全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 12期，2009年 12月1246
收稿 2009-09-11 修定 　2009-11-19
资助 国家自然科学基金(30371189)和国家高技术研究 “863”
计划(2 00 6AA1 0Z12 9)。
* 通讯作者(E-mail: lanxingguo@126.com; Tel: 0451-
8 2 1 9 1 7 8 3 )。
芸苔属植物自交不亲和性中的细胞识别
王艳红, 李玉花, 蓝兴国 *
东北林业大学生命科学学院发育生物学科, 哈尔滨 150040
Cell Recognition for Self-Incompatibility in Brassica
WANG Yan-Hong, LI Yu-Hua, LAN Xing-Guo*
Department of Developmental Biology, College of Life Sciences, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China
提要: 从细胞识别的角度概述芸苔属植物自交不亲和信号的产生和转导机制的研究进展。
关键字: 芸苔属; 自交不亲和性; SCR; SRK
花粉与雌蕊间的细胞识别是高等植物完成受
精作用的前提和保障。植物自交不亲和性(self-
incompatibility, SI)是指花粉与雌蕊之间进行自我识
别, 并通过信号级联反应导致自我的花粉不能够正
常地萌发或生长, 最终导致正常可育的雌雄同株植
物得不到种子(Zhang等 2009)。芸苔属植物 SI是
植物细胞识别研究的模式系统, 近些年来的研究取
得了很大突破。本文就芸苔属植物 SI花粉与柱头
细胞的识别机制, 主要在受体与配体的识别、受体
的激活及其通过泛素/蛋白酶体途径调控的研究进
展作一介绍。
1 受体与配体的识别
在芸苔属植物中, 花粉与柱头乳突细胞间的识
别引起 SI反应。花粉与柱头乳突细胞间的识别主
要体现为 S单倍型特异性的受体 -配体识别机制。
编码 S位点受体激酶(S-locus receptor kinase, SRK)
和 S位点富半胱氨酸蛋白(S-locus cysteine-rich
protein, SCR)的基因紧密连锁在高度多态性的 S基
因座上。SRK与SCR特异性的相互作用引起SRK
自磷酸化并触发SI信号级联反应, 最终导致自我花
粉的拒绝(Kachroo等 2001; Takayama等 2001)。
1.1 受体SRK识别功能域 SRK特异性表达在柱头
乳突细胞, 以 S单倍型特异性的方式与花粉配体结
合, 是 SI的雌蕊决定因子(Hatakeyama等 2001;
Takasaki等 2000)。SRK是一个跨膜蛋白, 由胞外
域(extracellular domain, eSRK)、跨膜域(membrane-
spanning domain)和具有丝氨酸/苏氨酸激酶活性的
胞内域( cytopla smic doma in)组成(Goring和
Rothstein 1992; Stein等 1991)。胞外域(eSRK)具有
高度的单倍型特异性, 能够特异性地识别并结合
SCR (Kachroo等 2001)。根据序列的相似性, eSRK
又进一步细分为 3个亚区: 类凝集素功能域、高变
区和 PAN-APPLE区(Naithani等 2007) (图 1)。类
凝集素功能域位于N端, 是甘露糖结合功能域, 这
说明SRK有可能与甘露糖或其类似物结合; C端是
一个类似于PAN或APPLE的功能域, PAN-APPLE
功能域由 3个二硫键组成一个保守的核心区域, 其
主要功能是介导蛋白 -蛋白或者蛋白 -碳水化合物
相互作用(Tordai等 1999); 中端的高变区是一个高
度多态性区域, 包括高变区 I、高变区 II和高变区
III三个部分, 在不同单倍型中存在显著差异(Nishio
和Kusaba 2000)。体外重组蛋白结合实验证明, 配
体结合主要发生在高变区亚功能域内, 也有少量与
类凝集素功能域结合。多肽阵列方法寻找高变区
内配体结合位点的结果显示, 在高变区约含70个氨
基酸的6~11个多肽范围内是主要的SCR结合区域,
个区域对应于高变区 II。因此认为, SRK与配体的
特异性结合主要发生在eSRK高变区内的高变区II
(Kemp和 Doughty 2007)。
1.2 配体 SCR 识别功能域 SCR是花粉中一种小
的、富含半胱氨酸的分泌蛋白(Schopfer等 1999)。
鉴定SCR结果表明, 氨基酸序列主要由一个信号肽
区域和一个成熟肽区域组成。成熟肽区域一般由
植物生理与分子生物学 Plant Physiology and Molecular Biology
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50~59个氨基酸构成, 不同 S单倍型 SCR在成熟肽
区域具有高度的序列多态性(Mishima等2003; 蓝兴
国等 2004)。在三维结构方面, 对 S8-SCR的研究中
发现: SCR紧密折叠, α螺旋和 β折叠形成类似三
明治的结构, 环状结构分布其侧。其中 8个保守的
半胱氨酸形成的二硫键维持三维结构稳定性。不
同单倍型SCR的多态性体现在一级结构上, 而其三
级结构则相对保守(Mishima等2003)。Sato等(2003)
根据保守的半胱氨酸残基的分布将 SCR的成熟肽
区分为六个区域: I、II、III、IV、V、VI, 并
且认为在识别特异性上 III、V、VI区域较其它区
域更为重要。在这些区域内, 氨基酸序列具有较高
的种内保守性, 通过改变SCR6第V区域内的5个氨
基酸, 将其中的 4个用 SCR13相应的氨基酸进行替
换, 改变了SCR6的特异性, 促使其与SRK13特异性
结合(Chookajorn等 2004)。通过改变 SCR第 III、
V区域的氨基酸能够促使 SCR单倍型特异性地发
生变化。这说明第 III、V区域是决定 SCR特异
性的重要因素, 是与受体产生S单倍型特异性相互
作用的主要区域(Sato等 2004)。
2 受体的激活
2.1 受体二聚化 经典受体-配体理论模型认为, 受
体 -配体的结合引起受体同源二聚化或寡聚化, 从
而有利于受体胞内域进行磷酸化作用并招募胞质中
的下游元件(Schlessinger 2002)。但是现在的研究
认为, 在没有配体存在的情况下, 一些受体也能够
二聚化或寡聚化; 而且受体的寡聚化可能在信号转
导过程中起到更多作用(Naithani等 2007)。
在芸苔属 SI研究中发现, 受体 SRK能够在配
体不存在的情况下发生自身二聚化, 这可能有利于
SI信号的产生、扩大与传递(Naithani等 2007)。
而且, SRK的二聚化主要也是由 eSRK介导的, 有
利于高亲和性的结合配体(Shimosato等 2007)。为
了鉴定出 eSRK内的二聚化位点, 用酵母表面展示
技术, 在酵母中分别表达N端的甘露糖结合功能域
或C端的PAN-APPLE功能域, 发现PAN-APPLE域
能够引起酵母沉淀的程度与 eSRK全长相当, 而N
端的甘露糖结合功能域则无明显变化。这说明
图 1 自交不亲和信号转导模式图(Newbigin和Vierstra 2003, 有所修改)
柱头乳突中, SRK以受体二聚体的形式定位在细胞膜上。自花授粉后, SRK以 S 单倍性特异性的方式识别并结合 SCR, 并与
MLPK相互作用形成受体复合物, 进而激活下游元件 ARC1。ARC1 特异性识别底物蛋白并对其进行泛素化修饰, 这些底物蛋白可
能通过泛素 /26S蛋白酶体途径被降解, 或者是由于泛素化修饰而被重新定位或分选, 最终导致花粉管生长受抑制。
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PAN-APPLE功能域是介导 SRK二聚化的主要区
域。在酵母双杂交实验中, PAN-APPLE功能域介
导较强的 SRK自身的相互作用, 类EGF (epidermis
growth factor)功能域也有轻微的相互作用。在其
它生物体中, PAN-APPLE和EGF功能域都有介导
蛋白-蛋白相互作用的作用(Cheng等2003; Naithani
等 2007)。因此认为, 这 2个功能域可能形成 2个
相互作用点共同促进 SRK二聚体的形成。另外,
与异源二聚化相比, eSRK的同源二聚化具有明显的
优势, 这种易于形成同源二聚化的特点主要取决于
PAN-APPLE功能域内一个短的高变区。因此认
为, 高度多态性的 eSRK不仅决定其对不同SCR的
亲和力, 同时也决定SRK以S单倍型特异性的方式
发生自身二聚化。
2.2 受体激活的两步反应 SRK的激活分为 2个步
骤: 首先是配体不依赖于 S单倍型的锚定作用; 接
下来是 S单倍型特异性的受体激活。在授粉过程
中, 首先SCR低亲和性的锚定在SRK上, 主要通过
基本的空间构型完成不稳定的初步结合; 随后由超
变区介导的S单倍型特异性结合才能激活SRK。但
是, SRK受体的激活需要2个必要条件: 第一, SRK
形成稳定的二聚体以利于受体 -配体相互作用; 第
二, SRK二聚体锚定在细胞膜上(Naithani等2007)。
一般认为, 柱头中的SRK能形成自身二聚化并
且锚定在细胞膜上。当花粉落在柱头表面时, 花粉
中的配体 SCR和柱头中的受体 SRK 互相接触。
SCR可以利用自身构象与eSRK发生较为松散的结
合作用, 随后进入以 S单倍型特异性方式的受体 -
配体相互作用, SCR与 eSRK超变区紧密结合, 于
是SRK胞内激酶域得到激活, 从而引起柱头乳突细
胞内的 SI信号传递(图 1)。
3 受体复合物
MLPK (M locus protein kinase)是M位点蛋白
激酶, 属于受体样蛋白激酶(receptor-like cytoplas-
mic kinase, RLCK)家族。这类家族蛋白激酶的特
点是与受体激酶相似但没有明显的信号肽或跨膜域
(Murase等 2004; Shiu等 2001)。M位点与 S位点
(S位点包含紧密连锁的SCR和SRK)彼此独立存在,
而且M位点对 S位点来说是上位性的(Hinata等
1983)。mlpk/mlpk突变体是完全自交亲和的, 表明
MLPK参与 SI信号转导的初级阶段。目前已经鉴
定出MLPK两个转录本: MLPKf1和MLPKf2 (Kakita
等 2007)。MLPKf2主要在柱头中表达; 而MLPKf1
在柱头、叶片和茎中均有所分布。其次, 二者定
位在细胞膜的方式截然不同。MLPKf1利用其 N
端的肉豆蔻酰基序定位在质膜上, 而MLPKf2则是
通过N端的疏水功能域锚定在膜上。在mlpk/mlpk
突变体中瞬时表达二者均可以使使突变体恢复SI,
然而缺失膜定位功能域的MLPK则不能促使突变
体恢复 SI。这些研究证明, MLPK参与 SI信号转
导, 并且MLPK必须定位在膜上才能发挥作用。
用双分子荧光互补分析技术结果显示 :
MLPKf1和MLPKf2均能够与SRK直接作用, 形成
受体复合物参与 SI的信号转导(Katkita等 2007b)。
在哺乳动物中也存在类似的受体复合物, 如 Src家
族激酶能够通过自身肉豆蔻酰基团锚定在细胞膜
上, 并与活化的受体激酶通过酪氨酸激酶域相互作
用, 加强信号的传递作用(Thomas和 Brugge 1997);
又如在生长因子 β信号转导中, 2种不同类型(I类
和 II类)的受体形成受体复合物共同介导信号的传
递, II类受体激酶能够自身二聚化识别配体分子, 随
后又激活 I类受体激酶, 形成一个异源受体复合物
激活下游元件(Giranton等 2000)。MLPK与 SRK
很有可能也是以这样的方式形成一个异源受体复合
物, SRK自身形成二聚体后以S单倍型特异性的方
式结合配体分子, 并与定位在细胞膜上的MLPK相
互作用形成受体复合物, 将信号传递给下游元件
(Giranton等 2000; Kakita等 2007a)。
4 SI 信号的传递
用酵母双杂交方法鉴定与SRK激酶域相互作
用的蛋白质, 来分离 SRK信号途径中的下游成分,
得到 THL1、THL2、ARC1 (Bower等 1996; Gu
等 1998)等蛋白。THL1、THL2是 h-硫氧还蛋白
家族中的成员, 能够抑制未与相应配体结合的SRK
受体激活。一旦 SRK与 SCR结合, THL1、THL2
对 SRK的抑制作用会减弱, 于是使 SRK的激酶域
得到激活(Cabrillac等 2001)。
Stone等(2003)分析油菜ARC1的结构发现, 该
蛋白质主要由以下3个部分组成: 位于N 端的亮氨
酸拉链结构域(leucine zipper domain)和卷曲螺旋结
构域(coiled-coil domain);中间的U-box结构域和 C
端的 arm repeat结构域; 另外还包含 1个核定位信
号(nuclear localization signal, NLS)和 2个核输出信
号(nuclear export signal, NES) (Stone等 2003)。
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ARC1特异性在柱头中表达, 并且其表达水平与 SI
反应的发生相关。抑制 ARC1的表达, 能够部分打
破SI, 这表明ARC1是SI的正向调控因子(Stone等
1999)。
5 SI 与泛素 / 蛋白酶体途径
在植物的生命周期中, 很多生物过程均是通过
激活泛素降解途径来完成蛋白质的降解, 从而有效
的调控细胞内各种蛋白的活性( Moon 等 2 00 4 ;
Vierstra 2009)。蛋白质被泛素分子标记的过程称
为泛素化, 主要由 3种酶来完成: 泛素激活酶 E1
(ubiquitin- activating enzyme)、泛素结合酶 E2
(ubiquitin-conjugating enzyme)和泛素连接酶 E3
(ubiquitin ligase)。其中, 泛素连接酶 E3是决定底
物特异性的主要因素, 因而数量最丰, 种类最多。
多聚泛素化修饰是降解蛋白质的一个必要条件, 一
般标记靶蛋白的泛素链不少于4个泛素分子才能将
蛋白运送到 26S蛋白酶体中降解; 而少于 4个或是
单泛素化修饰可能与膜转运、转录调控等有关
(Hicke 2001; Vierstra 2009)。
SI信号转导最终导致花粉管水合﹑萌发作用
受到抑制, 而这种抑制很可能是由于某些必需蛋白
质被降解造成的。ARC1作为 SRK的下游元件具
有依赖U-box功能域的E3泛素连接酶活性。ARC1
可以在胞质溶胶、细胞核以及蛋白酶体之间穿
梭。并且ARC1的定位受严格的调控, 只有在SRK
活化的情况下ARC1才会定位到蛋白酶体(于晓敏
等2006)。授粉后的雌蕊进行蛋白质泛素化水平研
究结果显示, 不亲和授粉能够特异性的引起蛋白质
泛素化水平提高, 而在 ARC1反义表达的雌蕊中蛋
白泛素化水平则没有明显变化。因此认为, ARC1
促进雌蕊中花粉萌发亲和因子的降解, 从而导致不
亲和花粉的拒绝反应(Stone等 2003)。不仅如此,
分析经过蛋白酶体抑制剂MG-132和MG-115处理
的雌蕊的授粉反应, 结果表明不亲和花粉的花粉管
萌发率大大提高。这些结果说明泛素 /蛋白酶体途
径参与了 SI反应(Myung等 2001; Sheng等 2006)。
但是, 对于泛素化的底物和泛素化的类型的分子机
制还不清楚。
6 结束语
植物的SI现象一直是一个令人感兴趣而又未
能真正揭示的自然界之谜。芸苔属植物 SI更是作
为研究植物细胞识别的模式系统, 对人们了解植物
体很多重要的信号通路具有很大的意义。近年来,
人们对雌蕊-花粉之间的细胞识别以及SI信号的产
生等上游事件的认识已较为深化, 但仍有一些关键
问题有待阐明。如ARC1的下游底物, 类受体激酶
MLPK在整个通路中的作用机制以及信号通路中各
组分间的作用机制等均不清楚。在探究 SI分子机
制的同时, 受体激酶与U-box/Arm repeat E3泛素连
接酶之间的相互作用受到人们越来越多的关注。
这些相互作用的蛋白可能参与植物体许多生物途
径, 如植物防御反应和激素调节等。同时, 类受体
激酶与受体激酶形成受体复合物共同完成信号的接
收和传递也是一个新的热点问题。
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