全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (1): 55–64, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2012.00055
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收稿日期: 2011-09-01; 接受日期: 2011-11-19
基金项目: 国家自然科学基金(No.30871317, 31171174)
* 通讯作者。E-mail: xbli@mail.ccnu.edu.cn
14-3-3蛋白对植物发育的调控作用
周颖, 李冰樱, 李学宝*
华中师范大学生命科学学院, 遗传调控与整合生物学湖北省重点实验室, 武汉 430079
摘要 14-3-3蛋白是高度保守并在真核生物中普遍存在的一类调节蛋白。不同的14-3-3蛋白同工型具有不同的细胞特异性,
并通过识别特异的磷酸化序列与靶蛋白相互作用, 被称为蛋白质与蛋白质相互作用的桥梁蛋白。在植物生长发育过程中,
14-3-3蛋白通过与其它蛋白的相互作用参与多种植物激素信号转导、各种代谢调控、物质运输和光信号应答等调控过程。
该文主要对近年来有关14-3-3蛋白在植物生长发育中的调控作用, 特别是14-3-3蛋白参与调控植物激素信号转导等方面的
研究进展进行综述。
关键词 14-3-3蛋白, 植物发育, 蛋白质-蛋白质相互作用, 调控
周颖, 李冰樱, 李学宝 (2012). 14-3-3蛋白对植物发育的调控作用. 植物学报 47, 55–64.
14-3-3蛋白由Moor和Perez(1967)首先在牛脑组
织细胞中发现, 根据其经二乙氨乙基纤维素柱(DE-
AE cellulose)层析后所分离组分的片段数及在淀粉
凝胶电泳中的迁移率而得名。脑组织中含有丰富的
14-3-3蛋白, 约占全部可溶性蛋白质的1%。在很长一
段时期, 14-3-3蛋白被认为是一种脑特异蛋白, 之后
发现该蛋白是一类在真核生物中广泛存在并高度保
守的调控蛋白。1992年以来 , 在植物中发现多种
14-3-3蛋白。例如, 拟南芥(Arabidopsis thaliana)中
有15个基因编码14-3-3蛋白, 根据它们内含子插入位
置的不同, 可分为β类型和非β类型2类。14-3-3蛋白
通过识别特异的磷酸化序列与靶蛋白相互作用, 目前
在植物中已发现有300多个靶蛋白能够与14-3-3蛋白
相互作用。不同的14-3-3蛋白同工型在植物不同组织
中表达, 并且差异很大, 它们特异性地调控靶蛋白,
参与植物细胞内一系列信号转导和代谢过程, 影响植
物的生长发育。
1 14-3-3蛋白的结构
14-3-3蛋白是一种酸性二聚体可溶性蛋白, 分子量为
25–32 kDa, 在真核生物中高度保守, 具有相似的高
级结构。最早被鉴定出结构的14-3-3蛋白是人类同工
型14-3-3τ和ζ(图1)。X-射线晶体衍射结果表明, 14-3-
3蛋白由2个单体连接而成, 空间结构呈1个两性沟槽,
每个单体含有9个α-螺旋(α1–α9)。这些α螺旋组成一
个反平行模式, 每个α螺旋间由1个短环连接。在9个α
螺旋中, α3和α4的氨基酸序列最长, 大约有30–34个
氨基酸残基。α1–α4形成二聚体界面, 其中α1和α4是
形成二聚体所必需的。α3、α5、α7和α9形成保守的
肽结合沟槽, 沟槽两侧不对称。一侧由α7和α9形成含
有4个Leu侧链的疏水界面, 另一侧由α3形成3个碱性
侧链, α5则形成荷电极性基团。即螺旋α3和α5上的极
性残基构成其极性面, 螺旋α7和α9上的疏水性残基
构成其非极性面(Liu et al., 1995; Yang et al., 2006)。
14-3-3蛋白虽然高度保守, 但其N-端和C-端均具
有较高的变异性, 是14-3-3蛋白功能体现的核心结
构。拟南芥中14-3-3蛋白家族成员的一级结构分析表
明 , N端同源性较低(14%), 中间区域同源性高(达
51%) (Chung et al., 1999)。对N-端12–30氨基酸残基
区域进行突变, 发现突变后的14-3-3蛋白不能形成二
聚体, 同时失去与一些靶蛋白的结合能力, 说明N-
端12–30氨基酸残基区域对14-3-3蛋白二聚体的形成
及其与配体的结合具有重要的作用。而C-端直接参与
蛋白质-蛋白质间的相互作用, 结合位点通常在C-端
的第7–9个螺旋间(Yang et al., 2006)。
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图1 人类14-3-3ζ二聚体结构(Liu et al., 1995)
数字表示螺旋数目。

Figure 1 Structure of the human 14-3-3ζdimmer (Liu et al., 1995)
The numbers indicate helix number.


14-3-3蛋白在植物体内主要以同源或异源二聚
体的形式存在。14-3-3蛋白二聚体呈C字形钳状, 2个
单体之间形成一个凹穴, 是结合靶蛋白的作用面, 具
强大的电负性。当14-3-3蛋白与特异靶蛋白作用时,
其构象发生变化, 从而与靶蛋白紧密结合。14-3-3蛋
白的结构变化还受其自身及靶蛋白磷酸化的影响, 自
身磷酸化位点在二聚体的分界面, 这可能是与某些激
酶结合所必需的。14-3-3蛋白每个单体都具有一个结
合位点, 可同时与2种靶蛋白结合(Liu et al.,1995;
Yang et al., 2006)。
2 14-3-3蛋白与靶蛋白的相互作用模式
及其调控作用
14-3-3蛋白通过与其它蛋白相结合来发挥作用。在植
物中, 已知的14-3-3蛋白配体有300多种。14-3-3蛋白
通过3种磷酸化模式与靶蛋白结合: 前2种为经典的
磷酸化丝氨酸/苏氨酸序列模体, 已发现的配体中绝
大多数含有这2类磷酸化丝氨酸/苏氨酸序列模体, 即
模体1 R(S/Ar)(+)p(S/T)XP和模体2 RX(Ar)(+)p(S/T)
XP。其中p(S/T)代表磷酸化丝氨酸/苏氨酸, Ar代表芳
香氨基酸, +代表基本氨基酸, 在p(S/T)后面的X通常
为Leu、Glu、Ala或Met。以上2种14-3-3结合模体中
有3–4个氨基酸序列是固定的, 可以看出14-3-3蛋白
的结合要求很低, 故解释了14-3-3蛋白在植物体中有
如此之多的配体, 具有广阔的蛋白结合谱。第3种磷
酸化模体是PSX1-2-COOH, 这种模体也称为C-端结
合模体 , 首先在14-3-3靶蛋白植物细胞膜H+-ATP-
ase中被发现(Ganguly et al., 2005; Coblitz et al.,
2006)。另外, 也有报道14-3-3通过非磷酸化识别序列
结合靶蛋白 , 非磷酸化识别序列包含Gly-His-Ser-
Leu(GHSL)(Andrews et al., 1998)和Trp-Leu-Asp-
Leu-Glu(WLDLE)(Petosa et al., 1998)。
14-3-3蛋白作为一种衔接分子或接头/支架蛋白,
可以同时与2个靶蛋白或者与1个靶蛋白的2个结构域
相互作用来发挥以下调控功能。(1) 14-3-3蛋白增强
或抑制靶蛋白的催化活性, 如拟南芥钙依赖蛋白激酶
(CDPKs)家族中CPK1是14-3-3蛋白的靶蛋白 , 与
14-3-3蛋白偶联, 使钙结合活性提高2倍。(2) 调节靶
蛋白的核质转运与亚细胞定位, 在没有油菜素内酯
(brassinolide, BL) 的情况下 , 磷酸化的 BZR1 与
14-3-3蛋白结合后滞留在细胞质中; 在BL处理条件
下, BZR1去磷酸化, 不能与14-3-3蛋白相互作用而聚
集在细胞核中(Yin et al., 2005; Ryu et al., 2007)。(3)
改变靶蛋白和其它蛋白的结合能力。(4) 保护靶蛋白,
避免靶蛋白降解, 14-3-3蛋白可保护拟南芥中蔗糖磷
周颖等: 14-3-3 蛋白对植物发育的调控作用 57
酸合成酶(sucrose-phosphate synthase, SPS), 使其
免于被蛋白酶水解(Cotelle et al., 2000)。
14-3-3蛋白具有强大的蛋白结合能力及多样化
的功能, 提示14-3-3蛋白可能是细胞内处理蛋白间相
互作用的核心蛋白。14-3-3蛋白不仅调控许多关键的
信号蛋白(如BZR1、RSG和CDPK1等)的信号转导,
而且可以作用于同一信号通路上不同的信号蛋白。另
外, 14-3-3蛋白以二聚体形式存在, 这样它就可以结
合2个不同的信号分子, 同一种14-3-3亚型也能协调
不同的信号转导通路, 发挥不同的功能。如核编码的
叶绿体前体蛋白PSI-N关键结构域中没有磷酸化丝氨
酸/苏氨酸序列模体, 但是能与14-3-3ζ发生相互作用
(Sehnke et al., 2000)。14-3-3ζ也能参与BR信号通路,
同BZR1通过磷酸化丝氨酸/苏氨酸序列模体调节靶
蛋白的核质转运与亚细胞定位。BL处理下, 14-3-3λ
(GRF6)同14-3-3ζ有相似的功能。同时, 14-3-3λ与位
于液泡膜的K+通道的TPK家族成员AtTPK1(KCO1)
共定位在液泡膜上, 并通过磷酸化的14-3-3结合位点
相互作用。实验证明, TPK1是不依赖于电势差并由
Ca2+激活的K+通道, 14-3-3与其相互作用增加TPK1
的活性 , 调节细胞质中的钾离子平衡 (Latz et al.,
2007)。
3 14-3-3蛋白参与植物生长发育的调控
14-3-3蛋白能够以多种机制与靶蛋白相互作用, 在各
种不同细胞功能和生理过程中起调控作用。在植物生
长发育中, 14-3-3蛋白的功能主要包括参与植物激素
信号通路转导、营养代谢调控和光信号应答等过程
(图2)。
3.1 14-3-3蛋白参与多种植物激素信号通路
3.1.1 14-3-3蛋白参与GA信号通路
赤霉素(gibberellin, GA)是一种双萜生长激素, 主要
调控植物生长, 如种子萌发、茎伸长和花药发育。
RSG(REPRESSION OF SHOOT GROWTH)是一类
bZIP转录因子, 通过调控GA合成途径中相关基因的
转录对植物体内GA水平进行调节。利用酵母双杂交
技术, 将RSG作为诱饵蛋白, 筛选得到14-3-3蛋白,
并鉴定了与 14-3-3 蛋白相互作用的位点 RSG-
Ser114。14-3-3蛋白同RSG的相互作用依赖于RSG
的Ser-114磷酸化, 外源施加GA, 导致胞内Ca2+水平
暂时增加 , Ca2+水平的瞬时变化使得Ca2+-依赖的
CDPK激酶磷酸化RSG的Ser-114, 促进14-3-3蛋白
和磷酸化的RSG相互作用。在此过程中14-3-3蛋白作
为负调节因子通过RSG中Ser-114磷酸化结合RSG,
改变RSG蛋白在细胞中的定位, 使得RSG滞留在细
胞质中而不能进入细胞核调控编码GA生物合成相关
蛋白的基因, 抑制了细胞核中GA合成相关基因的转
录 , 从而控制体内GA水平 (Ishida et al., 2004,
2008)。

3.1.2 14-3-3蛋白参与ABA信号通路
脱落酸(abscisic acid, ABA)调控植物的生长和发育,
如种子的成熟、萌发和根的生长。14-3-3蛋白通过转
录调控参与ABA信号通路。
14-3-3蛋白在ABA诱导的种子萌发的后胚胎发
育中发挥一定的功能。拟南芥中包含2个Em基因
AtEm1和AtEm6, 作为后期胚胎发育的标志基因。在
拟南芥成熟种子的胚胎中AtEm1和AtEm6大量积累,
转录因子ABI3和激素ABA是表达AtEm1和AtEm6所
必需的。14-3-3蛋白结合拟南芥后胚胎发生基因
AtEm1和AtEm6的启动子, ABA调控的转录因子ABI3
诱导AtEm1和AtEm6表达(del Viso et al., 2007)。在
结合Em基因启动子的转录复合物中, 14-3-3蛋白可
能作为接头蛋白发挥功能。
有关14-3-3蛋白参与ABA信号在胚根伸长方面
的研究很少。有研究表明, 渗透活性物质K+的吸收在
胚根生长阶段是必需的, K+的吸收受ABA调控, ABA
可抑制K+吸收并降低K+通道活性。在ABA作用下 ,
14-3-3蛋白调控K+通道输出, 使得K+通道活性降低
60%。这说明14-3-3蛋白参与调控细胞离子泵, 并受
ABA影响, 在控制种子萌发胚根生长中发挥重要作用
(van den Wijngaard et al., 2005)。
14-3-3蛋白在ABA信号通路中具有重要作用。酵
母双杂交实验证实了ABA效应因子VP1(viviparous
1)与14-3-3蛋白的相互作用(Schultz et al., 1998)。
VP1是具有转录激活活性的调控因子, 但是不能直接
结合受ABA诱导的顺式作用元件(ABRE)。所以14-3-3
蛋白作为一个接头蛋白, 将VP1和应答ABA信号与同
ABRE结合的反式调控因子AREB/ABF/ABI5家族成
员联系起来 , 共同调控下游ABA应答基因的表达
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图2 14-3-3蛋白与其它蛋白相互作用参与植物激素信号转导、营养代谢调控、植物体内物质运输和光信号应答等的调控作用模式
(Chung et al., 1999; Ishida et al., 2004; Gampala et al., 2007)

Figure 2 The model of action that 14-3-3 proteins interact with other proteins to regulate phytohormone signaling transduction,
metabolism regulation, nutrient transportation and response to light signaling, etc (Chung et al., 1999; Ishida et al., 2004; Gam-
pala et al., 2007)


(Himmelbach et al., 2003)。其中ABF/AREB/ABI5家
族是一类具有基本亮氨酸锌指结构bZIP的转录因子,
是植物中ABA信号途径中的关键靶基因, 在种子萌发
和早期植物生长中其转录水平、蛋白质积累、蛋白质
稳定性和活性等多方面都受ABA调控(Casaretto and
Ho, 2003; Furihata et al., 2006)。酵母双杂交分析表
明, 在大麦(Hordeum vulgare)中, HvABI5能够结合
受ABA诱导的HVA1顺式作用元件, 并与5个14-3-3
亚型中的3个(Hv14-3-3C、D和E)发生相互作用。
HvABI5有2个可能的14-3-3蛋白结合位点(REIPT160
-AP和RRTLT350GP)。Schoonheim等(2007)发现ABA
影响大麦胚根中Hv14-3-3 5个亚型(A–E)的基因表达
和蛋白水平, Hv14-3-3B和Hv14-3-3C在ABA处理6小
时后, 基因表达水平达到最高, Hv14-3-3D和Hv14-3-
3E受ABA处理后基因表达量上调6–8倍。Hv14-3-3A
蛋白经ABA处理后水解 ; Hv14-3-3B蛋白水平不受
ABA的影响; 在ABA处理28小时后, Hv14-3-3C的蛋
白水平与未处理的对照组胚根一样, 但是46小时后
对照组蛋白消失, 而处理组蛋白水平不变。在1–1.5
天内, 未处理的胚根中Hv14-3-3D和E蛋白消失, 而
周颖等: 14-3-3 蛋白对植物发育的调控作用 59
ABA处理后蛋白水平下降。通过RNA干扰技术沉默大
麦14-3-3基因, 可使ABI5调控受ABA诱导的报告基
因表达降低。HvABI5蛋白能结合HVA1启动子的
ABRC3顺式作用元件 , 使该启动子活性急剧降低 ,
导致大麦14-3-3基因沉默。说明在种子休眠和萌发中,
14-3-3基因表达受ABA调控, 同时14-3-3蛋白在ABA
信号传递及调节ABA应答基因表达中起着重要作用。

3.1.3 14-3-3蛋白参与BR信号通路
油菜素类固醇化合物(brassinosteroids, BRs)是植物
生长和发育的关键激素, 主要促进细胞伸长和分裂。
14-3-3蛋白在BR信号通路中发挥重要作用, 它与BR
信号通路中的关键转录因子BZR1/BZR2蛋白的相互
作用受到BR的直接调节, 并在一系列复杂的磷酸化
水平的调节下受到严格调控。在不存在BR信号时, BR
受体BRI1受到BKI1的抑制, BZR1/BZR2由蛋白激酶
BIN2将其磷酸化 , 导致磷酸化的BZR1、BZR2与
14-3-3蛋白相互作用并被运输到细胞质中, 泛素化后
被蛋白酶体降解或抑制它们的DNA结合活性, 从而
抑制BR信号的转导途径。当有BL诱导时, BR信号由
BR受体BRI1感知, 胞外部分接受BR信号后, 活化的
BRI1磷酸化BSK1, 磷酸化的BSK1从位于细胞膜的
BR信号感知复合体上解离, 进而与位于核内的磷酸
酯酶BSU1抑制BIN2, 同时PP2A将BZR1/BZR2去磷
酸化, 去磷酸化的BZR1及BZR2解除了与14-3-3蛋白
的相互作用, 并与BR响应基因的启动子元件结合,
调控下游基因的表达, 参与影响植物的生长发育(Yin
et al., 2005; Gampala et al., 2007; Ryu et al.,
2010)。
利用酵母双杂交实验, 已经验证了14-3-3蛋白与
BZR1蛋白之间的相互作用。本实验室从棉花(Goss-
ypium hirsutum)中分离得到8个Gh14-3-3基因, 并对
它们的表达模式以及编码蛋白的结构和亚细胞定位
进行了研究(Shi et al., 2007; Wei et al., 2009; Zhang
et al., 2010)。其中, 有6个14-3-3蛋白在棉花纤维中
优势表达。以往的研究表明, 棉花纤维发育涉及一系
列复杂的分子调控过程(张辉等, 2007)。利用酵母双
杂交技术, 以上述6个棉花14-3-3蛋白为诱饵, 从棉
纤维cDNA文库中筛选到38种互作蛋白, 这些互作蛋
白分别参与棉花纤维的发育、代谢和信号转导等过
程。进一步的研究证实, 其中有5个棉花14-3-3蛋白能
够与棉花GhBZR1相互作用(Zhang et al., 2010)。有
研究表明, 14-3-3蛋白与BZR蛋白相互作用, 在BR信
号通路中扮演负调控因子。转录因子BZR1/BZR2
(BES1)在BR信号通路中起关键作用, 影响植物的发
育。利用RNA干扰技术 , 抑制水稻 (Oryza sativa)
OsBZR1的表达, 导致植物出现矮化、叶片直立、对
BR敏感度降低等表型, 而过量表达OsBZR1P206L
区域, 叶片弯曲度增加。通过OsBZR1转基因拟南芥
表型分析, 证明了14-3-3蛋白在BR信号通路中作为
负调控因子对转录因子BZR1进行调节, 导致该蛋白
转运到细胞核外从而阻碍其对下游基因转录的调控。
将水稻OsBZR1- S156G–GFP回补bri1-5突变体、野
生型和OsBZR1-GFP植株在1/2MS培养基上暗培养6
天, OsBZR1S-156G–GFP回补bri1-5突变体的下胚
轴长度与野生型相似。当加入抑制剂BRZ(BR bio-
synthesis inhibitor, brassinazole), 无论是在bri1-5
突变体或野生型背景下, OsBZR1S156G–GFP转基
因拟南芥植株的下胚轴都比过量表达OsBZR1-GFP
的转基因植株下胚轴长(Bai et al., 2007)。本实验室
通过在MS培养基中加入BR合成抑制剂BRZ, 分析了
棉花Gh14-3-3ε过量表达的转基因拟南芥植株表型,
发现过量表达Gh14-3-3ε的拟南芥植株下胚轴长度较
野生型拟南芥短。说明Gh14-3-3ε过量表达增强了转
基因拟南芥对BRZ的敏感性(未发表资料)。

3.1.4 14-3-3蛋白参与乙烯信号通路
乙烯调控种子萌发、果实成熟、叶片和花的脱落, 还
与根毛伸长有关。CTR1是乙烯应答途径的负调控因
子, 通过乙烯受体活化乙烯通路中CTR1的机制目前
仍然不清楚。早期研究表明 , CTR1的蛋白序列与
14-3-3的靶蛋白丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶Raf蛋白有
41%的同源性, CTR1与14-3-3蛋白之间的相互作用
是拟南芥正常乙烯信号转导所必需的(Solano and
Ecker, 1998)。
14-3-3蛋白在乙烯信号传递中可能发挥一定的
作用, 并可能参与乙烯生物合成的调控。用串联亲和
纯化标签(tandem affinity purification, TAP)标记拟南
芥14-3-3ω(At1g78300), 并在转基因植物中表达。串
联MS分析纯化复合物, 结果表明在拟南芥中表达的
14-3-3ω能与12个14-3-3亚型中的10个形成二聚体。
并且14-3-3蛋白能与121个蛋白相互作用, 其中包括
60 植物学报 47(1) 2012
参与乙烯合成的ACC合成酶(ACS-6、-7和-8)(Chang
et al., 2009)。Yao等(2007)通过酵母双杂交系统, 证
明在酵母细胞中水稻14-3-3蛋白和ACS(1-aminoc-
yclopropane carboxylic acid synthase)能发生相互
作用。14-3-3蛋白可能通过结合ACS磷酸化的C-末端
来调节ACS的活性, 保护ACS在乙烯生物合成时不
被降解。
3.2 14-3-3蛋白参与植物体内物质运输的调控
生物细胞对大分子的主动运输依赖于跨膜内外的电
化学梯度, 而分布于细胞膜上的H+-ATP酶是维持细
胞内外电化学梯度的主要动力。14-3-3蛋白对细胞内
外物质运输调控的主要途径是通过与H+-ATP酶相结
合, 调控质子泵的活性, 从而对物质运输进行调控。
植物质膜H+-ATP酶的C末端区域含有100多个氨
基酸残基。C末端的第2个苏氨酸残基被磷酸化后,
14-3-3蛋白与其结合形成复合物, 使质膜H+-ATP酶
具有酶活性。活化的蛋白复合物有6个磷酸化的PM
H+-ATP酶, 同6个14-3-3蛋白分子组成六聚体结构,
从而激活质子泵, 驱动膜内外H+的运输, 调节植物酸
碱度(pH值)的平衡(Kanczewska et al., 2005)。而且,
具有与生长素类似作用的壳梭孢素(fusicoccin, FC)
能够起到稳定H+-ATP酶/14-3-3复合体的作用(文彬
等, 2001)。研究表明, PKS5磷酸化质膜H+-ATP酶
AHA2 C端调控区域的Ser931位点, 这种磷酸化抑制
质膜 H+-ATP酶与14-3-3蛋白之间的相互作用, 因而
控制质膜H+-ATP酶的活性和胞外的酸化(Fuglsang
et al., 2007)。最近, Piette等(2011)从烟草(Nicotiana
tabacum)中分离到H+-ATP酶PMA2, 并证明PMA2 C
端区域的上游有一个新的磷酸化位点Thr-889。将该
氨基酸残基突变成天门冬氨酸或丙氨酸后, 在酵母细
胞 (Saccharomyces cerevisiae)中表达突变的H+-
ATP酶, 能够取代酵母H+-ATP酶。PMA2-Thr889Ala
导致酵母不能生长; 相反, PMA2-Thr889Asp突变体
尽管减弱了PMA2倒数第2个氨基酸残基的磷酸化,
并影响其与14-3-3蛋白的结合, 但PMA2-Thr889Asp
突变体促进了酵母生长。为了证明Thr-889调控不依
赖于倒数第2个氨基酸残基的磷酸化以及与14-3-3蛋
白的结合, 将PMA2-Thr889Asp突变与其它氨基酸残
基的突变组合, 发现磷酸化倒数第2个氨基酸残基后
与14-3-3蛋白结合减弱, PMA2 Thr-889磷酸化能使
H+-ATP酶活化。研究还发现在烟草细胞中存在不需
要14-3-3蛋白参与的新的H+-ATP酶活化机制(Piette
et al., 2011)。
3.3 14-3-3蛋白参与植物营养代谢的调控
14-3-3蛋白在氮、磷、钾和硫的代谢中发挥重要作用。
它能够选择性地在植物体内活化靶蛋白, 调控生理代
谢的动态平衡, 参与植物的营养吸收, 影响植物的生
长发育。例如, 14-3-3x/ψ能够与硫代谢相关的硫酸盐
转运蛋白1.3 (sulfate transporter 1.3)、氮代谢的关键
酶类GS相互作用, 钾代谢相关的K+运输蛋白2/5是
14-3-3ψ/κ相互作用的靶蛋白 , 14-3-3x/ψ/κ能够与
AGT3和S-腺苷甲硫氨酸合成酶 (S-adenosylmeth-
ionine synthetase)相互作用(Shin et al., 2011)。通过
光呼吸作用, AGT参与氮代谢。14-3-3结合位点的突
变和CIAP(calf alkaline phosphatase)处理可以使
AGT脱磷酸化, 抑制14-3-3蛋白与AGT之间的相互作
用。14-3-3ψ过量表达的转基因植物中AGT活性降低,
而在14-3-3ψRNAi植株中AGT活性没有改变。14-3-3
蛋白直接或间接地通过与参与氮代谢的蛋白相互作
用, 从而影响氮代谢途径。14-3-3x/κ能够与氮代谢相
关的PEPC3相互作用 , 在14-3-3κ过量表达植株中
PEPC3活性发生改变。但与AGT不同的是, 用CIAP
处理不能抑制14-3-3蛋白与PEPC3的相互作用, 可
能PEPC3脱磷酸需要特殊的磷酸酶。与硫相关的
SAT(Serine acetyltransferase 3.2)和OASTL(O-ac-
etylserine(thiol) lyase)是14-3-3x的靶蛋白。SAT和
OASTL催化半胱氨酸生物合成, 在硫缺失的环境下,
OASTL与SAT相互作用形成半胱氨酸调控复合物
(CRC)。研究发现, CRC和OASTL没有活性, 但SAT
有活性(Kumaran et al., 2009)。一个可能是14-3-3x
结合OASTL和SAT, 但是没有结合CRC。14-3-3蛋白
与磷酸化的SAT相互作用可能阻碍了SAT与OASTL
的相互作用, 导致游离的OASTL活性增加, 但SAT活
性不变。推测14-3-3x有可能影响SAT和OASTL的相
互作用, 形成多酶复合体, 通过调控半胱氨酸生物合
成来响应硫环境信号的改变。此外, 植物中OASTL的
活性增加, 可能使之更有效地利用硫元素(Yi et al.,
2010; Shin et al., 2011)。
14-3-3蛋白受上游SnRK2.8激酶磷酸化, 通过与
14-3-3蛋白相互作用的靶蛋白来调节植物对营养物
周颖等: 14-3-3 蛋白对植物发育的调控作用 61
质的吸收。拟南芥14-3-3x/ψ/κ是SnRK2.8激酶的靶蛋
白, 氮、磷和钾缺失都会导致拟南芥SnRK2.8激酶表
达下调, SnRK2.8激酶磷酸化14-3-3蛋白, 而磷酸化
的14-3-3蛋白与其它蛋白相互作用, 调节植物的生长
和代谢(Shin et al., 2007)。研究表明, 在钾饥饿环境
中, 过量表达14-3-3κ的拟南芥转基因植株的主根增
长。类似地, 在钾和氮缺失情况下, 14-3-3ψ过量表达
植株的主根增长, 而14-3-3ψRNAi植株的主根变短。
此外, 植物14-3-3蛋白在碳水化合物的合成代谢中也
发挥重要作用。通过与蔗糖磷酸合成酶(SPS)、3-磷
酸甘油醛脱氢酶(GAPN)等关键酶相结合, 14-3-3蛋
白调控靶酶活性而影响糖代谢。在拟南芥中, 抑制
14-3-3蛋白活性可导致淀粉积累增加(Sehnke et al.,
2001)。
3.4 14-3-3蛋白参与植物光信号通路
向光蛋白是蓝光特异性蛋白激酶受体, 通过蓝光自磷
酸化。它们参与很多不同的蓝光应答反应(例如向光
性、下胚轴生长抑制、气孔开放和叶绿体运动等)。
最新研究表明, 蓝光受体向光蛋白首先磷酸化保卫细
胞的细胞膜H+-ATP酶倒数第2个Thr, 随后14-3-3蛋
白结合C-末端磷酸化的H+-ATP酶, 从而活化H+-ATP
酶, 调控气孔开放(Hayashi et al., 2011)。在不同光的
影响下, 14-3-3蛋白特异地与靶蛋白结合, 调节植物
生长。例如, 在蓝光作用下, PHOT1中Hinge1区域的
Ser残基自磷酸化, 形成与14-3-3蛋白相互作用位点
(Inoue et al., 2008)。有研究显示, 14-3-3蛋白与PHO-
T1的相互作用是亚型特异性的, 只有非β14-3-3亚型
能够与PHOT1发生相互作用(Sullivan et al., 2009)。
14-3-3蛋白不能与PHOT2相互作用, 是由于PHOT2
中 Hinge1 的向光性基序不保守 (Sullivan et al.,
2008)。通过T-DNA插入获得的拟南芥14-3-3ν和
14-3-3μ突变体, 表现为花期延迟, 在红光处理下植
物下胚轴比野生型长, 但在蓝光或远红光下不敏感
(Mayfield et al., 2007)。此外, 酵母双杂交和免疫共
沉淀实验结果表明, 14-3-3蛋白能够与光周期调节蛋
白CO(CONSTANS)相互作用, 但14-3-3与光敏色素
B(phyB)不能直接相互作用(Folta et al., 2008)。上述
花期延迟以及14-3-3与CO直接相互作用等实验结果,
暗示14-3-3可能参与光信号途经。
3.5 14-3-3蛋白参与植物细胞周期的调控
EDE1(ENDOSPERM DEFECTIVE 1)是一类新的微
管相关蛋白, 影响拟南芥的胚乳和胚胎发育。EDE1
的表达受细胞周期的调控, 仅仅在细胞周期的G2和
M期表达。当EDE1发生突变时, 在生长的胚胎和胚乳
中微管排列混乱, 不能发生胞质分裂, 导致有丝分裂
不能进行, 种子发育不正常。亚细胞定位分析表明,
该蛋白位于有丝分裂和胞质分裂中成膜体的纺锤体
极和纺锤体微管上, 说明EDE1影响有丝分裂中的微
管排列(Pignocchi et al., 2009)。利用酵母双杂交技
术, 以EDE1为诱饵蛋白筛选拟南芥cDNA文库, 发现
无论在体内还是体外, 14-3-3μ与EDE1都能够发生相
互作用(Pignocchi and Doonan, 2011)。14-3-3可能
在细胞周期中调控EDE1活性, 从而调节与细胞周期
相关的微管动态变化, 影响细胞分裂。
4 结语
14-3-3蛋白是真核生物体内普遍存在的多基因编码
蛋白质家族, 既具有多种同源或异源异构体, 又具有
高度的保守性, 其独特的分子结构决定了它的主要功
能是参与蛋白质-蛋白质之间的相互作用, 包括刺激
或抑制酶的活性、作为蛋白与蛋白之间的桥梁、调节
蛋白在细胞中的位置等。14-3-3蛋白是一类重要的调
节蛋白, 在植物生长发育和代谢及其相关的信号转导
中发挥至关重要的作用。近几年来, 有关植物14-3-3
蛋白的研究已取得了很大进展(例如14-3-3蛋白在种
子萌发、基础碳氮硫代谢、质子泵和离子通道活性控
制以及在信号转导等方面的调节作用), 使之成为生
物化学及信号途径研究领域中的前沿课题。但是 ,
14-3-3蛋白与一些蛋白之间的相互作用机制仍然不
清楚。与拟南芥和水稻等模式植物相比, 14-3-3蛋白
在一些重要农作物(如棉花、小麦(Triticum aestivum)
和玉米(Zea mays)等)中的研究仍很少, 有待进一步
深入。而且, 在实践中如何通过改变14-3-3蛋白的活
性来调节和影响植物发育代谢相关的信号通路, 以提
高作物的品质和产量, 尚有待进一步研究探讨。利用
RNA干扰和基因过量表达技术 , 可以改变特异性
14-3-3蛋白同工型的表达水平来研究其调节功能。通
过14-3-3磷酸化调节靶蛋白活性的研究, 把植物细胞

62 植物学报 47(1) 2012
内单一的信号网络化, 将丰富我们对14-3-3蛋白参与
的植物信号转导网络的认识, 从而揭示14-3-3蛋白对
植物生长发育和代谢的分子调控机制。
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Roles of 14-3-3 Proteins in Regulating Plant Development
Ying Zhou, Bingying Li, Xuebao Li*
Hubei Provincial Key Laboratory of Genetic Regulation and Integrative Biology, College of Life Sciences, Central China
Normal University, Wuhan 430079, China
Abstract 14-3-3 proteins are a highly conserved acidic protein family present in all eukaryotic cells. Different isoforms of
14-3-3 proteins have different specificities in cells and can interact with target proteins by recognizing specific
phosphorylation sites in the targets; these are known as “bridge proteins”. In plant development, 14-3-3 proteins
interacting with other proteins regulate phytohormone signal transduction, metabolism regulation, nutrient transportation
and response to light signaling, for example. Here, we summarize recent studies of the roles of 14-3-3 proteins in
regulating plant development, especially phytohormone signal transduction.
Key words 14-3-3 protein, plant development, protein-protein interaction, regulation
Zhou Y, Li BY, Li XB (2012). Roles of 14-3-3 proteins in regulating plant development. Chin Bull Bot 47, 55–64.
———————————————
* Author for correspondence. E-mail: xbli@mail.ccnu.edu.cn
(责任编辑: 白羽红)