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G A 信号转导



全 文 :植物生理学通讯 第42卷 第5期,2006年10月 961
G A 信号转导
许传俊1,2 李玲1,*
1华南师范大学生命科学学院,广东省植物发育重点实验室,广州510631;2福建省亚热带植物研究所,福建厦门361006
Gibberellin Signal Transduction
XU Chuan-Jun1,2, LI Ling1,*
1College of Life Science, Guangdong Key Laboratory of Biotechnology for Plant Development, South China Normal University,
Guangzhou 510631, China; 2Fujian Institute of Subtropicial Botany, Xiamen, Fujian 316006, China
提要 文章概述了赤霉素(GA)调节植物生长和发育的信号转导研究进展。
关键词 赤霉素;信号转导;DELLA 蛋白;SCF E3 复合体
收稿 2006-03-13 修定  2006-07-24
资助 广东省科技计划(2005B20901019)和广东省自然科学基
金(05300272)。
*通讯作者(E-mail: liling@scnu.edu.cn, Tel: 020-
85211378)。
赤霉素(gibberellin, GA)属于一种四环双萜类植
物激素,参与植物生长和发育的所有过程,包括
种子萌发,下胚轴伸长,根、茎、叶和果实的
生长,花的诱导,花和种子发育,开花,发育
阶段转换等(Hartweck和Olszewski 2006;Fleet和
Sun 2005)。植物接受GA 信号,影响基因的表达
从而控制植物的发育。迄今,在高等植物中鉴定
和筛选 GA 信号途径上游的一些组分,以及调节
GA 反应基因的作用因子方面已经取得显著的成
就。最近,水稻中 GA 信号转导途径的研究又取
得了突破性进展,Ueguchi-Tanaka等(2005)鉴定出
的 1 个 GA 受体,对进一步揭示 GA 的信号传导途
径和了解植物激素如何调控植物发育将是一个推
动。本文就近年在 G A 信号途径中的调节因子、
GA 的信号转导及 GA 与其他植物激素间相互作用
的研究进展作介绍。
1 GA 信号途径的正、负调节因子
GA 响应突变体分 2 类:一类是 GA 反应组成
型突变体,植株细长浅绿,相似于过量 GA 处理
下野生型植株表型;另一类与 GA 信号转导途径
损坏有关,表型与 GA 合成突变体相似,植株矮
化,叶色墨绿,叶子紧凑,有些育性降低,在
GA 处理后不能恢复其野生型的表型。通过 GA 响
应突变体的筛选和研究,已鉴定出许多 GA 信号
途径正负调控因子(表 1)。
1.1 GA信号途径的正调节因子 D1 (dwarf1)水稻
基因编码 G 蛋白 a 亚基。D1 突变体半矮化,叶
片浓绿,d1/slr1双突变体呈现slr1突变体的表型,
表明SLR1 (slender rice1)在D1下游起作用。D1
在 GA 信号中起正调节作用(Gomi 和 Mastuoka
2003;Ashikari等 1999),但是 d1突变体呈半矮
化表型,且没有完全失去 GA 信号反应,这表明
可能有不经过 G 蛋白的 G A 信号转导途径存在
(Ueguchi-Tanaka等2000)。
SLY1/SNE/GID2为拟南芥SLY1 (sleepy1)和水
稻GID2 (GA-insensitive drawf2)基因编码高度同源
的F-box蛋白(McGinnis等2003;Sasaki等2003),
可能是泛素E3连接酶 SCF (SKp、cdc53/cullin、
F-box)复合体的一个亚基。sly1和gid2功能失活
的突变体都表现出对GA不敏感的矮化表型,sly1-
10和gid2突变体内RGA (repressor of gal-3)、GAI
(GA-insensitive)和SLR1积累增加(McGinnins等
2003;Sasaki 等 2003),且 GA处理不能降低这2
个突变体内 RGA、GAI 和 SLR1 蛋白水平。功能
获得的sly1-d (gar2-1)突变体通过增加F-box蛋白
与 DELLA 的亲和性降低 DELLA 蛋白水平(Fu 等
2004;Dill 等 2004),而且 SLY 直接与 DELLA 蛋
白 RGA 和 GAI 作用(Dill 等 2004)。拟南芥 SNE
(SNNEZY)编码与 SLY1高度同源的F-box蛋白,在
专题介绍 Special Topics
植物生理学通讯 第42卷 第5期,2006年10月962
sly1-10突变体中,SNE过表达可以降低RGA的积
累,说明它与 GA 信号有关,在没有 SLY1 转录
时,SNE 基因可以替代 SLY1 在 GA 信号中的作用
(Strader等2004)。
PHOR1 (photoperiod-responsive)是从马铃薯中
克隆到的基因,其转录水平在短日照条件下增
加,使用反义的 PHOR1 可抑制马铃薯中 PHOR1
表达,从而降低对 GA 的反应,PHOR1 过表达则
表现为下胚轴伸长以及 G A 反应提高,说明
PHOR 1 在 GA 信号中起正调节作用(Ama d o r 等
2001)。PHOR1-GFP 融合蛋白出现在细胞核中,
推测出的PHOR1蛋白N端有一个U-box区(与UFD2
同源),可能是泛素 E3 连接酶的组分,在 GA 诱
导的 DELLA 蛋白降解中起作用(Monte 等 2003;
Gomi和 Matsuoka 2003)。
1.2 GA信号途径的负调控因子 功能失活的GA负
调控因子突变体表现隐性纤细表型,而功能获得
的突变体则表现为半显性矮化表型(表1) (Gomi和
Matsuoka 2003)。根据 GA负调控因子可分2类:
一类不与 DNA 结合,如拟南芥 SPY 蛋白、DELLA
蛋白家族;另一类为与启动子序列结合,如拟南
芥锌指蛋白 SHI、大麦与 GA 响应元件 GARE 结合
的锌指蛋白 HRT、水稻 WRKY71 蛋白(Zhang 等
2004)。
SPY (spindly)是第1个发现的GA信号负调控
因子,spy 为组成型不敏感型突变体,隐性突变
能部分恢复gal-3 的所有表型,表明SPY 抑制 GA
信号转导的早期步骤。与 SPY 同源的大麦 HvSPY
可抑制GA诱导的a-淀粉酶基因的表达(Robertson
2004)。SPY 序列与动物的氧连 N- 乙酰葡萄糖胺
转移酶(O-lined GlcNAC transferase,OGT)高度相
似(Jacobsen等 1996),OGT酶的作用位点为富含
Ser/Thr 区,通过O- 键将 UDP-GlcNAc 的 GlcNAc
转移到目标蛋白的 Ser/Thr 残基上。由于 RGA 和
GAI蛋白所含S/T区是 OGT的作用位点,所以SPY
可能通过激活 RGA 和 GAI 抑制 GA 信号途径的转
导,目前,在大麦糊粉层中已经鉴定出2个与SPY
作用的下游因子:HSINAC 和 HSImyb,分别属
于 NAC 和 myb 2 个基因家族,是 HvSPY 下游转
录因子,通过激活其他负调节因子负调控 GA 诱
导的反应(Robertson 2004)。
DELLA 蛋白是 GA 信号途径的一类抑制子(表
1),如拟南芥 GAI/RGA/RGL、水稻 SLR1、大
麦 SLN1、玉米 D8、小麦 RHT、白菜 BrRG A 以
及葡萄(VvGAI),在高等植物中高度保守,属于
GRAS蛋白家族(Dill等 2004)。C端十分保守,在
N 端有 2 个高度保守区域,称为 DELLA 和 VHYNP
(图 1)。序列分析表明,DELLA 蛋白可能是转录
调节因子,含有磷酸化或糖基化位点的多聚Ser/
Thr 基序、调节蛋白与蛋白相互作用的亮氨酸重
表1 GA响应突变体和GA信号转导中的正负调节因子
GA 响应突变体 表型 在GA信号转导中的作用 蛋白 植物 参考文献
d1 G A 不敏感,矮化 正调节因子 G 蛋白 a亚基 水稻 Ashikari等1999
sly1-10 G A 不敏感,矮化 正调节因子 F-box蛋白 拟南芥 McGinnis 等 2003
gid2-1 G A 不敏感,矮化 正调节因子 F-box蛋白 水稻 Sasaki等2003
phor1 G A 不敏感,矮化 正调节因子 U-box 蛋白 马铃薯 Amdaor 等 2001
pkl 减少 G A 反应,矮化 正调节因子 CHD3 染色体重组因子 拟南芥 Ogas 等 1999
gai-1 G A 不敏感,矮化 负调节因子 DE L L A 蛋白 拟南芥 Peng 等 1997
Rga-D17 G A 依赖 负调节因子 DE L L A 蛋白 拟南芥 Dill等2001
slr1 G A 不敏感,纤细 负调节因子 DE L L A 蛋白 水稻 Ikeda等 2002
sln1 G A 不敏感,纤细 负调节因子 DE L L A 蛋白 大麦 Chandler等 2002
VvGAI G A 不敏感,矮化 负调节因子 DE L L A 蛋白 葡萄 Boss 和 Thomas 2002
Rht G A 不敏感,矮化 负调节因子 DE L L A 蛋白 小麦 Peng 等 1999
d8 G A 不敏感,矮化 负调节因子 DE L L A 蛋白 玉米 Peng 等 1999
Brrga1-d G A 不敏感,矮化 负调节因子 DE L L A 蛋白 白菜 Muangprom 等 2005
shi G A 不敏感,矮化 负调节因子 锌指蛋白 拟南芥 Fridborg等1999
HRt G A 不依赖 负调节因子 锌指蛋白 大麦 Raventos 等 1998
spy G A 不敏感,纤细 负调节因子 O G T 蛋白 拟南芥 Jacobsen等1996
gid1 G A 不敏感,矮化 GA 受体 HSL蛋白(未确定) 水稻 Ueguchi-Tanaka等 2005
植物生理学通讯 第42卷 第5期,2006年10月 963
复区(LHR)、核定向信号(NLS)和 SH2 磷酸酪氨酸
结合区。有研究发现,D E L L A 的融合蛋白出现
在细胞核;但在 DELLA 蛋白上没有鉴定出明显的
核 DNA 结合区,它们可能通过与结合到 DNA 上
的转录因子作用起共同激活或抑制作用(Sun 和
Gubler 2004)。
2.2 GA 诱导 DELLA 蛋白的降解 GA 通过泛素/
蛋白酶途径诱导 DELLA 蛋白降解,解除 DELLA
蛋白对下游因子的抑制(Gomi和 Matsuoka 2003;
Itoh等2002;Gubler等2002;Fleet和Sun 2005)。
有研究表明,DELLA 蛋白 N 端的 DELLA 和 VHYNP
区对 GA 诱导的蛋白降解是必需的,DELLA 区缺
失或发生点突变导致突变的蛋白对GA诱导的降解
不敏感(Gubler 等 2002;Itoh 等 2002;Dill 等
2001)。拟南芥功能获得的gai-1突变体编码的GAI
蛋白在 DELLA区缺少 17个氨基酸(Peng等 1997),
表现出对 GA 不敏感的矮化表型。DELLA 区缺失
的小麦矮化突变体rht、DELLA区内发生1个氨基
酸突变的大麦sln1和葡萄Vvgai突变体都出现对GA
不敏感的矮化表型(Boss 和 Thomas 2002;Chan-
dler等 2002;Peng等 1997)。水稻中有2个类似
SLR1蛋白——SLRL1和 SLRL2,其N端缺少DELLA
区;将SLRL1转入 slr1突变体可以改变这个突变
体的纤细表型,而导致其株高降低;过量表达则
导致矮化表型。缺少 DELLA 区的 SLRL1 不为 GA
诱导而降解(Itoh 等 2005a)。但经 GA 处理后的
RGL1 或 GAI 依然保持稳定,说明 GA 可能是通过
不同的机制调节DELLA蛋白降解(Dill等 2004)。
所有的 GRAS 家族成员中都有一个保守 GRAS
区。研究发现,在 DEL L A 蛋白 GR A S 区发生突
变的突变体大多数都是功能失活的突变体,植株
纤细,说明 C 端对 DELLA 蛋白发挥抑制功能是十
分重要的(Peng等 1997;Itoh等 2002;Gubler等
2002;Dill等2004)。拟南芥rga-1突变体和大麦
sln1c突变体的DELLA蛋白 C端分别缺失67和 18
个氨基酸后都对 GA 诱导的降解不敏感,说明它
们失去了与GA作用区域(Dill等2004;Gubler等
2002)。Muangprom等(2005)发现功能获得的白菜
Brrga1-d 突变体呈现对 GA 不敏感的矮化表型,
BrRGA 蛋白在 C 端 GRAS 区有一个保守的 Q 突变,
酵母双杂交分析表明此种突变的 BrRGA 蛋白不能
与 SLY 作用,以致对 GA 诱导的降解不敏感。因
此认为,GRAS 区对 F-box 蛋白降解 DELLA 是必
需的。业已证实,SLY1 直接与 DELLA 蛋白 RGA
和 GAI 的 C 端 GRAS 区作用,导致 DELLA 蛋白
被泛素 /26S 蛋白酶体降解。SLY1 的作用不依赖
N 端 DELLA 区,但 N 端对 GA 信号的接受是必需
图1 DELLA蛋白的结构示意(Sun和Gubler 2004)
2 GA信号转导
2.1 GA信号受体 大量的研究认为,膜上存在GA
受体。Hooley等(1991)用固定在葡聚糖颗粒上的
GA 培养燕麦的糊粉层细胞原生质体和完整的细
胞,证实膜上存在接受 GA 信号的受体,但此受
体一直没有分离鉴定出来。近年来,G A 受体的
研究取得重大突破,Ueguchi-Tanaka等(2005)发
现,水稻的 GA 不敏感矮化突变体 gid1 编码可溶
性 GA 受体。gid1 突变体完全没有 GA 反应,经
G A 处理的糊粉层细胞,不能诱导 a- 淀粉酶表
达,对第 2 节叶节的伸长没有促进作用,而且此
突变体内大量积累有生理活性的 GA。研究表明,
GID1 基因编码类似 HSL 蛋白,GID 和 GID 类似
蛋白虽然都缺少HSL蛋白催化必需的His残基,但
都含有HSL蛋白催化位点所需的Asp和 Ser残基,
推测这是 GA 结合的位点。GID1 对具生理活性的
GA 亲和性高,而发生突变的 GID1 不能与 GA 结
合,说明 GID1 与 GA 结合是 GA 反应所必需的。
gid1 突变体积累 SLR1,表明 GID1 位于 SLR1 上
游,分析发现 GID1 直接与 SLR1 作用,并且依
赖于 GA,可能是 GID1 将 GA 信号传递给 SLR1,
导致SLR1被降解。由于糊粉层细胞对显微注射进
细胞内的 GA 没有反应,所以推测 GA 与 GID1 在
质膜外结合,然后将 GA 信号传递到胞内;而且
GID1融合蛋白在细胞核内出现,也有些信号出现
在胞质中,猜测 GID1 有可能与质膜相连,但目
前尚未发现GID1有跨膜区域,因此需进一步研究
G I D 1 接受 G A 的位点、G I D 1 的定位以及功能
(Hartweck和Olszewski 2006)。
植物生理学通讯 第42卷 第5期,2006年10月964
的,可能是 N 端在接受 GA 信号后 DELLA 蛋白构
型发生变化,使其为SCFSLY1E3 复合体识别而降解
(Dill等2004)。
拟南芥和水稻的F-box 蛋白 SLY1/SNE/GID2
通过调节 GA 反应组分的稳定性而调节 GA 反应。
在动物和酵母中,目标蛋白的磷酸化是重要的修
饰方式,它可启动降解过程。有实验证实,N 端
DELLA/VHYNP 和多聚的 S/T 区的 Ser 残基是降解
DELLA 蛋白进行磷酸化的位点(Itoh 等 2005a)。
Hussain等(2005)也证实, RGL2蛋白磷酸化位点是
在保守的 Ser/Thr 残基上。研究表明,在 GA 反
应中,DELLA 蛋白磷酸化可导致 DELLA 蛋白的
降解,SLY1 与 GAI 的作用强弱取决于 GAI 的磷
酸化(Fu 等 2004)。GA 可提高水稻gid2 突变体内
磷酸化形式的SLR1积累(Sasaki等2003),而磷酸
化的 SLR1 与 GID2 在体外可以特异结合(Gomi 等
2004),说明磷酸化对降解是必需的。但也有研
究表明,SLR1 降解并不依赖于它自身的磷酸化
(Itoh 等 2005b)。这些表明,磷酸化在DELLA 蛋
白降解中的作用还待进一步研究,可能还存在另
一种降解机制。
2.3 GA的信号转导模式 GA受体的发现对深入了
解 GA 的信号途径具有重要意义。在水稻、拟南
芥和大麦中,G A 信号均导致 D E L L A 降解,
DELLA 蛋白通过作用于 SCF 复合体的 F-box 蛋白
而与泛素结合,随后经泛素/26S蛋白酶体途径降
解,解除其对下游 GA 响应基因的抑制。水稻和
拟南芥的F-box 蛋白 GID2/SLY1/SNE 均参与这个
过程(Fleet 和 Sun 2005;Hartweck 和 Okzewski
2006)。在水稻GA 信号途径中(图 2),GA 与质膜
外受体结合,通过 G 蛋白或 Ca2+ 以及 GID1 将信
号传到胞内,SLR1 即与 SCFGID2 复合体作用,从
而为泛素/26S蛋白酶体途径降解,解除DELLA蛋
白的抑制作用,进而调节植物的生长发育。马铃
薯的U-box 蛋白 PHOR1 也可能通过泛素 /E3 连接
酶参与 DELLA 蛋白的降解。拟南芥 SPY 则通过激
活 D E L L A 蛋白参与 G A 的信号调节植物的发育
(Fleet和Sun 2005)。
3 GA与其他激素信号途径的相互作用
ABA 抑制一些 GA 诱导的反应,如 ABA 正调
节的蛋白激酶 P K A B A 过表达可抑制 G A 调节的
GAMYB和a-淀粉酶基因的表达(Zentalla等2002;
Gómez-Cadenas 等 2001)。GA 也调节 ABA 的代谢
和信号转导(Ikeda等2002),拟南芥spy1-3突变体
在种子萌发时对ABA不敏感(Steber等 1998)。GA
负调控因子 HvSPY 在 ABA 信号中起正调节作用,
其作用不依赖于ABA途径(Robertson 2003)。
Swain 等(2001)发现,SPY 可能在多种植物
激素信号途径中起作用,因为他们发现有些突变
体显示出了一些 G A 处理时所没有的表型。
Greenboin-Wainberg等(2005)在拟南芥中发现SPY
在细胞分裂素的信号转导中起正调节作用,用多
种激素处理野生型拟南芥和其spy突变体后,spy
突变体中细胞分裂素所诱导的反应被抑制。
GA 可能影响生长素合成和运输,也影响乙
烯合成和反应(Ogawa 等 2003)。此外,生长素和
乙烯也影响 DELLA 蛋白稳定性,而且在盐胁迫下
A B A 和乙烯的信号都通过 D E L L A 蛋白起作用
(Achard等 2006),DELLA蛋白可能参与多种激素
的信号途径(Hartweck 和 Olszewski 2006)。
Steffens等(2006)发现,GA促进的根形成和生长
速度都依赖乙烯的信号,且此过程受 ABA 抑制,
ABA 还可抑制根形成过程中的乙烯和GA所促进的
表皮细胞程序性死亡过程。泛素/26S蛋白降解途
径参与生长素、GA 和乙烯等信号途径的蛋白降
解,且发现F-box蛋白TIR1是生长素受体(Keinski
和Leyser 2005;Dharmasiri等2005),而SCF E3
复合体在生长素、GA和乙烯等激素信号转导对话
(cross talk)中所起的作用尚需进一步探讨。
4 结语
虽然许多植物的GA信号转导途径组分已经被图2 水稻GA信号转导模式(Hartweck等2006)
植物生理学通讯 第42卷 第5期,2006年10月 965
分离鉴定,但仍存有许多问题,有待于进一步开
展对 GA 的信号受体、信号组分以及其调节的组
织特异性基因的研究鉴定,才能最终认识 GA 信
号转导途径和机制。
研究发现,GA 信号途径负调节因子 DELLA
蛋白在生长素、ABA 和乙烯信号转导中起作用,
因此研究 DELLA 蛋白在几类激素间的作用机制,
将有助于了解几大类植物激素是如何协同作用调节
植物的生长发育以及对环境的反应。
在植物激素以及光的反应途径中,都存在通
过泛素/26S蛋白酶体途径降解负调节因子解除它
们对下游基因的抑制作用,从而调节植物的发育
(Huq 等 2006)。因此,其他蛋白与负调节因子的
作用在信号转导途径中是十分重要的步骤,对这
些负调节因子的研究鉴定具有重要意义。生长素
和GA分别与核内可溶性受体TIR和 GID1结合后,
负调节因子AUX/IAA和 DELLA 蛋白通过泛素/26S
蛋白酶体途径被降解,从而解除 A U X / I A A 和
DELLA 蛋白对生长素和 GA 响应基因的抑制,因
此研究 GA 信号途径的负调节因子如何接受 GA 信
号,如何经泛素/26S蛋白酶体途径发生降解,也对
认识激素信号转导机制十分重要。另外,探讨其他
激素信号转导途径是否也存在相似的机制,这些都
对人们最终认识植物激素信号转导机制有所帮助。
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