全 文 ：植物学通报 2006, 23 (5): 478~498
Chinese Bulletin of Botany
基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划(杨淑华)、国家自然科学基金委优秀创新团队(No. 30221002; 左建儒)和杰出
青年科学基金(No. 30125025; 左建儒)
†These authors contributed equally to this paper.
* Author for correspondence. E-mail: for Shuhua Yang: yangshuhua@cau.edu.cn; for Jianru Zuo: jrzuo@genetics.ac.cn
细胞分裂素:代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
邓岩1†,王兴春1†,杨淑华2*,左建儒1*
1中国科学院遗传与发育生物学研究所, 植物基因组学国家重点实验室, 北京 100101
2中国农业大学生物学院, 植物生理学与生物化学国家重点实验室, 北京 100094
摘要 在高等植物中, 细胞分裂素通过对细胞分裂与分化的调节而广泛参与了对植物生长发育的调控。
在过去的10余年, 利用模式植物拟南芥的研究, 在阐明细胞分裂素的代谢、转运与信号转导等方面取得
了重要的进展。同时, 关于细胞分裂素与其它信号途径之间存在的广泛交叉反应也受到了人们的注意。
根据我们现有的知识, 细胞分裂素信号转导是通过磷酸基团在一个双元组分系统之间的系列传递而完成
的, 该过程被称之为“磷酸接力传递”(phosphorelay)。细胞分裂素与其它信号途径的互作可能也主要是
通过双元组分系统链接的。双元组分系统中目前已知的主要信号元件不仅表现出功能冗余性, 同时在调
控特定的植物生长发育过程时也具有特异性。本文在对细胞分裂素的代谢与转运过程简要评述的基础上,
对其信号转导以及与其它信号途径间交叉反应的研究进展进行重点讨论, 并展望细胞分裂素研究对重要
农业性状改良的意义。
关键词 细胞分裂素, 信号转导, 双元组分系统, 交叉反应
New Insights into Cytokinins: Metabolism, Signal Transduction,
Cross Talks and Potentials in Agricultural Applications
Yan Deng1†, Xingchun Wang1†, Shuhua Yang2*, Jianru Zuo1*
1State Key Laboratory of Plant Genomics, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese
Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry, China Agriculture University, Beijing
100094 , China
Abstract The plant phytohormone cytokinin regulates numerous growth and developmental processes by
regulating cell division and cell differentiation. During the past ten years, remarkable progress has been made to
our understanding on the cytokinin metabolism, transport and signaling, mainly using Arabidopsis thaliana as
a model system. In addition, substantial attentions have also been paid to cross-talks between cytokinin and
other signaling pathways. According to our current understanding, cytokinin signaling is mediated by sequen-
tially transferring a phosphoryl group in different members of a two-component system, referred to as
phosphorelay. The two-component system may also act as a module linking cytokinin and other signaling
pathways. Most known members of the two-component system are functionally redundant, but also show
综述 . 细胞分裂素
4792006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
1955年, Miller等人在鲱鱼精子DNA热压
水解产物中发现了一种可以促进植物细胞分裂
与分化的物质, 将其命名为激动素(kinetin)
(Miller et al., 1955)。随后, 一些有着相同生理
活性的物质也陆续被发现, 它们被统称为细胞分
裂素(cytokinins)。早在发现之初, 人们便认识
到细胞分裂素可以与生长素一起调节植物愈伤
组织的分化, 并被广泛地应用到了植物组织培养
技术中。随后, 细胞分裂素在调控顶端优势、
主根伸长、维管束的形成、开花时间以及叶
绿体发育中的功能也逐渐被人们发现 (Mok,
1994; Mok and Mok, 2001)。长期以来, 虽然人
们在遗传学、生物化学以及生理学等方面进
行了大量工作, 但对细胞分裂素的代谢、转运
及信号转导等认识仍然有限, 主要原因是细胞分
裂素与其它信号途径间存在着广泛、复杂的
交叉反应, 细胞分裂素相关基因间的功能冗余以
及缺乏特异性的生物学分析系统。直到 1996
年 Kakimoto创造性地将“不定芽分析技术”
(shoot regeneration assay) 应用于对细胞分裂素
相关突变体的遗传筛选和分析中, 状况才有所改
善(Kakimoto, 1996)。在近10年的时间里, 人们
在细胞分裂素的代谢、转运、信号转导以及
与其它信号途径间交叉反应的研究中都取得了
重大的进展。本文将就上述研究进展做一简
要的评述。
1 细胞分裂素的代谢和转运
细胞分裂素是一类具有腺嘌呤环结构的植
物激素。在腺嘌呤环的第 6位氮原子(N6)上共
价连接的不同取代基团产生了不同类型的细胞
分裂素。根据N6基团上取代基团的不同, 细胞
分裂素可分为类异戊二烯形式细胞分裂素和芳
香环形式细胞分裂素等。
1.1 细胞分裂素的生物合成
在植物体内, 细胞分裂素主要以类异戊二
烯的形式存在。目前已知的细胞分裂素生物
合成途径有两个, 即从头合成途径和tRNA分解
途径。现有的证据表明, tRNA途径只是植物
体内细胞分裂素合成的次要途径, 而绝大部分内
源细胞分裂素是由从头合成途径合成的
(Haberer and Kieber, 2002)(图 1)。人们对从头
合 成 途 径 的 最 初 了 解 来 自 于 从 黏 菌
(Dictyostelium discoideum)中鉴定出的一种酶,
该酶可催化腺苷酸(AMP)和二甲基丙烯基二磷
酸(dimethylallyl diphosphate, DMAPP)转化成有
活性的细胞分裂素——异戊烯基腺苷-5-磷酸
(isopentenyladenosine-5-monophosphate,
iPMP)。该步骤是细胞分裂素生物合成的一个
限速步骤 (Taya et al., 1978)。随后, 在致癌农
杆菌 (Agrobacterium tumefaciens) 中的致瘤Ti
质粒上克隆的异戊烯基转移酶基因 (IPT)是第一
个被克隆的编码细胞分裂素合成酶的基因。
在农杆菌的致瘤Ti质粒上有Tmr和Tzs两个IPT
基因(Akiyoshi et al., 1984; Barry et al., 1984)。
在之后10余年中, 对在植物细胞中是否具
有类似的细胞分裂素从头合成途径一直没有定
论。在拟南芥全基因组序列完成后, 两个研究
小组独立发现拟南芥中共有9个IPT-类似基因,
分别命名为 AtIPT1到 AtIPT9。生物信息学分
析表明AtIPT2和AtIPT9在序列上与tRNA-IPT
更相似, 而其它7种AtIPTs与细菌IPT基因结构
相似 (Kakimoto, 2001; Takei et al., 2001)。其中,
PGA22/IPT8基因的过量表达导致典型的细胞
distinctive function in the regulation of a variety of developmental processes. In this review, we summarize our
current understanding on cytokinin metabolism and transport, and discuss in detail on recent advances in
cytokinin signaling as well as its cross-talks with other signaling pathways. We also make prospects on possible
improvement of important agricultural traits by manipulating the cytokinin network.
Key words cytokinin, signal transduction, two-component system, cross-talks
480 23(5)
图 1 细胞分裂素的代谢
IPT催化细胞分裂素生物合成的第一个限速步骤, 该酶可能优先利用ATP和ADP作为底物。植物体内
的大部分 iPMP来自于底物 iP、iPR、iPTP和 iPDP, 仅有少部分是由AMP经 IPT催化合成的。t-ZMP
可能主要由AMP和未知的侧链前体经 iPMP非依赖途径合成, 也可由 iPMP和 t-ZDR合成。反式玉米素
t-Z主要由 iP形式的细胞分裂素羟基化形成, 细胞色素 P450单加氧酶CYP735A催化了这一反应。iP和
t-Z是细胞分裂素的活性形式, 二者及其核苷化衍生物 iPR和 t-ZR可被CKX不可逆地降解。iP和 t-Z也
可被细胞分裂素N-葡萄糖基转移酶(CKNGT)不可逆的糖基化。t-Z还可以由 tZOGT催化形成 t-ZR, 该
反应是可逆反应。而 t-ZR的糖苷键可被 b-葡萄糖苷酶裂解而产生自由态的 t-Z。玉米素可以在反式(t-
Z)和顺式(c-Z)之间相互转换, 一般认为 t-Z比 c-Z的生物学活性要高。上述反应共同调节细胞分裂素在
体内的动态平衡。改编自参考文献(Astot et al., 2000; Kakimoto, 2003a; Takei et al., 2004; Sakakibara, 2006)。
Fig. 1 Cytokinin metabolism
IPT catalyzes the first rate-limiting step in the cytokinin biosynthesis pathway, which may preferentially utilize
ATP and ADP as substrates. Most iPMP is produced from iP, iPR, iPTP and iPDP, whereas a minor fraction is
derived from AMP. t-ZMP may be mainly synthesized from AMP and an unknown precursor via the iPMP-
independent pathway, and can also be derived from iPMP and t-ZDR. Trans-zeatin (t-Z) is predominantly
converted from the iP-type cytokinins, catalyzed by the cytochrome P450 monooxygenase CYP735A. iP and t-
Z are biologically active forms of cytokinin, which, together with their riboside-derivatives iPR and t-ZR, can be
irreversibly degraded by CKX. iP and t-Z can be irreversibly converted to the inactive O-glucoside derivatives by
CKNGT. In addition, t-Z can also be reversibly converted to tZOGT, which, in turn, can be converted into t-ZR
by b-glucosidase. Zeatins have two isoforms, t-Z and cis-zeatin (c-Z), and t-Z is generally believed to be a more
active form than c-Z. These interconversions regulate homeostasis of cytokinins in planta. Adapted from refer-
ences (Astot et al., 2000; Kakimoto, 2003a; Takei et al., 2004; Sakakibara, 2006).
4812006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
分裂素反应, 例如根变短, 下胚轴变粗, 子叶深
绿色等。进一步的研究发现, 在 pga22突变体
中, 异戊烯基腺嘌呤(isopentenyladenosine, iP)的
核苷酸形式 iPMP和核苷形式 iPR (isopenteny-
ladenosine riboside)的含量分别增加了19和38
倍 (Sun et al., 2003)。上述结果表明, AtIPT8作
为一个有功能的 IPT在植物体内直接催化了
iPMP的生物合成。类似的结果也发现于对
AtIPT4 (Kakimoto, 2001)、牵牛花 (Petunia
hybrida) (Zubko et al., 2002)和蛇麻草 (Humulus
lupulus) (Sakano et al., 2004) 等 IPT基因的研
究。在拟南芥中, 不同AtIPTs基因的表达模式
不完全相同, 呈现不同的组织特异性, 表明细胞
分裂素可能在植物体不同组织或部位合成
(Miyawaki et al., 2004)。
由于以上细胞分裂素的合成途径都有一个
共同的中间体 iPMP, 因此被称为 iPMP依赖途
径。近年来的研究表明, 在植物体内还存在着
另一条细胞分裂素合成途径, 即iPMP非依赖途
径。iPMP在内源羟化酶的作用下, 可转化成
ZMP。然而在 IPT转化拟南芥植株中, ZMP 的
生物合成速率比由IPT 酶催化产生的iPMP 的
生物合成速率高 66倍 (Astot et al., 2000)。此
外, 同位素双示踪试验表明, ZMP 的主要前体不
是细胞质中的 iPMP, 可能是由AMP和一种未
知的侧链前体合成, 而该途径受3-羟基-3-甲基
戊二酰辅酶A还原酶的抑制剂mevastatin的强
烈抑制, 表明这种未知的侧链前体物质可能是类
萜的衍生物 (Astot et al., 2000)。对 IPT过表
达转基因烟草的研究发现, ZR和ZMP的含量增
加, 而iPMP的含量不受影响 (Redig et al., 1996)
或降低 (Eklof et al., 1996), 此结果也支持了iPMP
非依赖途径的存在。但在拟南芥中的研究也
表明 IPTs可能优先利用 ADP和(或)ATP, 而
AMP可能不是细胞分裂素生物合成的主要底
物或前体。因此, 有的研究者认为植物体内的
绝大部分iPMP可能由下面3个途径产生: (1)二
磷酸异戊烯基腺苷(isopentenyladenosine-5-
diphosphate, iPDP)或三磷酸异戊烯基腺苷iPTP
(isopentenyladenosine-5-triphosphate)经磷酸化
酶去磷酸化; (2)核苷结合态细胞分裂素异戊烯
基腺苷(isopentenyladenosine riboside, iPR)经腺
苷激酶而磷酸化; (3)iPR经腺嘌呤磷酸转移酶结
合上磷酸核糖基团 (Kakimoto, 2001; Takei et al.,
2004)。iP-形式的细胞分裂素也可以由细胞色
素P450单加氧酶CYP735A1和CYP735A2羟基
化后合成反式玉米素(trans-zeatin, t-Z)(Takei et
al., 2004)(图 1)。
1.2 细胞分裂素的降解与修饰
近年来, 细胞分裂素的氧化分解作为调节
细胞分裂素动态平衡的一种重要方式而得到广
泛关注。细胞分裂素氧化酶(cytokinin oxidase/
dehydrogenase, CKX)首先是在玉米中发现的,
能特异的降解细胞分裂素类异戊二烯侧链的不
饱和键, 该反应是一个不可逆反应(图1)(Houba-
Herin et al., 1999; Morris et al., 1999)。在兰花
(Dendrobium orchid)或拟南芥中过量表达兰花
DSCKX1基因, 导致内源细胞分裂素的含量显
著下降, 从而产生了细胞分裂素缺失表型, 如茎
生长延迟, 而根的生长加速 (Yang et al., 2003a,
2003b) 。过量表达AtCKX1-4基因的拟南芥植
株中, 内源细胞分裂素的含量显著下降, 表现多
种细胞分裂素缺失表型(Werner et al., 2003), 类
似于细胞分裂素受体三突变体的表型(见下
述)。拟南芥细胞分裂素缺陷的表型之一是促
使胚乳细胞分裂与生长, 因而CKX基因过量表
达导致转基因种子的明显增大(Werner et al.,
2003), 暗示细胞分裂素对提高农作物产量的潜
在价值。这一重要推测最近在水稻中得到证
实。在水稻中, 许多重要农艺性状都是受数量
遗传性状(QTL)基因控制的。日本和中国科学
家通过图位克隆鉴定分析了其中的一个主要
QTL基因GN1A, 发现其编码一个细胞分裂素氧
化酶(OsCKX2)。通过对不同产量性状的栽培
品种 Koshihikari(低产)、 Habataki、5030、
5150和90B2(后3个品种在我国长江流域大规模
482 23(5)
种植)等的分析发现, 高产品种(后 4个品种)中
OsCKX2基因均携带不同的功能缺失性突变, 促
使体内细胞分裂素含量增加, 特别是在分生组织
与生殖器官中增加更为显著, 因而导致小穗数
和小穗中籽粒数显著增加(Ashikari et al., 2005)。
这一发现对新一轮绿色革命具有重大意义。
细胞分裂素在体内的修饰、相互转换与
转运对调控其生理活性具有重要意义(Mok and
Mok, 2001)。细胞分裂素可以在自由态、核
苷和核苷酸等形式之间相互转换。这种转换
不仅影响了细胞分裂素的动态平衡而且还影响
了其转运, 因而受到广泛关注。植物体中细胞
分裂素的种类繁多, 形式最简单的是自由态的异
戊烯基腺嘌呤(isopentenyladenine, iP)和反式玉
米素(trans-zeatin, t-Z), 而更多的是发生在N3、
N7和 N9基团上的、以 iP 和 t-Z 通过 N-糖基
化、N-丙酰基化或O-糖基化、O-乙酰基化
等形式存在的结合态细胞分裂素。一般认为,
结合态细胞分裂素是储藏形式(糖基化等)或转
运形式(核苷化), 而自由态为主要的生物学活性
形式。因此, 不同形式细胞分裂素的转换被认
为是调节其体内平衡的主要方式之一 (Mok and
Mok, 2001)。在糖基化修饰中, 了解最清楚的
例证之一是玉米素配糖物(zeatin O-glucoside)。
玉米素配糖物的形成是由玉米素O-葡萄糖基
转移酶(zeatin O-glucosyltransferase, ZOGT)催化
的 (Dixon et al., 1989; Veach et al., 2003)。糖基
化形式的细胞分裂素不但影响了细胞分裂素的
活性, 而且这种形式的细胞分裂素不能被细胞分
裂素氧化酶降解。然而, 这种糖基化是可逆的,
葡萄糖苷酶可以切割糖苷键释放出自由态的细
胞分裂素 (Brzobohaty et al., 1993)。一般认为,
细胞分裂素的结合态形式较为稳定, 但在有关酶
的作用下, 非结合态与结合态细胞分裂素之间可
以互变, 植物可以在一定程度上以形成不同程度
结合态的方式来调节植物体内细胞分裂素的水
平。虽然, 人们对细胞分裂素的O-糖基化的了
解较多, 但对N-糖基化的认识仍有限。Hou等
(2004) 分析了105个重组糖基转移酶对细胞分
裂素的催化活性, 从中鉴定出 2个细胞分裂素
N-糖基转移酶(CK N-glucosyltransferase,
CKNGT)UGT76C1和UGT76C2, 分别催化N7和
N 9 位细胞分裂素的糖基化。体内实验表明
UGT76C1能使外源施加的细胞分裂素发生糖基
化。与O-糖基化不同, 细胞分裂素 7-N-糖苷
和9-N-糖苷不能被糖苷酶所识别, 因而该反应
是不可逆反应(图1)。细胞分裂素的N-糖基化
可能参与了植物体内的解毒反应(Letham and
Palni, 1983)。
1.3 细胞分裂素的转运
在所有植物激素中, 对生长素的极性运输
及其对植物生长发育的调控作用的了解比较系
统, 而对其它所有激素的转运了解甚少。近年
来, 对细胞分裂素转运的研究获得部分线索。
由于细胞分裂素只能在特定的组织和细胞合成,
因此必须通过扩散或主动运输的方式运输到靶
位细胞才能正确行使功能。目前已有的证据
表明两类蛋白可能参与了细胞分裂素的运输, 即
嘌呤透性酶(purine permeases, PUPs)和核苷转
运蛋白。利用酵母细胞进行的生化研究表明,
这两种蛋白都能转运自由态和核苷形式的细胞
分裂素。拟南芥中有2个嘌呤及其衍生物的转
运蛋白AtPUP1和AtPUP2, 二者均能在酵母细
胞中转运自由态细胞分裂素, 但其在植物体内的
功能未知 (Gillissen et al., 2000; Burkle et al.,
2003)。目前认为在植物体内, 细胞分裂素主要
以核苷的形式运输 (Mok and Mok, 2001;
Sakakibara, 2006)。通过筛选拟南芥 pga22/
atipt8的抑制子突变体, Sun等(2005)鉴定了一
个弱抑制子突变 soi33 (suppressor of ipt8)。分
子遗传学研究发现SOI33基因编码一个扩散性
核苷转运蛋白AtENT8。生理学和生化研究表
明SOI33/AtENT8以及其同源蛋白AtENT3参与
了拟南芥体内核苷结合态细胞分裂素的转运。
在特定条件下, soi33和atent3突变体对外源结
合态细胞分裂素的反应减弱, 但对自由态外源激
4832006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
素的反应没有明显变化。外源核苷类细胞分
裂素吸收的测定结果表明, soi33和atent3对结
合态3H-iPR的吸收比野生型降低了40%, 然而
对 3H-tZR的吸收没有明显地变化(Sun et al.,
2005)。上述结果表明SOI33/AtENT8和AtENT3
可能是结合态细胞分裂素iPR的主要转运蛋白
之一。对水稻中同源蛋白的生化研究印证了
这一结论。在酵母细胞中异源表达的水稻
OsENT2蛋白能够高亲和力地转运 iPR, 而对
t-ZR的转运效率很低 (Hirose et al., 2005)。ENT
家族蛋白功能的初步确定是继生长素转运蛋白
PIN家族蛋白功能分析后发现的第二类植物激
素转运蛋白。目前还不确定 ENT家族蛋白参
与的细胞分裂素的转运是否为植物体内细胞分
裂素转运的主要形式。
2 细胞分裂素的信号转导途径
近年来的研究表明, 在植物体内细胞分裂
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,
首先是作为细胞分裂素受体的组氨酸激酶
(Arabidopsis histidine kinases, AHKs)与细胞分
裂素结合后自磷酸化, 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
酸上的磷酸基团被传递到胞质中的磷酸转运蛋
白(Arabidopsis histidine-phosphotransfer
proteins, 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
(Arabidopsis response regulators, ARRs)上, 进
而调节下游的细胞分裂素反应。B型ARR是
一类转录因子, 作为细胞分裂素的正调控因子起
作用, 可激活A型ARR基因的转录。A型ARR
作为细胞分裂素的负调控因子可以抑制 B型
ARR的活性, 从而形成了一个负反馈循环(图
2)。最近的一项研究发现, 细胞分裂素受体
CRE1/AHK4/WOL除激酶活性外还同时具有磷
酸酶的活性, 可以将磷酸基团从磷酸化的AHPs
上转移回CRE1的天冬氨酸上, 说明细胞分裂素
介导的磷酸基团传递是一个双向的可逆的过程
(Mahonen et al., 2006a) (图 2)。
在拟南芥中发现了3个作为细胞分裂素受
体的AHK、5个AHP以及 23个ARR。分子
生物学和遗传学研究表明, 不同的AHK、AHP
和ARR之间在序列上有着很高的同源性, 并存
在高度的功能冗余现象。最近的研究发现它
们同时也具有一定的功能特异性, 不同的
AHK、AHP和ARR可能在特定的细胞分裂素
反应或与其它信号途径的交叉反应中起主要作
用。这些功能冗余又不失特异性的蛋白一起
组成了细胞分裂素的信号转导网络(图 2)。
关于细胞分裂素信号转导的双元组分系统,
已经有很多综述对其进行了系统全面的介绍和
讨论 (Hwang et al., 2002; 郑丙莲等, 2003;
Kakimoto, 2003b; Ferreira and Kieber, 2005)。下
面将着重讨论关于AHKs、AHPs和ARRs功
能的一些最新研究进展以及细胞分裂素与其它
信号途径之间的交叉反应。
2.1 组氨酸激酶——AHK
在拟南芥中, 目前发现有 3个组氨酸激酶
是细胞分裂素的受体, 分别为AHK2、AHK3和
CYTOKININ RESPONSE 1(CRE1)(又名AHK4和
WOODEN LEG, WOL)。其中, 最先发现的
CRE1是因为其功能缺失型突变体的外植体在
含有适当浓度的细胞分裂素和生长素时不能形
成绿色愈伤和不定芽而被分离鉴定到的(Inoue
et al., 2001)。CRE1蛋白以依赖于细胞分裂素
的方式特异地互补酵母和大肠杆菌相关组氨酸
激酶缺失突变体的表型(Inoue et al., 2001; Suzuki
et al., 2001)。此外, 表达 CRE1的酵母细胞膜
提取物具有与细胞分裂素特异的高亲和力
(Yamada et al., 2001), 因此, CRE1是一个细胞分
裂素受体。在原生质体的瞬时表达系统中, 过
量表达CRE1导致细胞分裂素标记基因(marker
gene)对细胞分裂素超敏感(Hwang and Sheen,
2001), 而在幼苗中, 细胞分裂素对根伸长的抑制
作用在 cre1突变体中明显减弱, 说明CRE1 作
484 23(5)
图 2 细胞分裂素信号转导模式图
位于质膜上的受体AHK2、3和 4在结合细胞分裂素后, 其激酶区中保守的组氨酸发生自磷酸化, 之后磷
酸基团转移至其信号接收区中保守的天冬氨酸, 进而传递至胞质中的AHP1-5上将其激活。磷酸化的
AHP进入细胞核后将磷酸基团传递至核内的A型和B型ARR上, 以激活下游的细胞分裂素反应。其中,
AHK4/CRE1受体不仅具有激酶活性, 也具有磷酸酶活性, 可以将磷酸基团从磷酸化的AHP转移到自身的
天冬氨酸上。B型ARR的信号接收区可以抑制自身的活性, 而细胞分裂素启始的磷酸传递可以解除这
种抑制作用, 进而激活A型 ARR等细胞分裂素初级反应基因的表达。而A型ARR又可以反过来抑制 B
型ARR的活性。B型ARR也可以激活CRF的表达, 而细胞分裂素又可以通过AHK及AHP诱导CRF进
入细胞核与B型ARR一起共同调节部分细胞分裂素初级反应基因的表达。AHP6作为细胞分裂素的负
调控因子, 可以抑制磷酸基团由AHP1-5到 B型ARR的传递, 其自身的表达又受到细胞分裂素的抑制
(AHP6的定位及细胞分裂素抑制其表达的机制仍不清楚)。此外, CKI1和CKI2可能通过受未知信号的
激活而参与细胞分裂素信号转导。
Fig. 2 A model of the cytokinin signaling pathway
Upon binding by cytokinin, the cytokinin receptors AHK2, 3 and 4 are autophosphorylated at the conserved His
residues in the kinase domain. The phosphoryl group is then transferred to the conserved Asp residues located in
the receiver domain of the receptors, followed by transferring to the His residues of AHP1-5 in the cytoplasm.
The phosphorylated AHPs are subsequently translocated into the nuclei, and transfer the phosphoryl group to
the A-type ARR and B-type ARR proteins, leading to the activation of the downstream components. Note that,
the AHK4/CRE1 receptor has both kinase and phosphatase activities, which can transfer a phosphoryl group
from an AHP to the Asp residue of the receptor. The receiver domain of the B-type ARR proteins negatively
regulate their own activities, whereas cytokinin-activated phosphorelay relieves the repressive effect, resulting in
the expression of cytokinin primary responsive genes (e.g., A-type ARRs). A-type ARRs, in turn, negatively
regulate B-type ARRs by an unknown mechanism. Whereas the B-type ARRs can also activate the CRF expression,
cytokinin induces nuclear-localization of CRFs in an AHK- and AHP-dependent manner. Together with B-type
ARRs, CRFs regulate the expression of cytokinin primary responsive gene. AHP6 is a negative regulator of the
cytokinin response by inhibiting the transfer of phosphoryl groups from AHP1-5 to B-type ARRs. Expression
of AHP is repressed by cytokinin by an unknown mechanism (subcellular localization of AHP6 is unclear). CKI1
and CKI2, activated by unknown stimuli, may also be involved in the cytokinin signaling.
4852006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
为细胞分裂素受体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(Yamada
et al., 2001)。3个受体的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
(Anantharaman and Aravind, 2001; Pas et al.,
2004)。
细胞分裂素3个受体基因的大多数单突变
体和双突变体对外源激素的敏感性有不同程度
的降低, 但在正常生长条件下均无明显的生长发
育缺陷, 表明其功能的冗余性。对 a h k 2 /
ahk3、ahk2/cre1和 ahk3/cre1双突变体的研
究发现, 双突变体与各自的单突变体相比对细胞
分裂素的敏感性均有进一步的降低。虽然外
源细胞分裂素对根伸长的抑制作用在cre1突变
体中明显减弱, 但 ahk2和 ahk3单突变体以及
ahk2/ahk3双突变体的反应与野生型没有明显
区别, 表明细胞分裂素在根中的作用可能主要是
通过CRE1行使的(Higuchi et al., 2004; Nishimura
et al., 2004)。相反, 虽然 ahk2/ahk3双突变体
表现出地上部分生长缺陷(包括叶子变小和茎变
短等), 但ahk2/cre1和ahk3/cre1双突变体均没
有明显的发育异常, 说明细胞分裂素在植物地上
部分的作用可能主要是通过AHK2和AHK3行
使的(Higuchi et al., 2004; Nishimura et al., 2004)。
ahk2/ahk3/cre1三突变体对外源细胞分裂素的
反应几乎被完全阻断, 同时其植株生长迟缓,
根、叶生长发育严重受阻, 育性也受到了严重
的影响 (Higuchi et al., 2004; Nishimura et al.,
2004)。上述结果说明细胞分裂素在植物生长
发育中起着重要的作用, 而功能冗余的AHK2、
AHK3和CRE1在细胞分裂素信号转导途径上
起正调控的作用, 但其功能具有一定的特异性
(见下述)。
细胞分裂素的主要生理功能之一是延缓叶
片衰老 (Mok and Mok, 2001)。衰老与光信号
也密切相关。通常, 离体叶片在黑暗中会加速
衰老。在筛选可以延缓黑暗诱导的离体叶片
衰老的突变体时, Kim等(2006)分离鉴定了一个
AHK3的功能获得型突变体。进一步研究发现,
过量表达AHK3的转基因植物同样可以延缓黑
暗诱导的离体叶衰老, 而AHK3的功能缺失型突
变体则会加速离体叶的衰老, 同时细胞分裂素对
叶片衰老的抑制作用在 ahk3突变体中也出现
了大幅的减弱(Kim et al., 2006), 说明AHK3在
细胞分裂素调节的叶片衰老过程中起到了正调
控作用。AHK3在调控衰老中的作用表现出高
度的特异性: 与 ahk3突变体不同, 细胞分裂素
对 ahk2和 cre1突变体的叶片衰老的抑制作用
没有受到明显的影响 (Kim et al., 2006), 表明在
细胞分裂素调节叶片衰老的过程中, AHK3起到
了主要的调控作用。
在研究细胞分裂素受体作用的分子与生化
机理方面, 最近也取得了突破性进展。如前述,
大部分ahk4的等位突变体(包括功能完全缺失
的突变体)在正常生长条件下没有明显的生长发
育缺陷, 但其中的 2个等位突变 wooden leg
(wol) 和wol-2却出现了严重的根维管组织的发
育缺陷(Mahonen et al., 2000; de Leon et al., 2004),
其表型与 ahk2/ahk3/ahk4三突变体的表型类
似(Higuchi et al., 2004; Nishimura et al., 2004)。
由于任意一个或任意组合的受体双突变体没有
明显的根发育缺陷, 因此wol和wol-2突变可能
抑制所有3个受体启动的信号转导。有趣的是
在wol/wol-2杂交的F1代中, wol-2可以互补wol
根的发育缺陷, 但不能互补 wol对细胞分裂素
敏感性减弱的表型(de Leon et al., 2004), 即表现
为部分的等位间互补 ( i n t e r - a l l e l i c
complementation)。此外, 在筛选wol的抑制突
变体中分离鉴定的 16个突变体中有 13个是
WOL基因本身的突变, 即WOL基因中的另一个
突变抑制或互补了wol的表型(Mahonen et al.,
2 0 0 6 a ) , 即等位内互补( i n t r a - a l l e l i c
complementat ion)。上述遗传学研究表明
CRE1/AHK4/WOL本身可能具有负反馈或自调
控的机制。进一步的生化实验表明, 细胞分裂
486 23(5)
素存在时, CRE1表现出自磷酸化的激酶活性, 并
将磷酸基团由ATP转移至不同的AHP上。而
在没有细胞分裂素时, CRE1表现出磷酸酶活性,
将磷酸基团从不同的AHP上转移回CRE1上的
天冬氨酸 (Mahonen et al., 2006a)。因此, CRE1
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,
说明细胞分裂素介导的磷酸基团传递是双向的
可逆的过程 (Mahonen et al., 2006a)。根据这
一模型, 不难解释在 wol突变中观察的等位内
和等位间互补现象。wol突变发生在细胞分裂
素结合的胞外区, 使其不能与细胞分裂素结合。
因此, 无论细胞分裂素存在与否, WOL突变蛋白
始终维持在磷酸酶活性状态, 从而阻断了磷酸基
团向下游的传递(包括AHK2和AHK3启动的信
号转导), 导致严重的发育缺陷(Mahonen et al.,
2006a)。如果WOL突变蛋白的功能丧失(例如
类似wol突变的抑制子突变中的情况), 则解除
了其负调控或组成型的磷酸酶活性状态, 从而恢
复正常的细胞分裂素信号转导。值得指出的
是, AHK2和AHK3均表现出磷酸激酶的活性,
但不具备可检测到的磷酸酶活性 (Mahonen et
al., 2006a), 这进一步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的
特异性。
除上述3个细胞分裂素受体外, 2个组氨酸
激酶CYTOKININ INDEPENDENT1 (CKI1)和
CKI2可能也参与了细胞分裂素信号转导的调
控。CKI1编码一个具有跨膜结构的组氨酸激
酶, 但其胞外区不具备保守的CHASE结构域。
此外, 在体外实验中CKI1不能与细胞分裂素结
合, 因此, 一般认为CKI1可能不是细胞分裂素
受体。cki1-D功能获得性突变体表现出典型
的细胞分裂素表型(Kakimoto, 1996), 其功能缺失
型突变体表现为雌配子不育表型(Pischke et al.,
2002; Hejatko et al., 2003)。但在胚胎发育以及
之后的生长发育过程中, cki1功能缺失型突变
体在生长发育以及对外源激素的反应性上均无
明显表型(邓岩和左建儒, 待发表)。CKI2编码
的组氨酸激酶不含有跨膜区, 其功能缺失型突变
体在正常生长条件下也没有明显的表型
(Mizuno, 2005)。关于CKI1和CKI2的作用机
制仍有待进一步研究。
2.2 磷酸转运蛋白——AHP
在拟南芥中存在着5个AHP基因(AHP1到
AHP5), 它们编码了一类约150个氨基酸的蛋白,
并含有保守的组氨酸磷酸转移结构域。因为
可以互补酵母的组氨酸磷酸转运蛋白突变体的
表型(Wurgler-Murphy and Saito, 1997; Suzuki et
al., 1998), 且在体外实验中可以从大肠杆菌的膜
提取物和CRE1(或AHK2, AHK3, CKI1, CKI2)上
接收磷酸基团并转移至ARR上(Imamura et al.,
1999; Mahonen et al., 2006a), AHPs被确定为有
功能的组氨酸磷酸转运蛋白。AHPs本身的表
达不受细胞分裂素诱导。在原生质体瞬时表
达系统中, 细胞分裂素处理导致AHPs由胞质转
移至细胞核内, 推测AHPs将磷酸基团由膜上的
受体最终转移至细胞核内的ARRs上(Hwang
and Sheen, 2001)。通过酵母双杂交分析及体
外检测 AHKs激酶活性的研究, 发现不同的
AHP和不同的AHK以及ARR之间存在着广泛
的互作(Imamura et al., 1999)。
由于功能的冗余性, AHPs与细胞分裂素的
联系一直缺乏遗传学的证据。虽然过量表达
AHP2使转基因植物的根和下胚轴对细胞分裂
素的敏感性略为上升 (Suzuki et al., 2002), 但在
外植体中, 过量表达AHP1、AHP2和AHP5均
不能促进细胞分裂素对标记基因ARR6的诱导
(Yamada et al., 2001)。此外, ahp单突变体对
外源细胞分裂素的敏感性也没有明显的改变。
但最近的研究发现, ahp1,2,3三突变体对外源细
胞分裂素敏感性降低, ahp1,2,3,4,5五突变体不
仅表现出了对细胞分裂素的不敏感性而且伴有
严重的发育缺陷 (Ferreira and Kieber, 2005;
Mizuno, 2005), 从而证明了AHPs是一类功能高
度冗余的、在细胞分裂素信号转导途径中起
4872006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
正调控作用的因子。
除AHP1-AHP5外, 在拟南芥基因组中还
发现了一个高度同源的基因 AHP6/APHP1。
在AHP1-AHP5中高度保守的组氨酸在AHP6
中变成了天冬酰胺, 因而AHP6可能不具备磷酸
转运蛋白的功能。在酵母及体外实验中发现,
AHP6的确不具备磷酸转运蛋白的活性, 相反却
抑制磷酸基团从AHP1到ARR1的传递, 并可能
同时抑制磷酸基团从AHKs的组氨酸到天冬氨
酸的传递。事实上, ahp6的缺失突变体是在筛
选wol表型的抑制子突变体中获得的, 即ahp6
可部分抑制wol表型。此外, ahp6对外源细胞
分裂素敏感性明显增强, 而外源细胞分裂素可以
抑制AHP6的表达(Mahonen et al., 2006b)。因
此, 生化和遗传学的证据都表明AHP6可能是细
胞分裂素信号转导的负调节因子。
2.3 反应调节因子——ARR
拟南芥基因组中共发现了 23个反应调节
因子, 其共同的特点是含有一个可接收磷酸基团
的保守的信号接收区。根据它们的同源性、
结构及自身表达是否受细胞分裂素诱导, 反应调
节因子可以大致分为3类: A型ARR、B型ARR
以及由ARR22和ARR24组成的第3类。与AHK
和AHP类似, ARR基因家族存在明显的功能冗
余性。有关ARR基因功能的信息大部分来
源于功能获得性(过量表达)研究和多突变
体研究。
A型ARR包括10个成员, 是由一个信号接
收区和各一小段的N末端和C末端构成的。它
们的表达受外源细胞分裂素的诱导迅速升高, 被
认为是细胞分裂素的初级反应基因(primary
responsive gene), 并常被作为细胞分裂素信号
途径上特异的标记基因使用。在体外实验中,
A型ARR可以从AHPs获得磷酸基团, 因而被
确认参与了双元组分信号转导过程。除了缺
少C末端的ARR16和ARR17定位在细胞质外,
其余的A型ARR均定位在细胞核内。在瞬时
表达系统中, 过量表达 ARR4、ARR5、ARR6
和ARR7均可以抑制ARR6-LUC报告基因的表
达(Hwang and Sheen, 2001), 暗示其负反馈调控
作用。进一步的遗传学研究证实了这一推论:
A型ARR的多突变体对外源细胞分裂素的敏感
性明显升高(To et al., 2004), 而过量表达ARR15
导致转基因植物对外源细胞分裂素敏感性明显
降低 (Kiba et al., 2003)。因此, A型 ARR是细
胞分裂素信号途径的负调控因子。目前分离
鉴定的所有A型ARR的单突变体在正常生长条
件下均没有明显的表型, 对外源激素的反应也没
有明显的变化。但多突变体对外源激素的敏
感性则有所提高, 且随突变体中突变基因数目的
增加, 敏感性不断升高(To et al., 2004)。对A
型ARR功能的诠释, 特别是在特定的生长条件
下其功能的研究(例见下述), 将是今后细胞分裂
素信号转导领域的一项主要挑战。
B型ARR包括11个成员, 它们除了具有一
个保守的信号接收区外, 在 C端还含有一个
DNA结合区和一个转录激活区。其DNA结构
域为典型的MYB类转录因子结构。与A型ARR
不同, B型 ARR的转录不受细胞分裂素的诱
导。体外和体内实验均证明ARR1(B型ARR)
能够结合在A型ARR的启动子上, 并激活后者
的转录(Sakai et al., 2001; Hosoda et al., 2002)。
在瞬时表达系统中, 过量表达 B型的 ARR1、
ARR2和ARR10可明显诱导ARR6-LUC报告基
因的表达, 而ARR6-LUC的表达在细胞分裂素
诱导后进一步升高 (Hwang and Sheen, 2001)。
转基因研究也得到了类似的结果。过量表达
ARR1导致转基因植株对外源细胞分裂素的敏
感性明显上升 (Sakai et al., 2001)。另一方面, B
型ARR的多突变体对外源细胞分裂素的敏感性
则明显降低(Mason et al., 2005)。对 B型 ARR
的一系列单、双、三突变体的分析发现: 大部
分单突变体对细胞分裂素敏感性没有明显变化,
在不同的双突变体中则表现出敏感性的显著降
低, 而arr1,11,12三突变体对外源细胞分裂素的
响应基本丧失(Mason et al., 2005)。因此, B型
488 23(5)
ARR作为转录因子, 其活性受细胞分裂素激活
后, 直接调控 A型 ARR基因的表达。
细胞分裂素如何调控B型ARR的活性？分
子遗传学研究表明在B型ARR转录因子的N－
末端的信号接收区可能是一个负调控元件或结
构域(又称DDK结构域), AHP蛋白将磷酸基团
转移到保守的天冬氨酸后即可将其激活。因
此, 过量表达删除 DDK结构域的 ARR1基因
(ARR1DDDK)导致转基因植株呈现典型的细胞
分裂素表型(Sakai et al., 2001)。类似的结果也
在研究 ARR11、ARR14和ARR21等B型ARR
基因时得到证实(Imamura et al., 2003; Tajima et
al., 2004)。如前述, B型ARR启动合成的A型
ARR基因产物可以抑制前者的活性, 因此在双元
组分系统的下游形成一个负反馈调节环。目
前, A型ARR抑制B型ARR活性的机制不明。
拟南芥基因组中还有 2个 ARR(ARR22和
ARR24)。它们的结构类似于A型ARR, 含有一
个信号接收区, 但其序列与A型ARR同源性很
低, 且它们的表达不受细胞分裂素诱导。体外
实验证明ARR22也可以从AHPs获得磷酸基
团。而 ARR22过量表达的转基因植株表现出
类似于wol和 ahk2/ahk3/cre1三突变体的表型
(Kiba et al., 2004), 表明它们也可能作为负调控
因子参与到细胞分裂素的信号转导途径中。
2.4 受细胞分裂素调控的其它基因
A型ARR是目前发现的受细胞分裂素调控
表达的主要基因家族。除此之外, 也发现了受
细胞分裂素调控的其它基因。ESR1基因编码
一个AP2/ERF类的转录因子, 其表达受到细胞
分裂素的诱导(Banno et al., 2001)。ESR1基因
是通过筛选不依赖于细胞分裂素外植体再生的
突变体时分离鉴定得到的(类似于 c k i 1 和
pga22类突变体的筛选)。过量表达ESR1基因
促进细胞分裂和细胞分化(Banno et al., 2001), 但
其在细胞分裂素信号转导中的作用不甚明了。
最近一项更系统的研究分离鉴定出一类包括6
个AP2/ERF基因组成的亚家族, 其中2个基因
的表达明显受到细胞分裂素的诱导。该基因
亚家族被命名为 Cytokinin Response Factors
(CRFs)(Rashotte et al., 2006)。序列分析显示部
分CRF基因的启动子中含有多个B型ARR的
结合位点, 因而推测CRFs很可能是B型ARR的
直接靶标。与此相一致的是, 在 arr1/arr12双
突变体中, 细胞分裂素对CRF的诱导明显减弱
(Rashotte et al., 2006)。除转录调控外, CRF蛋
白的定位也受细胞分裂素的调控。在野生型
的原生质体中, GFP-CRF融合蛋白定位于细胞
质和细胞核中, 细胞分裂素处理促使融合蛋白迅
速聚集至细胞核中。遗传学研究表明, 细胞分
裂素诱导的这种核内聚集过程依赖于AHKs和
AHPs, 但不依赖于ARRs, 提示CRFs可能位于
与ARR平行的位置。基因芯片实验分析发现,
crf1,2,5和crf2,3,6多突变体中, 大量受细胞分裂
素调控的基因在细胞分裂素处理后的变化幅度
与野生型相比均有较大的差异。这一结果与B
型 ARR双突变体 arr1,12中得到的结果相类
似。因此, CRF可能与B型ARR一起共同调节
了部分细胞分裂素反应下游基因的表达
(Rashotte et al., 2006)(图 2)。
3 细胞分裂素与其它信号途径间的交
叉反应
细胞分裂素是五大经典植物激素之一, 参与
了植物生长和发育的各个过程。与乙烯的三重
反应、赤霉素的下胚轴伸长、脱落酸的脱落
和休眠不同, 植物对细胞分裂素没有很高的特异
性反应(Mok and Mok, 2001), 这是因为细胞分裂
素与光、其它激素以及一些营养物质等其它信
号途径间存在着活跃的交叉反应(图 3)。
3.1 细胞分裂素与光信号途径
光是调控植物生长发育最重要的外界信号,
参与了光形态建成、开花时间以及生物钟的
调节。另一方面, 人们很早就观察到细胞分裂
素同样可以促进植物的光形态建成, 以及延缓开
花时间 (Miller, 1956; Thomas et al., 1997)。最
4892006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
近的研究揭示细胞分裂素信号途径与生物钟信
号途径间存在的相互作用(Salome et al., 2006;
Zheng et al., 2006), 表明细胞分裂素与光信号途
径间可能存在着广泛的复杂的互作。
3.1.1 细胞分裂素与光形态建成途径 与光
下生长的植物相比, 在黑暗下萌发的植物根变
短, 下胚轴变长, 且子叶闭合, 这种现象被称为
黄化现象或暗形态建成。当植物见光后, 光形
态建成即被启动, 表现为下胚轴生长受到抑制,
子叶开张, 叶绿体发育以及一系列光调节的信号
途径的开启。通过对光形态建成突变体的系
统研究, 人们对光调节植物光形态建成的分子机
图 3 细胞分裂素与其它信号途径间的互作网络
细胞分裂素信号途径通过A型ARR(ARR4)与红光受体 PHYB互作, 参与调控红光反应、光形态建成及
生物节律等一系列光信号途径。PHYB与生物钟及光形态建成中的关键组分也在细胞分裂素信号途径中
起着重要的作用。细胞分裂素通过A型ARR 与WUS的互作以调节植物分生组织的发育。此外, KNOX
蛋白通过促进细胞分裂素的合成及抑制赤霉素的合成也在分生组织的发育中起着重要的作用, 同时细胞
分裂素可以直接促进赤霉素失活。另一方面, 赤霉素反应的负调控因子SPY在细胞分裂素信号途径中起
到正调控作用(机制不清), 而赤霉素也可以抑制细胞分裂素反应。细胞分裂素可以通过调节ACS蛋白的
稳定性而促进乙烯的合成, 而ETR1-AHP互作将两个信号途径联系在一起。细胞分裂素也可以通过促进
乙烯的合成而抑制脱落酸所诱导的气孔关闭, 脱落酸又可以诱导CKX的表达以调节细胞分裂素的降解。
Fig. 3 A proposed interactive network of cytokinin and other signaling pathways
ARR4 (an A-type ARR) directly interacts with PHYB to modulate the light signaling, including the red light
response, photomorphogenesis and the circadian rhythm. PHYB and several key components downstream from
the photoreceptor are also involved in the regulation of the cytokinin response. Interactions between WUS and A-
type ARRs play an important role in the meristem development. In addition, KNOX proteins promote cytokinin
biosynthesis but repress gibberellin (GA) biosynthesis and deactivate biologically active GAs, thereby regulating
the meristem development. On the other hand, SPY, a negative regulator of the GA response, promotes, whereas
GAs repress the cytokinin response via unknown mechanisms. Cytokinin is able to stabilize the ACS proteins,
thus promoting ethylene biosynthesis. The ETR1-AHP interaction may link the ethylene and cytokinin pathways.
Moreover, whereas cytokinin can inhibit abscisic acid-induced stomatal closure by enhancing ethylene production,
abscisic acids regulate cytokinin turnover by inducing the CKX expression.
490 23(5)
制已有了较清楚的了解。在黑暗中, CONSTI-
TUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1(COP1)蛋白
在细胞核中大量积聚, 并通过泛素化蛋白酶体降
解光形态建成的正调控因子ELONGATED HY-
POCOTYL 5(HY5)等, 从而抑制了植物的光形态
建成。光下光敏色素(PHYTOCHROMES, PHY)
和隐花色素(CRYPTOCHROMES, CRY)感受到
光信号后, 直接与COP1蛋白相互作用, 细胞核
内的COP1迅速减少, 从而使核内的转录因子
HY5能够积累, 进而激活下游信号途径, 促进光
形态建成的发生(Schwechheimer and Deng,
2000)。早期的研究发现细胞分裂素处理可以
导致黑暗中萌发生长的黄化苗呈现光下生长的
表型, 例如下胚轴变短变粗, 子叶开张等, 并伴
有明显的质体发育(Miller, 1956; Chory et al.,
1994)。因此, Chory等(1994)认为光信号通路与
细胞分裂素信号通路可能通过共同的中间信号
分子调节光形态建成。如果这一模型成立, 则
不难推测其中一个信号转导途径的部分元件也
可能参与了另一个信号转导途径的调控。与
此推测吻合的是, 光受体突变体phyB(Zheng et
al., 2006)和 cry1(Zheng, Deng and Zuo, unpub-
lished data) 均表现出对细胞分裂素不敏感。与
此同时, 光受体下游组分的突变体 cop1和hy5
(Cluis et al., 2004)以及生物钟调控关键组分突变
体 late elongated hypocotyl (lhy)和 circadian
clock associated 1 (cca1)(Zheng et al., 2006)也
表现出对细胞分裂素敏感性的改变。
反之, 目前已有的证据也表明细胞分裂素
信号通路中的关键组分参与了光信号转导的调
控。其中, 了解最透彻的例子是对A型ARR基
因ARR4的研究。生物化学证据以及有限的遗
传学证据表明, ARR4可以特异性地与红光受体
PHYB相互作用, 以稳定PHYB的活性状态Pfr形
式, 而过量表达ARR4的转基因植物对红光超敏
感(Sweere et al., 2001)。据此推测, arr4突变体
应该对红光的敏感性降低。但是, 随后的一项
独立研究却发现 arr4以及其它A型ARR突变
体均表现为对红光不同程度的超敏感, 而 arr3,
4,5,6,8,9六突变体对红光的敏感性的确降低(To
et al., 2004)。这一矛盾的结果暗示了PHYB与
A型ARR之间相互作用的复杂性, 而其中的作
用机制仍有待进一步研究。虽然如此, 上述研
究表明A型ARR基因的确参与了光信号转导的
调控。最新的一项研究发现 ahk2/ahk3/cre1
三突变体在萌发后对红光的敏感性没有明显变
化, 但在萌发时对红光的反应却发生了显著的改
变(Riefler et al., 2006)。对上述结果的一种可能
的解释是: 不同的A型ARR在调节PHYB介导
的红光信号途径中起着或正或负的作用, 而在三
突变体中, 不同作用的A型ARR可能在相对含
量上形成了一个新的平衡以维持正常的红光反
应。另一种可能的解释是: A型ARR在光信号
转导中可以独立于细胞分裂素而行使特定的功
能 。
3.1.2 细胞分裂素与生物钟信号途径 生物
节律是一种由生物体内部存在的生物钟所调控
的周期性的有节律的反应, 一个周期通常为24
小时。外界环境中的光照和温度的周期性变
化(即昼夜循环)对植物体内生物钟的设定起着
重要的作用。只有植物自身的生物节律与外
界环境中光照和温度的周期相一致时, 植物才能
达到最佳的生长状态。生物钟通常是由3个部
分组成的: 输入途径(input pathway)、节律调
控器(circadian oscillator)和输出途径(output
pathway)。其中节律调控器是生物钟的核心
组分, 它主要包括 LHY、CCA1和 TIMING OF
CAB EXPRESSION1(TOC1)/APRR1等主要元
件。上述3个基因的表达受光受体介导的光信
号转导途径的调控, 其表达具有严格昼夜节律。
此外, LHY和CCA1的转录受 TOC1的正调控,
而 TOC1本身受 LHY和CCA1的负调控, 从而
形成一个反馈调节环(Alabadi et al., 2001)。
LHY、CCA1和 TOC1表达的周期性变化可以
进一步调节下游组分的周期性变化并最终形成
生物节律现象。最近的一项研究发现, 除光信
4912006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
号外, 细胞分裂素也可以特异地诱导生物节律基
因LHY和CCA1 的表达, 并抑制TOC1的表达,
导致生物钟相位的延迟和振幅的改变(Zheng et
al., 2006)。进一步的研究显示细胞分裂素对生
物钟的调控依赖于光敏色素PHYB, 但不依赖于
PHYA, 这表明细胞分裂素可能是通过特异的光
信号转导通路而起作用的。与前述对ARR4在
红光信号转导途径的调控作用类似, ARR4在细
胞分裂素调控的生物节律振荡中也是必需的
(Zheng et al., 2006)。但是 arr3/arr4双突变体
无论在光下或暗下都造成了生物钟周期的延长
(Salome et al., 2006), 暗示 ARR3和 ARR4可以
不依赖于有活性的 PHYB而对生物钟进行调
节。值得一提的是, arr3,4,8,9四突变体以及
arr3,4,5,6,8,9六突变体中生物钟的周期没有受
到明显的影响(Salome et al., 2006), 表明ARR3和
ARR4在生物节律调控中功能的特异性。对上
述结果的另一种解释是不同A型ARR基因的互
作对生物节律调控具有协调性或互相拮抗。
有趣的是, 在番茄中细胞分裂素的含量受到生物
节律的调控, 其机制可能是通过CKX的节律性
表达而实现的(Novakova et al., 2005)。上述结
果提示细胞分裂素可能作为一种内源信号与
光、温等外源信号协同调节生物钟的运行。
3.2 细胞分裂素与植物早期发育相关的信
号途径
生长素和细胞分裂素一直被认为参与了对
顶端分生组织发育的调控, 但其调控机制, 特别
是细胞分裂素的调控机制不清楚。在拟南芥
中, 转录因子WUSCHEL(WUS)和 SHOOT
MERISTEM-LESS(STM)作为正调控因子与
CLAVATA(CLV)基因是调控顶端分生组织发育
的主要元件。在很多物种中 , CLASS- Ⅰ
KNOTTED1-LIKE HOMEOBOX(KNOX)蛋白
(包括STM)可以不同程度地促进细胞分裂素的
生物合成, 从而促进分生组织的发育(Kusaba et
al., 1998; Frugis et al., 2001; Yanai et al., 2005;
Sakamoto et al., 2006), 而分生组织特异地增加
细胞分裂素含量可以互补stm弱突变体的表型
(Jasinski et al., 2005; Yanai et al., 2005), 证明了细
胞分裂素对分生组织发育起关键的调控作用。
更直接的证据来源于最近的一项研究: Leibfried
等(2005)发现WUS 可以直接抑制一系列A型
ARR基因的表达(包括 ARR5、ARR6、ARR7
和ARR15), 而过量表达组成型激活的ARR7基
因(Asp85→Glu)的转基因植物则出现了类似于
wus突变体的顶端分生组织的发育异常, 暗示
WUS可能参与了对细胞分裂素信号途径的调
控。类似的现象也发现于玉米中: A型ARR的
同源基因ABPH1的功能缺失型突变体的分生
组织出现了膨大的现象(Giulini et al., 2004)。上
述结果说明, A型ARR可能在顶端分生组织发
育的过程中起到了负调控的作用, 而WUS/CLV
介导的信号途径和细胞分裂素介导的信号途径
可能通过A型ARR而建立了特定的交叉反应,
从而共同调节植物分生组织的发育。
3.3 细胞分裂素与其它激素信号途径
细胞分裂素与其它信号途径之间存在异常
活跃的互作。这在很大程度上也是细胞分裂
素信号转导领域研究进展缓慢的原因之一。
细胞分裂素与生长素和乙烯的互作发现较早, 近
年来也陆续收集到细胞分裂素与其它激素互作
的证据。首先, 细胞分裂素的发现得益于其与
生长素的互作在调控植物愈伤组织的发育和分
化中的作用(Skoog and Miller, 1957)。过去数
十年的生理学研究表明, 细胞分裂素和生长素在
对植物顶端优势的调控、维管束的发育以及
代谢水平上也都存在着交叉反应(Syono and
Furuya, 1972; Wyndaele et al., 1988; Casson et al.,
2002; Nordstrom et al., 2004)。尽管积累了大量
的证据, 包括遗传学数据, 但对这二者之间互作
的分子机理几乎一无所知。
如前述, 细胞分裂素导致的许多光形态建
成表型也可能是一种相加效应或其它因素所致
(Su and Howell, 1995)。事实上, 细胞分裂素可
以通过调控乙烯合成关键酶ACS(1-aminocy-
492 23(5)
clopropane-1-carboxylic acid synthase)的活性而
诱导乙烯的合成(Chae et al., 2003), 因此, 细胞分
裂素的部分表型, 特别是施加外源激素的部分表
型, 可能是由于过量产生乙烯导致的。在生化
或分子机制上, 体外实验表明细胞分裂素与乙烯
信号通路的链接可能是通过AHPs与乙烯受体
ETR1的互作以及通过ARRs发生直接的交叉反
应(Mizuno, 2005)。此外, 细胞分裂素通过促进
乙烯的合成而抑制脱落酸所诱导的气孔关闭, 而
脱落酸也可以诱导CKX基因的表达(Brugiere et
al., 2003; Tanaka et al., 2006), 暗示细胞分裂素可
能通过未知的机制调控胁迫反应。
细胞分裂素与赤霉素是通过调控细胞分
裂、细胞生长而促进植物生长的两类主要激
素, 二者之间的互作正如细胞分裂素－生长素互
作一样, 应该是意料之中的。最近的几项研究
为此提供了有价值的诠释。SPINDLY(SPY)是
赤霉素信号转导的一个负调控因子, 但spy突变
体也表现出对外源细胞分裂素的不敏感。spy
突变以及赤霉素处理抑制典型的细胞分裂素表
型, 包括细胞分裂素诱导的A型ARR基因ARR5
的表达。因此, SPY可能通过与细胞分裂素信
号转导途径中双元组分系统中组分的互作而修
饰或调节后者的活性(Greenboim-Wainberg et al.,
2005)。细胞分裂素是否参与对赤霉素的合成
和信号转导的调控尚无定论( G r e e n b o i m -
Wainberg et al., 2005; Jasinski et al., 2005; Yanai et
al., 2005)。如前述, KNOX蛋白可以促进细胞
分裂素的合成。与此同时, KNOX蛋白却抑制
赤霉素合成。更重要的是, KNOX蛋白对细胞
分裂素与赤霉素合成的这种交互调控模式在分
生组织的发育中起着重要的作用(Jasinski et al.,
2005; Yanai et al., 2005)。
4 结语——问题与展望
近年来, 人们在细胞分裂素的相关研究中
取得了重大的进展。特别是在信号转导方面,
已勾画出了一个较为完善和系统的双元组分信
号传递过程。随着研究的不断深入, 我们发现
在细胞分裂素的代谢、转运以及信号转导过
程中, 几乎每一步都是由多个功能高度冗余的基
因所共同调节的。这一方面暗示了细胞分裂
素在植物生长发育过程中的重要性, 另一方面又
给我们提出了一系列的问题: 细胞分裂素是如何
通过一个如此复杂的网络而实行特定的生理功
能的？这些功能高度冗余的基因又有什么功能
上的特异性？此外, 困扰着我们的其它问题包
括: 细胞分裂素的代谢是如何调控的？是否还有
其它组分参与了细胞分裂素的代谢、转运和
信号途径, 它们的作用机制是什么？A型ARR
是如何负调控细胞分裂素信号途径的？ B型
ARR和A型ARR下游的靶标是什么？目前已
知的细胞分裂素与其它信号途径间的交叉反应,
它们的作用机制仍有待于进一步研究; 是否还
存在着与其它信号途径的交叉反应？它们的作
用机制又是什么？随着正向遗传学与反向遗传
学研究的不断深入, 突变体资源的丰富, 以及基
因芯片、蛋白组学等实验技术的广泛应用, 相
信这些问题将会逐一得到解答。
细胞分裂素可能是与其它信号通路互作或
交叉反应最为活跃的植物激素, 参与调控了植物
生活周期中几乎所有的生长发育过程。这既
反映了细胞分裂素的“全能性”与独特性, 也
为进一步的深入研究带来了一系列理论上与技
术上的挑战。在注重探讨双元组分信号系统
的分子机理的同时, 对细胞分裂素主要生理功能
的再认识可能将是今后数年该领域的主要热
点。阐明这些问题不仅仅具有重要的理论意
义, 同时也蕴藏着巨大的经济价值。
长期以来, 对细胞分裂素在农业生产上应
用价值的认识局限于在提高转化效率以及建立
无标记转化系统等方面 (Zuo et al., 2002)。近
年来发现的细胞分裂素对胚胎和种子发育的关
键调控作用 (Werner et al., 2003; Ashikari et al.,
2005; Werner et al., 2006) 促使我们对细胞分裂
素的应用前景进行新的认识与思考。细胞分
4932006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
裂素在胚胎发育、根发育、分生组织发育(决
定顶端优势、花器官启始发育等)、光信号转
导(包括光形态建成、生物节律与开花时间)以
及衰老等生长发育过程中具有重要的调控作用,
而上述均是重要农艺性状, 特别是产量性状的主
要决定因素。值得指出的是, 目前我们有关细
胞分裂素的绝大部分知识来源于对拟南芥、
烟草等双子叶植物的研究, 而对单子叶植物的研
究甚少。不言而喻, 阐明上述基本生物学问题,
特别是基于水稻等禾本科作物的研究, 对新一波
的绿色革命, 将具有极为重要的奠基性作用。
致谢 感谢李家洋院士悉心审阅本文。感谢董海
丽在图片绘制过程中提供的帮助。
参考文献
郑丙莲, 张素芝, 孙加强, 邓岩, 左建儒 (2003). 细胞
分裂素信号转导: 已知的简单性与未知的复杂性. 科
学通报 48, 885-891.
Akiyoshi, D.E., Klee, H., Amasino, R.M., Nester, E.
W . , a n d G o r d o n , M . P . ( 1 9 8 4 ) . T - D N A o f
Agrobacterium tumefaciens encodes an enzyme of
cytokinin biosynthesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
81, 5994-5998.
Alabadi, D., Oyama, T., Yanovsky, M.J., Harmon,
F.G., Mas, P., and Kay, S.A. (2001). Reciprocal
regulation between TOC1 and LHY/CCA1 within the
Arabidopsis circadian clock. Science 293, 880-883.
Anantharaman, V., and Aravind, L. (2001). The
CHASE domain: a predicted ligand-binding module in
plant cytokinin receptors and other eukaryotic and
bacterial receptors. Trends Biochem. Sci. 26, 579-
582.
Ashikari, M., Sakakibara, H., Lin, S., Yamamoto,
T., Takashi, T., Nishimura, A., Angeles, E.R.,
Qian, Q., Kitano, H., and Matsuoka, M. (2005).
Cytokinin oxidase regulates rice grain production.
Science 309, 741-745.
Astot, C., Dolezal, K., Nordstrom, A., Wang, Q.,
K u n k e l , T . , M o r i t z , T . , C h u a , N . H . , a n d
Sandberg, G. (2000). An alternative cytokinin bio-
synthesis pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97,
14778-14783.
Banno, H., Ikeda, Y., Niu, Q.W., and Chua, N.H.
(2001). Overexpression of Arabidopsis ESR1 induces
initiation of shoot regeneration. Plant Cell 13, 2609-
2618.
Barry, G.F., Rogers, S.G., Fraley, R.T., and Brand,
L. (1984). Identification of a cloned cytokinin bio-
synthetic gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 81, 4776-
4780.
Brugiere, N., Jiao, S., Hantke, S., Zinselmeier,
C., Roessler, J.A., Niu, X., Jones, R.J., and
Habben, J.E. (2003). Cytokinin oxidase gene ex-
pression in maize is localized to the vasculature, and
is induced by cytokinins, abscisic acid, and abiotic
stress. Plant Physiol. 132, 1228-1240.
Brzobohaty, B., Moore, I., Kristoffersen, P., Bako,
L., Campos, N., Schell, J., and Palme, K. (1993).
Release of active cytokinin by a b-glucosidase local-
ized to the maize root meristem. Science 262, 1051-
1054.
Burkle, L., Cedzich, A., Dopke, C., Stransky, H.,
Okumoto, S . , Gi l l i ssen, B. , Kuhn, C. , and
Frommer, W.B. (2003). Transport of cytokinins
mediated by purine transporters of the PUP family
expressed in phloem, hydathodes, and pollen of
Arabidopsis. Plant J. 34, 13-26.
Casson, S.A., Chilley, P.M., Topping, J.F., Evans,
I.M., Souter, M.A., and Lindsey, K. (2002). The
POLARIS gene of Arabidopsis encodes a predicted
peptide required for correct root growth and leaf vas-
cular patterning. Plant Cell 14, 1705-1721.
Chae, H.S., Faure, F., and Kieber, J.J. (2003). The
eto1, eto2, and eto3 mutations and cytokinin treat-
ment increase ethylene biosynthesis in Arabidopsis
by increasing the stability of ACS protein. Plant Cell
15, 545-559.
Chory, J., Reinecke, D., Sim, S., Washburn, T.,
and Brenner, M. (1994). A role for cytokinins in
de-etiolation in Arabidopsis (det mutants have an
altered response to cytokinins). Plant Physiol. 104,
339-347.
Cluis, C.P., Mouchel, C.F., and Hardtke, C.S.
494 23(5)
(2004). The Arabidopsis transcription factor HY5
integrates light and hormone signaling pathways. Plant
J. 38, 332-347.
de Leon, B.G., Zorrilla, J.M., Rubio, V., Dahiya,
P., Paz-Ares, J., and Leyva, A. (2004). Interallelic
complementation at the Arabidopsis CRE1 locus
uncovers independent pathways for the proliferation
of vascular initials and canonical cytokinin signalling.
Plant J. 38, 70-79.
Dixon, S.C., Martin, R.C., Mok, M.C., Shaw, G.,
and Mok, D.W. (1989). Zeatin glycosylat ion
enzymes in phaseolus: isolation of O-glucosyltrans-
ferase from P. lunatus and comparison to O-
xylosyltransferase from P. vulgaris. Plant Physiol.
90, 1316-1321.
Eklof, S., Astot, C., Moritz, T., Blackwell, J., Olsson,
O., and Sandberg, G. (1996). Cytokinin metabo-
lites and gradients in wild type and transgenic tobacco
with moderate cytokinin over production. Physiol.
Plant. 98, 333-344.
Ferreira, F.J., and Kieber, J.J. (2005). Cytokinin
signaling. Curr. Opin. Plant Biol. 8, 518-525.
Frugis, G., Giannino, D., Mele, G., Nicolodi, C.,
Chiappetta, A., Bitonti, M.B., Innocenti, A.M.,
Dewitte, W., van Onckelen, H., and Mariotti, D.
(2001). Overexpression of KNAT1 in lettuce shifts
leaf determinate growth to a shoot-like indetermi-
nate growth associated with an accumulation of
isopentenyl-type cytokinins. Plant Physiol. 126,
1370-1380.
Gillissen, B., Burkle, L., Andre, B., Kuhn, C.,
Rentsch, D., Brandl, B., and Frommer, W.B.
(2000). A new family of high-affinity transporters
for adenine, cytosine, and purine derivatives in
Arabidopsis. Plant Cell 12, 291-300.
Giulini, A., Wang, J., and Jackson, D. (2004). Con-
trol of phyllotaxy by the cytokinin-inducible response
regulator homologue ABPHYL1. Nature 430, 1031-
1034.
Greenboim-Wainberg, Y., Maymon, I., Borochov,
R., Alvarez, J., Olszewski, N., Ori, N., Eshed, Y.,
and Weiss, D. (2005). Cross talk between gibberellin
and cytokinin: the Arabidopsis GA response inhibitor
SPINDLY plays a positive role in cytokinin signaling.
Plant Cell 17, 92-102.
Haberer, G., and Kieber, J.J. (2002). Cytokinins.
New insights into a classic phytohormone. Plant
Physiol. 128, 354-362.
Hejatko, J., Pernisova, M., Eneva, T., Palme, K.,
and Brzobohaty, B. (2003). The putative sensor
histidine kinase CKI1 is involved in female gameto-
phyte development in Arabidopsis. Mol. Genet.
Genomics 269, 443-453.
Higuchi , M. , P ischke , M.S. , Mahonen, A.P. ,
M i y a w a k i , K . , H a s h i m o t o , Y . , S e k i , M . ,
Kobayashi, M., Shinozaki, K., Kato, T., Tabata,
S . , H e l a r i u t t a , Y . , S u s s m a n , M . R . , a n d
Kakimoto, T. (2004). In planta functions of the
Arabidopsis cytokinin receptor family. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA 101, 8821-8826.
H i r o s e , N . , M a k i t a , N . , Y a m a y a , T . , a n d
Sakakibara, H. (2005). Functional characterization
and expression analysis of a gene, OsENT2, encoding
an equilibrative nucleoside transporter in rice suggest
a function in cytokinin transport. Plant Physiol. 138,
196-206.
Hosoda, K., Imamura, A., Katoh, E., Hatta, T.,
Tachiki , M. , Yamada, H. , Mizuno, T. , and
Yamazaki, T. (2002). Molecular structure of the
GARP family of plant Myb-related DNA-binding
motifs of the Arabidopsis response regulators. Plant
Cell 14, 2015-2029.
Hou, B., Lim, E.K., Higgins, G.S., and Bowles, D.J.
( 2 0 0 4 ) . N - g l u c o s y l a t i o n o f c y t o k i n i n s b y
glycosyltransferases of Arabidopsis thaliana. J. Biol.
Chem. 279, 47822-47832.
Houba-Herin, N., Pethe, C., d’Alayer, J. , and
Laloue, M. (1999). Cytokinin oxidase from Zea
mays: purification, cDNA cloning and expression in
moss protoplasts. Plant J. 17, 615-626.
Hwang, I., and Sheen, J. (2001). Two-component
circuitry in Arabidopsis cytokinin signal transduction.
Nature 413, 383-389.
Hwang, I., Chen, H.C., and Sheen, J. (2002). Two-
componen t s igna l t r ansduc t ion pa thways in
Arabidopsis. Plant Physiol. 129, 500-515.
4952006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
Imamura, A., Kiba, T., Tajima, Y., Yamashino, T.,
and Mizuno, T. (2003). In vivo and in vitro charac-
terization of the ARR11 response regulator impli-
cated in the His-to-Asp phosphorelay signal trans-
duction in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol.
44, 122-131.
Imamura, A., Hanaki, N., Nakamura, A., Suzuki,
T . , Taniguchi , M. , Kiba , T . , Ueguchi , C . ,
Sugiyama, T., and Mizuno, T. (1999). Compila-
tion and characterization of Arabidopsis thaliana
r e s p o n s e r e g u l a t o r s i m p l i c a t e d i n H i s - A s p
phosphorelay signal transduction. Plant Cell Physiol.
40, 733-742.
Inoue, T., Higuchi, M., Hashimoto, Y., Seki, M.,
Kobayashi, M., Kato, T., Tabata, S., Shinozaki,
K., and Kakimoto, T. (2001). Identification of CRE1
as a cytokinin receptor from Arabidopsis. Nature 409,
1060-1063.
Jasinski, S., Piazza, P., Craft, J., Hay, A., Woolley,
L., Rieu, I., Phillips, A., Hedden, P., and Tsiantis,
M. (2005). KNOX action in Arabidopsis is mediated
by coordinate regulation of cytokinin and gibberellin
activities. Curr. Biol. 15, 1560-1565.
Kakimoto, T. (1996). CKI1, a histidine kinase homolog
implicated in cytokinin signal transduction. Science
274, 982-985.
Kakimoto, T. (2001). Identification of plant cytoki-
n i n b i o s y n t h e t i c e n z y m e s a s d i m e t h y l a l l y l
diphosphate: ATP/ADP isopentenyltransferases.
Plant Cell Physiol. 42, 677-685.
Kakimoto, T. (2003a). Biosynthesis of cytokinins. J
Plant Res. 116, 233-239.
Kakimoto, T. (2003b). Perception and signal transduc-
tion of cytokinins. Annu. Rev. Plant Biol. 54, 605-
627.
Kiba, T., Aoki, K., Sakakibara, H., and Mizuno, T.
(2004). Arabidopsis response regulator, ARR22, ec-
topic expression of which results in phenotypes simi-
lar to the wol cytokinin-receptor mutant. Plant Cell
Physiol. 45, 1063-1077.
Kiba, T., Yamada, H., Sato, S., Kato, T., Tabata, S.,
Yamashino, T., and Mizuno, T. (2003). The type-
A response regulator, ARR15, acts as a negative regu-
lator in the cytokinin-mediated signal transduction
in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol. 44, 868-
874.
Kim, H.J., Ryu, H., Hong, S.H., Woo, H.R., Lim, P.
O., Lee, I.C., Sheen, J., Nam, H.G., and Hwang,
I. (2006). Cytokinin-mediated control of leaf lon-
gevity by AHK3 through phosphorylation of ARR2
in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 814-
819.
Kusaba, S., Kano-Murakami, Y., Matsuoka, M.,
Tamaoki, M., Sakamoto, T., Yamaguchi, I., and
Fukumoto, M. (1998). Alteration of hormone lev-
els in transgenic tobacco plants overexpressing the
rice homeobox gene OSH1. Plant Physiol. 116, 471-
476.
Leibfried, A., To, J.P., Busch, W., Stehling, S.,
Kehle, A., Demar, M., Kieber, J.J., and Lohmann,
J.U. (2005). WUSCHEL controls meristem function
by direct regulation of cytokinin-inducible response
regulators. Nature 438, 1172-1175.
Letham, D.S., and Palni, L.M.S. (1983). The biosyn-
thesis and metabolism of cytokinins. Annu. Rev. Plant
Physiol. 34, 163-197.
Mahonen , A .P . , Bonke , M. , Kauppinen , L . ,
Riikonen, M., Benfey, P.N., and Helariutta, Y.
(2000). A novel two-component hybrid molecule regu-
lates vascular morphogenesis of the Arabidopsis root.
Genes Dev. 14, 2938-2943.
Mahonen, A.P., Higuchi, M., Tormakangas, K.,
Miyawaki, K., Pischke, M.S., Sussman, M.R.,
Helariutta, Y., and Kakimoto, T. (2006a). Cyto-
kinins regulate a bidirectional phosphorelay network
in Arabidopsis. Curr. Biol. 16, 1116-1122.
M a h o n e n , A . P . , B i s h o p p , A . , H i g u c h i , M . ,
Nieminen, K.M., Kinoshita, K., Tormakangas,
K. , Ikeda, Y. , Oka, A. , Kakimoto, T. , and
Helariutta, Y. (2006b). Cytokinin signaling and its
inhibitor AHP6 regulate cell fate during vascular
development. Science 311, 94-98.
Mason, M.G., Mathews, D.E. , Argyros, D.A. ,
Maxwell, B.B., Kieber, J.J., Alonso, J.M., Ecker,
J.R., and Schaller, G.E. (2005). Multiple type-B
response regulators mediate cytokinin signal trans-
496 23(5)
duction in Arabidopsis. Plant Cell 17, 3007-3018.
Miller, C.O. (1956). Similarity of some kinetin and
red light effects. Plant Physiol. 31, 318-319.
Miller, C.O., Skoog, F., von Saltza, M.H., and
Strong, M. (1955). Kinetin, a cell division factor
from deoxyribonucleic acid. J. Am. Chem. Soc. 77,
1329-1334.
M i y a w a k i , K . , M a t s u m o t o - K i t a n o , M . , a n d
Kakimoto, T. (2004). Expression of cytokinin bio-
synthetic isopentenyltransferase genes in Arabidopsis:
tissue specificity and regulation by auxin, cytokinin,
and nitrate. Plant J. 37, 128-138.
Mizuno, T. (2005). Two-component phosphorelay sig-
nal transduction systems in plants: from hormone
responses to circadian rhythms. Biosci. Biotechnol.
Biochem. 69, 2263-2276.
Mok, D.W., and Mok, M.C. (2001). Cytokinin me-
tabolism and action. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant
Mol. Biol. 52, 89-118.
Mok, M.C. (1994). Cytokinins and plant development
—— An overview. In Cytokinins: Chemistry ,
Activity, and Function, D.W.S. Mok, M.C. Mok eds,
(Boca Raton, FL, USA: CRC Press), pp. 155-166.
Morris, R.O., Bilyeu, K.D., Laskey, J.G., and
Cheikh, N.N. (1999). Isolation of a gene encoding a
glycosylated cytokinin oxidase from maize. Biochem.
Biophys. Res. Commun. 255, 328-333.
Nishimura, C., Ohashi, Y., Sato, S. , Kato, T.,
Tabata, S., and Ueguchi, C. (2004). Histidine ki-
nase homologs that act as cytokinin receptors pos-
sess overlapping functions in the regulation of shoot
and root growth in Arabidopsis. Plant Cell 16, 1365-
1377.
Nordstrom, A., Tarkowski, P., Tarkowska, D.,
N o r b a e k , R . , A s t o t , C . , D o l e z a l , K . , a n d
Sandberg, G. (2004). Auxin regulation of cytokinin
biosynthesis in Arabidopsis thaliana: a factor of po-
tential importance for auxin-cytokinin-regulated
development. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101, 8039-
8044.
Novakova, M., Motyka, V., Dobrev, P.I., Malbeck,
J., Gaudinova, A., and Vankova, R. (2005). Diur-
nal variation of cytokinin, auxin and abscisic acid
levels in tobacco leaves. J. Exp. Bot. 56, 2877-2883.
Pas , J . , von Grot thuss , M. , Wyrwicz , L .S . ,
Rychlewski, L., and Barciszewski, J. (2004).
Structure prediction, evolution and ligand interaction
of CHASE domain. FEBS Lett. 576, 287-290.
Pischke, M.S., Jones, L.G., Otsuga, D., Fernandez,
D.E., Drews, G.N., and Sussman, M.R. (2002). An
Arabidopsis h is t id ine k inase i s essent ia l for
megagametogenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99,
15800-15805.
Rashotte, A.M., Mason, M.G., Hutchison, C.E.,
Ferreira, F.J., Schaller, G.E., and Kieber, J.J.
(2006). A subset of Arabidopsis AP2 transcription
factors mediates cytokinin responses in concert with
a two-component pathway. Proc. Natl. Acad. Sci. USA
103, 11081-11085.
Redig, P., Schmulling, T., and van Onckelen, H.
(1996). Analysis of cytokinin metabolism in ipt
transgenic tobacco by liquid chromatography-tandem
mass spectrometry. Plant Physiol. 112, 141-148.
Riefler, M., Novak, O., Strnad, M., and Schmulling,
T. (2006). Arabidopsis cytokinin receptor mutants
reveal functions in shoot growth, leaf senescence,
seed size, germination, root development, and cyto-
kinin metabolism. Plant Cell 18, 40-54.
Sakai, H., Honma, T., Aoyama, T., Sato, S., Kato,
T., Tabata, S., and Oka, A. (2001). ARR1, a tran-
scription factor for genes immediately responsive to
cytokinins. Science 294, 1519-1521.
Sakakibara , H. ( 2006) . Cy tok in ins : ac t iv i ty ,
biosynthesis, and translocation. Annu. Rev. Plant Biol.
67, 431-449.
Sakamoto , T . , Sakakibara , H. , Koj ima, M. ,
Yamamoto, Y., Nagasaki, H., Inukai, Y., Sato,
Y., and Matsuoka, M. (2006). Ectopic expression
of KNOX homeodomain protein induces expression
of cytokinin biosynthesis gene in rice. Plant Physiol.
142, 54-62.
Sakano, Y., Okada, Y., Matsunaga, A., Suwama,
T., Kaneko, T., Ito, K., Noguchi, H., and Abe, I.
(2004). Molecular cloning, expression, and charac-
terization of adenylate isopentenyltransferase from
hop (Humulus lupulus L.). Phytochemistry 65, 2439-
4972006 邓岩 等: 细胞分裂素: 代谢、信号转导、交叉反应与农艺性状改良
2446.
Salome, P.A., To, J.P., Kieber, J.J., and McClung,
C.R. (2006). Arabidopsis response regulators ARR3
and ARR4 play cytokinin-independent roles in the
control of circadian period. Plant Cell 18, 55-69.
Schwechheimer, C., and Deng, X.W. (2000). The
COP/DET/FUS proteins-regulators of eukaryotic
growth and development. Semin. Cell Dev. Biol. 11,
495-503.
Skoog, F., and Miller, C.O. (1957). Chemical regula-
tion of growth and organ formation in plant tissues
cultured in vitro. Symp. Soc. Exp. Biol. 54, 118-130.
Su, W., and Howell, S.H. (1995). The effects of cy-
tokinin and l ight on hypocotyl e longat ion in
Arabidopsis seedlings are independent and additive.
Plant Physiol. 108, 1423-1430.
Sun, J., Hirose, N., Wang, X., Wen, P., Xue, L.,
Sakakibara, H., and Zuo, J. (2005). Arabidopsis
SOI33/AtENT8 gene encodes a putative equilibrative
nucleoside transporter that is involved in cytokinin
transport in planta. J. Integ. Plant Biol. 47, 588-
603.
Sun, J. , Niu, Q.W., Tarkowski, P., Zheng, B.,
Tarkowska, D., Sandberg, G., Chua, N.H., and
Zuo, J. (2003). The Arabidopsis AtIPT8/PGA22 gene
encodes an isopentenyl transferase that is involved
in de novo cytokinin biosynthesis. Plant Physiol. 131,
167-176.
Suzuki, T., Imamura, A., Ueguchi, C., and Mizuno,
T. (1998). Histidine-containing phosphotransfer
(HPt) signal transducers implicated in His-to-Asp
phosphorelay in Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 39,
1258-1268.
Suzuki, T., Ishikawa, K., Yamashino, T., and
Mizuno, T. (2002). An Arabidopsis histidine-
containing phosphotransfer (HPt) factor implicated
in phosphorelay signal transduction: overexpression
of AHP2 in plants results in hypersensitiveness to
cytokinin. Plant Cell Physiol. 43, 123-129.
Suzuki, T., Miwa, K., Ishikawa, K., Yamada, H.,
Aiba, H., and Mizuno, T. (2001). The Arabidopsis
sensor His-kinase, AHk4, can respond to cytokinins.
Plant Cell Physiol. 42, 107-113.
Sweere, U., Eichenberg, K., Lohrmann, J., Mira-
Rodado, V., Baurle, I . , Kudla, J. , Nagy, F.,
Schafer, E., and Harter, K. (2001). Interaction of
the response regulator ARR4 with phytochrome B in
modulating red light signaling. Science 294, 1108-
1111.
Syono, K., and Furuya, T. (1972). Effects of cytoki-
nins on the auxin requirement and auxin content of
tobacco calluses. Plant Cell Physiol. 13, 843-856.
Tajima, Y., Imamura, A., Kiba, T., Amano, Y.,
Yamashino, T., and Mizuno, T. (2004). Compara-
tive studies on the type-B response regulators reveal-
ing their distinctive properties in the His-to-Asp
phosphorelay signal transduction of Arabidopsis
thaliana. Plant Cell Physiol. 45, 28-39.
Takei, K., Sakakibara, H., and Sugiyama, T. (2001).
Iden t i f i c a t i on o f genes encod ing adeny la t e
isopentenyltransferase, a cytokinin biosynthesis
enzyme, in Arabidopsis thaliana. J. Biol. Chem. 276,
26405-26410.
Takei, K., Yamaya, T., and Sakakibara, H. (2004).
Arabidopsis CYP735A1 and CYP735A2 encode cyto-
kinin hydroxylases that catalyze the biosynthesis of
trans-Zeatin. J. Biol. Chem. 279, 41866-41872.
Tanaka, Y., Sano, T., Tamaoki, M., Nakajima, N.,
Kondo, N., and Hasezawa, S. (2006). Cytokinin
and auxin inhibit abscisic acid-induced stomatal clo-
sure by enhancing ethylene production in Arabidopsis.
J. Exp. Bot. 57, 2259-2266.
Taya, Y., Tanaka, Y., and Nishimura, S. (1978). 5-
AMP i s a d i r ec t p r ecu r so r o f cy tok in in i n
Dictyostelium discoideum. Nature 271, 545-547.
Thomas, T.H., Hare, P.D., and van Staden, J. (1997).
Phytochrome and cytokinin responses. Plant Growth
Regul. 23, 105-122.
To, J.P., Haberer, G., Ferreira, F.J., Deruere, J.,
Mason, M.G., Schaller, G.E., Alonso, J.M., Ecker,
J.R., and Kieber, J.J. (2004). Type-A Arabidopsis
response regulators are partially redundant negative
regulators of cytokinin signaling. Plant Cell 16, 658-
671.
Veach, Y.K., Martin, R.C., Mok, D.W., Malbeck,
J . , V a n k o v a , R . , a n d M o k , M . C . ( 2 0 0 3 ) .
498 23(5)
O-glucosylation of cis-zeatin in maize. Characteriza-
tion of genes, enzymes, and endogenous cytokinins.
Plant Physiol. 131, 1374-1380.
Werner, T., Kollmer, I., Bartrina, I., Holst, K., and
Schmulling, T. (2006). New insights into the biol-
ogy of cytokinin degradation. Plant Biol. (Stuttg) 8,
371-381.
Werner, T., Motyka, V., Laucou, V., Smets, R., van
Onckelen, H., and Schmulling, T. (2003). Cyto-
kinin-deficient transgenic Arabidopsis plants show
multiple developmental alterations indicating oppo-
site functions of cytokinins in the regulation of shoot
and root meristem activity. Plant Cell 15, 2532-2550.
Wurgler-Murphy, S.M., and Saito, H. (1997). Two-
component signal transducers and MAPK cascades.
Trends Biochem. Sci. 22, 172-176.
Wyndaele, R. , Christ iansen, J. , Horseele , R. ,
Rudelsheim, P., and van Onckelen, H. (1988).
Functional correlation between endogenous phyto-
hormone levels and hormone autotrophy of trans-
formed and habituated soybean cell lines. Plant Cell
Physiol. 29, 1095-1101.
Yamada, H., Suzuki, T., Terada, K., Takei, K.,
Ishikawa, K., Miwa, K., Yamashino, T., and
Mizuno, T. (2001). The Arabidopsis AHK4 histidine
kinase is a cytokinin-binding receptor that transduces
cytokinin signals across the membrane. Plant Cell
Physiol. 42, 1017-1023.
Yanai, O., Shani, E., Dolezal, K., Tarkowski, P.,
Sablowski, R., Sandberg, G., Samach, A., and
Ori, N. (2005). Arabidopsis cis KNOXI proteins ac-
tivate cytokinin biosynthesis. Curr. Biol. 15, 1566-
1571.
Yang, S.H., Yu, H., Xu, Y., and Goh, C.J. (2003a).
Investigation of cytokinin-deficient phenotypes in
Arabidopsis by ectopic expression of orchid DSCKX1.
FEBS Lett. 555, 291-296.
Yang, S.H., Yu, H., and Goh, C.J. (2003b). Func-
tional characterisation of a cytokinin oxidase gene
DSCKX1 in Dendrobium orchid. Plant Mol. Biol. 51,
237-248.
Zheng, B., Deng, Y., Mu, J., Ji, Z., Xiang, T., Niu,
Q.W., Chua, N.H., and Zuo, J. (2006). Cytokinin
affects circadian-clock oscillation in a phytochrome
B- and Arabidopsis response regulator 4-dependent
manner. Physiol. Plant 127, 277-292.
Zubko, E., Adams, C.J., Machaekova, I., Malbeck,
J., Scollan, C., and Meyer, P. (2002). Activation
tagging identifies a gene from Petunia hybrida re-
sponsible for the production of active cytokinins in
plants. Plant J. 29, 797-808.
Zuo, J., Niu, Q.W., Ikeda, Y., and Chua, N.H. (2002).
Marker-free transformation: increasing transforma-
tion frequency by the use of regeneration-promoting
genes. Curr. Opin. Biotech. 13, 173-180.