T , Parks B M , et al.Phytochrome:photosensory preception and signal transduct ion.Science , 1995 ,
268:675～ 680
4　Shacklock P S , Read N D , Trew avas A J.Cytosolic f ree calcium mediated red ligh t-induced photomorphogenesis.Nature ,
358:753～ 755
5　Romero L C , Lam E.Guanine nucleot ide-binding protein involvement in early s teps of phytoch rome-regulated gene expres-
sion.Proc Nat l Acad Sci USA , 1993 , 90:1 465～ 1 469
6　Neuhaus G , Bowler C , Kern R , et al.Calcium/ calmodulin-dependent and independent phytochrome signal transduct ion path-
w ays.Cell , 1993 , 73:937～ 952
7　Raghuram N , Sopory S.Evidnce of some common signal t ransduction events for opposi te regulation of nit riate redutase and
phytoch rome gene expression by light.Plant Molecular Biology , 1995 , 29:25～ 35
8　马力耕 ,周君莉 ,安　宜 ,等.钙在红光调节的尾穗苋苋红素合成中的作用.科学通报 , 1995 , 40(11):944～ 946
9　Bowler C , Neuhaus G , Yamagata H , et al.Cyclic GMP and calcium mediate phytochrome photot ransduction.C ell , 1994 ,
77:73～ 81
10　童　哲 ,梁伯 .光对尾穗苋幼苗内苋红素合成的诱导.植物生理学报 , 1989 , 15:1～ 5
11　Bowler C , Yamagata H , Neuhaus G , et al.Phytochrome signal t ransduction pathways are regulated by reciprocal mechanism.
Genes Developmen t , 1994 , 2 188～ 2 202
12　Ma H.CTP-binding proteins in plants:new members of an old family.Plant Molecular Biology , 1994 , 26:1 611～ 1 636
13　Warpeha K M F , Hamm H E , Rasenick M M , et al.A blue-ligh t-act ivated GTP-binding protein in the plasma membranes of
etiolated Peas.Proc Nat l Acad Sci USA , 1991 , 88:8 925～ 8 929
14　Puge E N , Lisman J , Payne R.St range case of the third eye.Nature , 1993 , 364:389～ 390
15　Darcy P K , Wilczynska Z , Fisher P R.T he role of cGM P in photosensory and thermosensory t ransduction in Dictypostelium
d iscoideum.Microbiology , 1994 , 140:1 619～ 1 632
第 2 期 周君莉等:G-蛋白和 cGMP 在光敏色素介导的尾穗苋苋红素合成中的作用 147