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植物生长素的作用机制



全 文 :植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期,2004 年 10 月624
植物生长素的作用机制
吕剑 喻景权*
浙江大学园艺系, 杭州 310029
Mechanism of Auxin Action
LÜ Jian, YU Jing-Quan*
Department of Horticulture, Zhejiang University, Hangzhou 310029
提要 介绍了生长素受体、生长素诱导基因以及生长素诱导 ATPase 活化,特别对近几年来生长素信号转导的研究进展
进行了概述。
关键词 生长素; 作用机理;信号转导
收稿 2003-11-10 修定   2004-02-19
资助  国家杰出青年科学基金(30230250)。
* 通讯作者(E-mail:jqyu@zju.edu.cn, Tel:0571-86971120)。
作为植物的一种重要的内源激素,生长素参
与植物生长和发育的诸多过程,如根和茎的发育
和生长、器官的衰老、维管束组织的形成和分化
发育,以及植物的向地和向光反应等。研究生长
素的作用机制对深入认识植物生长发育的许多生理
过程有重要意义。早在上个世纪30年代有关生长
素作用机制的研究就已经开始,到60年代末、70
年代初形成两派学说,即基因表达学说和酸生长
学说。之后,随着生物化学和生物学技术的发
展,两种学说都有了新的发展,但同时其所存在
的不足之处也日益暴露。近年来,由于分子生物
学和遗传工程实验手段的广泛应用,在分子水平
上的生长素作用机制研究日益深入,尤其是生长
素信号转导途径的研究已经成为当前的热点。
1 生长素受体
植物激素受体的研究是当前植物生理学中的
一个前沿课题,在公认的五大类植物激素中,以
生长素的受体研究进展最快。生长素受体的研究
不仅有助于揭示生长素信号转导的途径,为深入
认识生长素作用机制打下基础,同时也为其他植
物激素受体的研究提供了借鉴。 作为生长素的受
体,必须具有以下两大特征:(1)与生长素之间有
很强的接合力;(2)与生长素结合后被活化,并引
起相应的一系列生理生化反应。根据这两点,说
明许多能与生长素紧密结合的物质并非均是受体。
1.1 生长素结合蛋白(ABP) 生长素受体的研究,
是从生长素结合蛋白(ABP)入手的,其中研究最
深的 ABP1 由 Inohara 等[1]克隆出来。随着有关
ABP1 的受体功能的研究逐步深入,ABP1 为生长
素的一种受体的观点已普遍得到人们的认同。
1.1.1 ABP1 在植物体内的分布 ABP1在植物器
官、组织、细胞中的分布研究很多[2~8]。Harnden
和 Jones[4]证实玉米黄化苗不同部位ABP1 含量不
同,生长迅速的部位 ABP1 含量高;Shimomura
和Watanabe[5]证明ABP1主要分布于玉米胚芽鞘表
皮中,其含量是内部组织含量的 7 倍;Napier[6]
认为 95% 以上的 ABP1 滞留在内质网上;Jones 和
Herman[7]使用单克隆抗体也证明大多数ABP1存在
于内膜系统,少量存在于高尔基体、质膜和细胞
壁的空隙中,在液泡膜上几乎没有 ABP1 的分布。
ABP1在植物体内分布的研究多以玉米的胚芽鞘为
材料,以其它植物为材料的研究并不多见。
Shimomura 等[8]分析了烟草 ABP1 的含量,证实
ABP1在双子叶植物烟草与单子叶植物玉米中以相
同水平存在。
1.1.2 ABP1行使生长素受体功能的证据 近年来,
随着对 ABP1 研究的深入,证明 ABP1 行使生长素
受体功能的证据也越来越多[9]。生长素诱导的烟
草原生质体过极化反应可为抗ABPl的抗体及抗外
源ABPl 所加强。这提示 ABPl 为细胞对生长素产
生过极化反应所必需,而且ABP1存在于质膜外表
面。这样,分子量高达 12 kD 的抗体蛋白才可与
之接触;Steffens等[10]的试验结果表明,促使原
生质体膨胀的生长素信号是由位于原生质体外的
A B P 1 感知的。并且烟草叶片培养细胞中玉米
ABP1 的超量表达能够增强细胞对生长素的敏感
性[11]。近来,对 ABP1 结构的深入研究发现,基
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于ABP1生长素结合区域D16所合成的多肽的抗体
在烟草原生质体系统上表现与生长素相似的效应
(过极化反应),该抗体在烟草原生质体的离子通
道上也表现出类似生长素的活性;在缺乏生长素
的情况下,ABP1上的D16多肽的抗体诱导包含rof
基因的原生质体产生相同的过极化反应所需的抗体
量大大减少。并且 ABPl 的 C 末端的含 13 个残基
的多肽可模拟高浓度的生长素对内向K+ 通道的失
活作用,而ABPl的部分区域则受生长素诱导变构。
1.2 存在除ABP1以外的生长素受体的可能性 尽
管越来越多的试验都证明ABP1行使生长素受体功
能,但也有一些人,其中包括被誉为“ABP1 鼻
祖”的Hertel[12]对此提出质疑。他们认为,由原
生质体上获得的数据可能并不适用于整体细胞,
因为它们的生理特性存在显著差异。生长素诱导
的反应在整体组织中的迟滞期要比离体原生质体长
得多,原生质体的过极化与完整植株中细胞壁酸
化的过极化是两个不同的过程,生长素调节 H+-
ATPase活性可能存在两条截然不同的信号转导途
径。为此,他们主张应考虑到生长素介导的反应
可能还会有其他一些途径存在,很可能存在除
ABP1 之外的其他种类的生长素受体蛋白。随着
近几年对生长素受体研究的深入,许多试验结论
证明了存在除 ABP1 以外的生长素受体的可能性。
从生长素调控细胞生长发育的生理功能来看,生
长素的浓度影响了细胞的生长:较低浓度(如 0.3
mmol·L-1)的 IAA 能够促进烟草BY-2 细胞的伸长,
对细胞分裂并无影响;在相对较高的 I A A 浓度
下,细胞分裂加快,而细胞的伸长却受到抑制[13]。
这一结果又使人产生了不同浓度水平的生长素是如
何引发不同的生理反应的疑问。解决这一疑问的
一种方法是假设生长素受体有两个不同的生长素结
合位点,一个高亲和位点,一个低亲和位点,但
是遗憾的是ABP1并不符合这一标准,因为它只有
一个高亲和位点。烟草培养细胞中ABP1的反义抑
制能够显著抑制细胞的伸长,但是,生长素所诱
导的细胞分裂却仍然得到保持[14,15]。另外,生长
素参与细胞周期[16],而 G 蛋白的 a亚基(GPA1)
则广泛参与细胞的分裂,G A P 1 的反义抑制能
够导致水稻植株矮化[17],缺失 GAP1 基因拟南
芥植株表现出细胞分裂受到抑制,而 G A P 1
超量表达的拟南芥植株则出现细胞异常分裂的
现象[18]。
2 生长素诱导的基因
用生长素处理植物的器官或组织培养细胞进
行差异筛选,已经克隆了一些生长素诱导表达的
基因[19]。其中有的基因对激素的刺激反应极快,
生长素诱导的原初基因在10 min内就可以检测到
mRNA 浓度的增加,如 GH3、SAUR 和 pIAA4/5
等。
2.1 SAUR 和 GH3 基因的特性 SAUR 和 GH3两个
基因家族是生长素的原初诱导基因的两个典型代
表[20,21]。SAUR 和 GH3 基因是从大豆的幼茎中通
过差异筛选克隆而来的。当无外源生长素的情况
下,GH3 仅在根尖、子房和发育的种子中有一定
程度的表达,而在其它的器官则不表达;当以外
源的生长素(10-7~10-4 mol·L-1)处理植物时,几乎
所有的组织和器官都有很高的表达。这说明植物
细胞中 GH3 基因表达的限量因子是生长素浓度不
够高[22]。以往的生理学研究表明,根尖、子房和
发育中的种子含有较高浓度的生长素,这进一步
说明 GH3 基因的表达是由较高浓度的生长素引起
的。SAUR 基因在茎的伸长区表达很强,而在根
或其它器官表达极低或不表达。用外源生长素处
理植物材料,能增加 S A U R 在伸长区的表达强
度,但不能在根、叶等器官中引起表达。SA U R
和 GH3 对其它激素和环境因子的刺激均无明显反
应,说明它们是生长素专一诱导的基因。外源生
长素处理植物材料几分钟后,就可以观察到
SAUR 和 GH3 mRNA 浓度的增加。Guifoyle 等[23]
的进一步试验说明,这种 mRNA 浓度的增加主要
是由于基因转录速度的增加。SAUR 基因的另外
一个特点是,蛋白质合成抑制剂可增加它的
mRNA 的积累。对 SAU R 来说,蛋白质合成抑制
剂可增加 SAUR mRNA 的稳定性,而增加 SAUR
mRNA 的稳定性必然会导致 SAUR mRNA 量的增
加。Li等[24]的试验进一步证明,蛋白质合成抑制
剂所引起的 SAUR mRNA 的稳定性与 SAUR mRNA
中的结构基因片段有关,而与两端的非编码区域
无 关 。
2.2 SAUR 和 GH3 基因的功能 目前,SAUR和 GH3
基因的功能尚不清楚。将这两种基因编码的氨基
酸序列输入基因库时,并未发现任何相似的或同
源性的蛋白,从而给这类基因功能的研究带来了
困难。有人设想通过降低或增加 SAUR 蛋白的浓
度而引起植物形态或生理上变异的方案来研究
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S A U R 蛋白的功能。如采用转基因的方法,在
SAUR 连接上强启动子如 CaMV 35S 基因的启动子
和热休克基因,然后将嵌合基因转化植物,以期
在转基因植物中增加 S A U R 蛋白的浓度;或将
CaMV 35S 基因的启动子连接 SAUR 结构基因的反
义基因,然后同样进行基因转化,以此降低转基
因植物中的 SAUR 蛋白的浓度。遗憾的是,用上
述两种方法改变 SAUR 蛋白的浓度,都未能使转
基因植物产生明显的形态或生理上的改变。另
外,也有人通过研究此类蛋白在细胞内的分布的
方法来探索其所具有的生理功能。A b e l 和
Theologis [25]成功地证明了另一种原初诱导基因
PS-IAA4 位于细胞核内。DNA 的序列分析进一步
证明 PS-IAA4 蛋白中含有和 DNA 结合的结构区
域。因此,PS-IAA4 的功能可能和生长素的次级
诱导基因的启动子发生作用并激活这些基因。
3 复杂的生长素信号转导系统
3.1 生长素信号转导作用元件 正如上面所讨论的
那样,生长素可能通过 ABP1 和一条 G 蛋白途径
来分别调控细胞的伸长和分裂。然而,信号转导
上游和下游元件仍然非常模糊。Claussen等[26]细
胞培养试验结果表明,K+ 通道参与生长素所诱导
的细胞伸长生理过程。并且,ABP1 的超量表达
能够增加保卫细胞K+ 通道对生长素的敏感性。所
有这些都说明K+ 通道在生长素调控的细胞伸长信
号转导过程中有作用。最近,Yang和 Poovaiah[27]
的试验结果为钙离子和 CaM 直接参与生长素的信
号转导提供了分子和生物化学证据。他们研究发
现,CaM 结合蛋白 ZmSA UR1 与 SAURs( sma ll
auxin up RNAs)具有序列同源性。而CaM 抗体能
够抑制生长素诱导的细胞伸长却不能抑制生长素所
诱导的 ZmSAUR1 的表达则表明,钙 / 钙调素可能
仅在生长素调节的细胞伸长信号转导中起作用。
Aux/IAA蛋白与生长素反应因子(ARF)也是生
长素信号转导中的重要元件。生物化学和分子生
物学的试验表明,Aux/IAA 蛋白可能作为转录因
子参与生长素诱导基因表达的第二时期[2 8 , 2 9 ]。
ARFs能与在初期或早期生长素诱导基因的启动子
中发现的生长素反应元件结合[30 ],并且可能与
Aux/IAA蛋白一起参与调控早期生长素诱导基因的
转录[31]。然而,Aux/IAA 蛋白和 AFRs 如何与生
长素信号转导中的其他信号元件相互作用,还是
不太清楚。
3.2 多条信号途径的相互联系 许多试验都支持生
长素信号转导各条途径之间有着密切的联系。例
如,G 蛋白可能同时参与细胞分裂和伸长两个不
同生理过程中的不同信号转导过程[32,33]。烟草细
胞培养中,拟南芥 ABP1 的异常表达能够导致叶
片培养细胞变大,但是却使细胞数目减少,且并
不改变叶片的形态发生和生长动态[34]。这表明细
胞伸长的增强是以细胞分裂的减弱为补偿的。
原生质体表面的ABP1于质膜H+-ATPase之间
的信号转导还涉及磷脂酶A(phospholipase A2)的参
与。林芳等[35]的研究结果证明,PLA2 的水解产
物溶血磷脂和亚麻酸可刺激生长素相关基因的表
达,其抑制剂可阻断 IAA 引起的细胞伸长,说明
PLA2 可能介导了 IAA 的生理作用。
另外,MAPK(MAP kinases)的调节作用也证
明不同生长素信号转导途径具有共同的部分。在
烟草细胞培养中,生长素缺乏能够限制细胞的分
裂,而却能促进细胞周期的开始。在这一过程
中,一种具有 MA P K 特征的 MA P K K 和蛋白质激
酶被激活[36,37]。这表明一条 MAPK 途径可能参与
生长素信号转导。综合动植物细胞信号转导的研
究结果可以看出,MAPK 在多条信号转导途径中
起作用,而新近的许多试验又证明 MAPK 参与介
导多种生长素所引起的生理反应。由此看来,生
长素的不同信号转导途径可能有着共享的中间途径。
3.3 生长素对H+-ATPase的活化作用 生长素作用
机制还包括刺激在质膜上的 H+-ATPase 的活性。
一些试验结果表明,H+-ATPase 的活性可能受生
长素与结合蛋白的促进,因此 H+-ATPase 活性的
提高可作为生长素受体的生化功能的表现。生长
素、ABP 抗体和 H+-ATPase 抗体对烟草原生质体
质膜电势差的显著影响,说明生长素与受体结合
从而促进H+-ATPase 活性[38]。同时,这也从分子
水平上证明酸生长学说的正确性。NAA 处理引起
明显的质膜电势差,但同时加入 ABP 的单克隆抗
体,N A A 对电势差的影响消失,说明质膜含有
ABP,而且是生长素的受体。在同一试验中,另
一处理用可促进质膜一般功能的壳梭孢素(FC)代替
NAA,结果是 FC 引起的质膜电势差不受 ABP 抗
体的影响,说明 A B P 抗体影响质膜电势的专一
性。此外,应用 H+-ATPase 抗体的试验结果表
明,质膜电势差由 H+-ATPase 活性所引起,进一
步证实 H+-ATPase 的质子泵作用;H+-ATPase 抗
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体能显著抑制生长素对质膜电势的影响,表明生
长素有促进 ATPase 活性的功能。因此,ATPase
活性的促进是生长素通过与受体结合而产生生理生
化效应的重要证据之一[39] 。
3.4 生长素信号转导复杂性的模型 正如上面讲述
的那样,生长素信号转导的机制是一个非常复杂
的问题。尽管近年来的试验技术不断改进使得我
们对其有了较好的认识,但是我们对其认识的深
度还远远不够。总结当前生长素信号转导的研究
现状,及对生物体内信号转导的认识,生长素信
号转导的机制可以用图 1 作简要描述。
图1 中所描述的具体过程为:在外界信号的
影响下,生长素与生长素受体结合,生成生长素-
受体复合物,然后将信号通过各种作用元件在信
号传递链上传递,引起一系列的生理生化反应,
最终引起植物形态上的改变;同时,出于对自身
的保护,植物本身也会产生一系列的反馈抑止信
号,引起生长素 - 受体复合物的解离,传递信号
解除,生长素与其受体得到再生。
关于生长素受体以及生长素与受体结合后的
信号传递已经有了大量研究成果,但是对生长素
反馈调节的研究则相对较少,并且对构成信号传
递链的多种作用元件仍未研究清楚。
Chen[13]所提出的信号转导模型有着较高的借
鉴意义。他认为,一种生长素高亲和性受体复合
物,其中包含 ABP1,介导了生长素诱导的细胞
伸长的生理过程。而一种未知的生长素低亲和力
受体复合物(Rx)则介导了生长素所诱导的细胞分裂
的生理过程。这一复杂的信号传递体系包含了
AXR1-TIR、ARF-Aux/IAA,可能还有 Gbg-MAPK
等作用元件的参与。并且他也强调,这一信号转
导系统中的许多上游和下游作用元件仍未弄清楚。
4 问题和展望
生长素的作用机制极其复杂,尽管近几年应
用分子生物学技术,加速了生长素对基因表达调
控的研究,为植物生长发育的人工调控积累大量
的理论依据。如Bak和Feyereisen[40]新近研究的结
果表明,一种 P450 酶 CYP83B1 的缺失可引起游
离型生长素的增加,进而导致顶端优势的加剧;
而另一种 P450 酶 CYP83A1 则起着辅助 CYP83B1
抑制植物体内过量的游离生长素的产生。这一发
现是生长素生理调节研究中的一大进步。但是,
人们对生长素调节有关的 mRNA 和蛋白质的生理
功能仍然了解甚少,生长素是直接作为反式作用
因子调节基因表达,还是与受体结合后才发挥作
用,受体的性质与功能的鉴定以及生长素与第二
信使的关系等一系列问题都有待于深入研究。具
体可以体现在以下几个方面:(1)深入研究生长素
的生物合成途径、关键调控步骤,以求在生长素
的合成调控方面取得突破性进展;(2)进一步探讨
生长素的生理作用,继续寻找构成生长素信号传
递链的多种作用元件,并采用先进的分子生物学
技术手段对其进行鉴定,更详细地构建生长素的
信号传递链,阐明生长素作用机制,为作物生长
发育调控提供理论基础;(3)研究生长素的反馈调
节机制,为生长素信号转导的人工调控开辟一片
新的研究空间;(4)进一步分离克隆与生长素作用
机制相关的基因,采用转基因手段深入研究已克
隆基因的功能,为从分子遗传学的角度探索生长
素的作用机制提供理论基础。可以相信,随着分
子生物技术的飞速发展,通过对生长素受体、生
长素诱导基因特别是生长素的信号转导及其生理调
节的研究,人们对生长素作用机制的认识将会更
加清楚。
图1 生长素信号转导模型
植物生理学通讯 第 40 卷 第 5期,2004 年 10 月628
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