全 文 ：植物生理学通讯 第41卷 第5期，2005年10月 669
植物新型肽类生长调节物质——植物磺肽素
陈新建* 杨艳会 陈军营 崔党群
河南农业大学农学院，郑州 450002
A New Peptide Plant Growth Regulation Substance, Phytosulfokine (PSK)
CHEN Xin-Jian*, YANG Yan-Hui, CHEN Jun-Ying, CUI Dang-Qun
Department of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
提要 植物磺肽素是近年来在植物中发现的一种新的磺化短肽类生长调节物质。文章对植物磺肽素的发现及命名、生理
作用、生物合成途径、作用机制及应用前景作了简要的介绍。
关键词 植物磺肽素；生理效应；生物合成
收稿 2005-01-21　　修定 2005-08-01
资助 国家转基因植物及商品化专项基金(JY03-B-19-02)和
河南省杰出人才创新基金(022100090)。
*E-mail: xinjian1@yahoo.com, Tel: 0371-63978318
植物是否像动物那样存在着肽类生理活性物
质，一直是植物科学家感兴趣的问题。自1991年
Pearce等[1]从受伤的番茄叶片中分离出了一种由18
个氨基酸组成的与植物伤害信号转导有关的系统素
(systemin)之后，才确信植物中确实存在着肽类生
理活性物质。近年来，已从多种植物中分离得到
十多种肽类活性物质[2]，它们调节着植物正常的
生长发育。自1996 年日本学者Matsubayashi 和
Sakagami[3]发现并命名植物磺肽素(phytosulfokine，
PSK)——一种短肽类活性物质至今，PSK 由于其
在许多方面具有植物生长调节物质的属性而引起广
泛关注。本文就近几年 PSK 研究中取得的令人瞩
目的成就作一简要介绍。
1 PSK的发现与命名
自20 世纪 80 年代末，有人在条件化培养基
(conditioned medium，CM)中发现了能促进有丝分
裂的“活性因子”，并对其性质进行了描述。如
在玉米细胞系中它是高度亲水的中性物质；在胡
萝卜细胞系中，它是高度亲水的热稳定的物
质[3]。由于当时实验技术条件所限，没能分离鉴
定出CM 中的活性因子。日本学者 Matsubayashi
和Sakagami[3]在用石刁柏的叶肉细胞悬浮培养时，
发现植物细胞密度对培养细胞的分裂和增殖有很大
的影响。在低于一定细胞密度时，细胞不能分裂
和增殖，但当加入曾被使用过的所谓条件化 C M
培养基(即曾培养过一定的较高细胞密度的培养基)
后，会诱导植物单个细胞增殖。由此推测，C M
培养基中可能存在着某种能够刺激细胞分裂的
“活性因子”。他们进一步研究表明：C M 中的
“活性因子”是热稳定的，在链霉蛋白酶的作用
下易分解，初步判断此“活性因子”为肽类物
质；在糖苷酶的作用下很稳定，说明此肽中没含
糖侧链。在此基础上，采用 DEAE-Sephadex 层
析、高压液相色谱(HPLC)、质谱(MS)等技术从
C M 培养液中分离得到 2 种“活性因子”：其一
由5个氨基酸组成，命名为植物磺肽素a (phyto-
sulfokine-a, PSK-a); 其二由4个氨基酸组成，命
名为植物磺肽素b (phytosulfokine-b, PSK-b)。这
两种多肽都含有2个酪氨酸(tyrosine)，且皆被硫
酸磺化呈 -Tyr-SO3H 结构，形成磺化的酪氨酸残
基，其分子结构式分别为磺化的五肽[ H - T y r
(SO3H)-Ile-Tyr(SO3H)-Thr-Gln-OH]和磺化的四
研究通讯 Research Letter
图1 PSK的分子结构
植物生理学通讯 第41卷 第5期，2005年10月670
肽[H-Tyr(SO3H)-Ile-Tyr(SO3H)-Thr-OH] (图1)。
接着，Matsubayashi等[4]从培养水稻细胞的悬浮培
养液中提取了这类物质，并鉴定其结构与起初在
石刁柏的叶肉细胞中发现的PSK-a 和PSK-b 结构
相同。在同一实验中，他们用化学方法合成了
PSK-a 和 PSK-b，并把化学合成的 PSK 加入到低
密度植物细胞的培养液中，发现植物细胞受到
PSK 的刺激而快速生长和增殖，与石刁柏叶肉细
胞 CM 培养基中的 PSK 的生理效应相同，从而进
一步证明 PSK 可以促进不同密度的植物细胞的生
长和增殖。之后，在玉米、胡萝卜、松树、番
茄、石刁柏、水稻、烟草、鱼尾菊和日本柳杉
等多种植物中发现 PSK 的存在。说明 PSK 广泛存
在于不同植物中。
PSK 作为“活性因子”，普遍存在于单子叶
植物和双子叶植物中。其类似物如磺化氨基酸、
磺化二肽、磺化三肽、磺化四肽和在 Tyr 不同部
位磺化的产物，均不及 PSK 的活性[5]。
沈世华和朱至清[ 2 ]将 P S K 译为“植物硫
素”。我们认为此译名值得商榷。其一，植物
硫素容易和植物营养元素—— 硫元素相混淆，而
不能表示为植物生长调节物质或植物激素；其
二，此物质为四肽或五肽，用“植物硫素”不
能反映其肽的属性；其三，名词“硫化”和“磺
化”在概念上有一定的差别，一般认为，在无
机物上加“硫酸”为硫化，在有机物上加硫酸
为“磺化”，P S K 显然为后者。鉴于此，我们
认为应翻译为“植物磺肽素”为妥，所以本文
均以“植物磺肽素”为phytosulfokine的中文名,
简写为 P S K。
植物体内发现这样的短肽类生长调节物质，
是一个饶有兴趣的问题，因为多年来植物学家一
直在争论，植物体内是否也存在着像动物肽激素
那样的生理活性物质。继系统素等肽类生理活性
物质发现之后，PSK 的发现又进一步对这一问题
给出了肯定的回答，也为植物生长调节物质的研
究开辟了一个新领域。
2 PSK的生理效应
PSK 的研究尚处于起步阶段，许多生理效应
尚未验证。现就目前所取得的实验结果概述如
下。
2.1 促进悬浮细胞生长和增殖 PSK最显著的生理
效应是促进悬浮细胞的生长和增殖。Matsuba-
yashi和Sakagami[3]在石刁柏叶肉细胞悬浮培养时
发现：起始细胞密度对悬浮培养细胞的有丝分裂
活动有很大影响，当细胞密度为4.0×104 个 ·mL-1
以下时，细胞基本不能增殖。用4.0×104 个 ·mL-1
作为起始细胞密度，在含不同浓度 CM 的培养基
中培养。由于 CM 中含有活性因子(PSK)，使原
本由于细胞密度不够而不能增殖的细胞具有了生长
和增殖能力，且随着 CM 含量的增加而有丝分裂
能力增强。采用 HPLC 等技术，可以计算出所添
加的 CM 中 PSK 的含量。由于此反应的专一性和
灵敏性，使之成为一种有效的 P S K 生物鉴定技
术。通过这种方法测试，发现 C M 培养基中的
PSK-a 最小作用浓度为 10×10-9 mol·L-1，ED50 为
3 . 8 ×10 - 9 m o l ·L - 1；P S K - b 最小作用浓度为
1.0×10-8 mol·L-1, ED50 为 3.7×10-8 mol·L-1。
Matsubayashi等[4]用浓度为10-8 mol·L-1的PSK-a培
养的水稻原生质细胞也同样受到强烈地刺激而增
殖。
2.2 促进导管分化和胚性细胞形成 Matsubayashi
等[6]发现，在PSK 的最适作用浓度为10-9 mol·L-1
时，可以促进鱼尾菊叶肉细胞导管的分化。Hanai
等[7]在胡萝卜的组织培养中，加入 PSK 可以明显
地促进体细胞胚的形成。Igasaki等[8]发现，在有
聚乙二醇(PEG)存在的情况下，PSK可以加速日本
柳杉胚性细胞的发育进程并强烈地刺激体细胞胚的
形成。由 PSK 诱导所形成的体细胞胚可以正常地
分化出子叶、胚轴、根和幼苗。
2.3 调节花粉的群体效应 Chen等[9]把不同密度烟
草花粉粒进行悬浮培养时，发现花粉萌发的频率
随着花粉粒密度的增加而增大。当花粉细胞密度
低于 625 粒 ·mL-1 时，花粉几乎不能萌发。当在
不能萌发的低密度的花粉培养液中加入CM培养液
(来自花粉粒的密度1×104粒·mL-1培养12 h的培养
基)时，花粉萌发量显著增多。用酶联免疫吸附
技术可以测定出所用的 CM 培养液中 PSK-a 的浓
度为4×10-10 mol·L-1。这表明PSK-a在花粉群体效
应中起调节作用。　
2.4 提高植物的耐热性 Yamakawa等[10]用PSK-a
处理拟南芥幼苗时，发现在高夜温下，处理过的
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幼苗叶片生长势与未做处理的有明显差异。在夜
间高温条件下处理的叶片和常温下的叶片生长势相
同，而未做处理的拟南芥的生长势明显减弱。用
PSK 的类似物，磺化的酪氨酸和其它的植物细胞
分裂素处理时，高温下绿叶的生长势均不及 PSK
处理的效果。这说明 PSK 不仅能促进细胞增殖，
而且还可增强植物的耐热性。
3 PSK的生物合成
为了探寻 PSK 的基因，Yang 等[11]构建了 10
天龄水稻幼苗的 cDNA 文库。根据 PSK 的氨基酸
的序列，推测并合成了96种寡聚核苷酸(15个)序
列，并用同位素32P标记的这些寡聚核苷酸作为探
针，在文库中筛选阳性克隆。得到的阳性克隆经
过测序找到了水稻 PSK 前体物的基因——OsPSK。
OsPSK 的 cDNA 中共有 725 个碱基对，其中 5端
非编码区有 16 个 GA 重复，PSK 的前体物含有 89
个氨基酸，分子量为9.8 kD，等电点为6.48。在
它的N末端是一个由22个疏水氨基酸残基组成的
可以解离的肽段，此肽段具有明显的信号肽的特
征。PSK-a 产生在其前体物序列内近 C 末端的位
置上。他们进一步分析表明: OsPSK含有2个外显
子和1个内含子，氨基酸的80~84 个残基为PSK-
a 序列，位于第 2 个外显子的－ COOH 末端的第
5 个氨基酸残基处。在其 cDNA 序列的上游，有
几个内在的调控因子，包含 1 个 CAAT- 盒、3 个
CCAAT- 盒、1 个类似增强子核心序列和 3 个 E-
盒。用其上游序列的不同长度与报告基因(GUS)
融合构建了植物表达载体。转化水稻后，测定
GUS的活性时见到，在距转录起始点1.9 kb处报
告基因表达达最高水平。PSK 前体物基因的启动
子为组成性表达，并且强度明显超过 CaMV35S。
Yang等[12]曾在拟南芥中克隆出4个 PSK基因
(AtPSK)。最近，在GenBank 已有小麦、石刁柏、
拟南芥、芸薹、日本柳杉、茄属、玉米、高
粱、松树、松叶菊、树棉、大豆、红花菜豆、
胡萝卜和鱼尾菊等多种植物中 PSK 前体物的基因
序列登录。测序结果表明不同植物中 PSK 基因序
列差异性较大。
在动物细胞中，蛋白质翻译后酪氨酸O-位的
磺化是非常普遍的现象。催化这一反应的是酪氨
酰蛋白磺基转移酶(tyrosylprotein sulfotransferase，
TPST)。Hanai 等[13]根据动物中的研究结果，建
立了植物 TPST 的体外研究系统。根据水稻 PSK
前体物的基因序列，人工合成了十四肽作为酶作
用的底物，以植物不同膜组分作为酶源加入上述
分析系统中，结果发现：在水稻、石刁柏、胡
萝卜微粒体膜组分表现出 TPST 活性。在 PSK 五
肽两端的酸性氨基酸(均为天门冬氨酸)残基在Tyr
磺化中起关键作用。他们还进一步研究发现，石
刁柏的 TPST 是一个膜结合蛋白，定位于高尔基
体上，其最适pH值范围较宽，在7.0~8.5范围内
都有活性，在锰离子存在时表现出最大活性。
TPST 作为一种新型植物磺基转移酶，在植物中
尚属首次发现，这也为植物体内蛋白质翻译后修
饰的研究增加了新的内容。
在PSK前体物的氨基末端有一个疏水22个氨
基酸的信号肽，这一信号肽在动物活性肽和动物
肽激素中广泛存在，而目前在植物中已鉴定出的
信号肽仅有 4 种：系统素、PSK、CLAVATA3 和
SCR/SP11[14]。信号肽 PSK前体物也可能像动物肽
激素那样为内肽酶分解，其细节还不清楚。实验
证明PSK-b 来源于PSK-a 的外肽酶降解。其整个
生物合成的轮廓途径大致如图 2 所示。
4 PSK的作用机制
4.1 PSK 受体 为了深入研究 PSK 的作用机制，
Matsubayashi和Sakagami[15]分别用水稻细胞、胡
萝卜细胞和烟草(BY-2)细胞进行培养，并提取其
细胞质膜，作为实验材料，用化学合成放射性同
图 2 PSK的生物合成途径[11～14]
白色箭头表示尚未研究的领域。
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位素标记125I-PSK-a的类似物(125I-AS-PSK-a)作为
激素供体，把125I-AS-PSK-a加入到水稻质膜提取
成分中，经过温育后用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳
分离质膜蛋白。在所测试的 3 种植物中都发现了
120和 160 kD特定的蛋白质结合谱带。测定其亲
合力得出这两种蛋白的表现Kd值分别为5.0和5.4
nmol·L-1。用3H 作为放射性同位标记的 PSK-a 处
理胡萝卜、玉米、芦笋和番茄质膜细胞发现时也
有受体蛋白存在，说明 PSK 受体普遍存在于高等
植物中。
Matsubayashi等[15,16]用亲和层析的方法从胡萝
卜微粒体部分中提纯到一个分子量为120 kD的膜
蛋白。此蛋白可以和 PSK 特异地结合，其 cDNA
编码一个1 021个氨基酸残基的受体激酶。此酶由
胞外(extracellular)富含亮氨酸的重复序列(leucine-
rich repeat，LRR)部分、1个跨膜的结构域和1个
胞质激酶结构域组成。其中，在胞外富含亮氨酸
的重复序列部分含有 21 个 LRR 首尾相接的序列，
每个 LRR 又有 24 个氨基酸残基。在第 18 个 LRR
中另含有一个 36 个氨基酸的相对独立的结构域。
这一结构域也存在于油菜素内酯(BR)受体 BRI1
中，且是受体作用的关键部位。将此激酶在胡萝
卜中超量表达，会使转基因的愈伤组织在 PSK 存
在的情况下生长加快，同时，与放射性同位素标
记3H-PSK-a 的结合位点大量增加，从而证明PSK
和这一受体激酶为一配体 - 受体对。
PSK 与受体结合时并不是每个部位都同等重
要。Matsubayashi和Sakagami[3,15]用PSK-a的类似
物与受体结合的研究结果表明：PSK-a 的－COOH
末端的2个氨基酸残基在PSK与受体结合时不起作
用，而起关键作用的是 NH2 端磺化的三肽，且第
1个磺化的酪氨酸Tyr1比第2个磺化的酪氨酸Tyr3
的作用更大，未磺化的酪氨酸没有活性。由此也
可以看出，PSK 的活性部位位于 NH2 端磺化的三
肽 上 。
4.2 PSK与IAA和CTK之间的关系 为了研究PSK
的生理活动是否受 IAA 和 CTK 的影响，Matsu-
bayashi等[17]建立了竞争性酶连接免疫吸附分析体
系。他们把石刁柏叶肉细胞悬浮培养在含有a-萘
乙酸和 6- 苄基嘌呤的培养基溶液中，48 h 后有
PSK-a 的产物发现，96 h 后细胞才分裂。这说明
细胞分裂是在PSK-a 出现之后才进行的。但当培
养基中去掉这两种植物激素的任何一种时，PSK-
a 的含量大大下降。他们同时用一个荧光染料和
微密度计量方法测定了由PSK-a 启动的细胞循环
进程。当把石刁柏叶肉细胞从活体中取出时，细
胞处于 G0/G1，只有在培养基溶液中同时存在 a-
萘乙酸、6- 苄基嘌呤和 PSK-a 三因子时，细胞
循环进程才能启动。这些结果表明，PSK-a 的产
生和生物活性的表达与生长素和细胞分裂素调节的
信号传递途径密切相关。
在培养悬浮细胞时，即使在IAA/CTK 充足的
条件下[17]，细胞脱分化的相对速率也受细胞密度
严格控制，这说明在此途径中还存在着其他的胞
内信号。在细胞悬浮培养液中，浓度为 10×10-9
mol·L-1 的 PSK，可以克服由于细胞密度不一所造
成的细胞分裂相对速率的差异。据此认为，PSK
显然就是这种胞内的信号，或者是其中的一种。
在 nmol·L-1 水平的浓度下，PSK 可以和 IAA/CTK
一起调节植物细胞的脱分化和再分化。由此可
见，PSK 与 IAA 和 CT K 间的关系是复杂的，尚
待进一步研究。
5 PSK的应用
由于植物细胞的增殖受到起始细胞密度的严
格控制，在起始细胞密度较低的愈伤组织或悬浮
培养细胞的繁殖与保存一直是一个棘手的问题。
例如，在某些植物转基因时，经抗生素严格筛选
后所存活下来的少量的转基因细胞的增殖与分化十
分困难，从而影响转基因技术的应用。Matsubayashi
等[18]在用农杆菌介导胡萝卜胚轴基因转化时，于
选择性培养基中加入10-8 mol·L-1 PSK后的结果表
明：转基因细胞的恢复力从未经转基因细胞的7%
增加到 39%，恢复能力提高了 5 倍。在用 PSK 的
处理中，大多数细胞分化，并形成正常的幼苗、
子叶和根，最终长成植株。这是植物磺肽素 PSK
首次成功地应用于转基因技术领域，由于 PSK 在
转基因时有特殊的生理作用，作者形象比称之为
“化学护理”(chemical nursing)。
6 结语
近几年来，日本 Matsubayashi 研究小组对
PSK 连续做了大量的工作，取得了可喜的成就，
已经初步显示出 PSK 有植物肽类激素的属性。由
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于 PSK 的研究还刚刚起步，因此尚未引起广泛关
注。虽然先后在玉米、胡萝卜、番茄、石刁柏、
水稻、烟草、鱼尾菊和日本柳杉等植物中已经发
现其存在，但还不足 10 种，因此，就其广泛性
上受到人们的质疑，而且，目前 PSK 的工作仅限
于日本学者Matsubayashi的研究小组，尚未见到
其它实验室的工作。因此，对 PSK 的认知仍需大
量发掘与验证。植物体内是否普遍存在 PSK 或其
类似生长调节物质？它们是否是植物生长育过程中
所必需的？在植物细胞生长和增殖中是否起主导作
用？它通过怎样的生理机制引起细胞生长和增殖？
PSK前体基因表达是如何调控的？前体物的磺化处
理和内肽切割是怎样进行的？ PSK 的运输途径又
是为何？这一系列问题都待进一步研究。
值得注意的是，蛋白质的磺化在动物中是普
遍存在的，磺化是 TPST 催化下进行的，磺化后
的蛋白质与分子识别有关。在植物中，蛋白或短
肽的磺化目前仅发现此 1 例，催化这一反应酶的
研究还刚刚起步，仅测到活性，而对其蛋白及其
基因的分离鉴定尚未见报道。植物磺化反应的广
泛性、意义和机制也可能成为今后植物生理与分
子生物学领域中研究热点之一。
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