全 文 ：·生物技术· 北方园艺 2010(7):112～ 115
第一作者简介:梁秋霞(1971-),女 ,在读博士 ,讲师,研究方向为离
子束生物技术。E-mail:liangqx.ok@163.com。
基金项目:国家“十五”科技攻关资助项目(2001BA302B);农业部
公益性行业科研专项资金资助项目(200803034)。
收稿日期:2009-12-14
茄科植物 ROP 类基因细胞信号调节的生物学信息研究
梁秋 霞1 , 黄群 策1 , 曹 刚强2 , 应芳卿3 , 刘艳 波3 , 黄 　文3
(1.郑州大学 河南省离子束生物工程重点实验室,河南 郑州 450052;2.郑州大学生物工程系 ,河南郑州 450001;3.郑州市蔬菜研究所 ,河南郑州 450000)
　　摘　要:植物在生长发育过程中 ,不仅受到外界环境的影响 ,同时也有自身的调节系统对外
界信号做出相应的应急反应 ,这种反应就是细胞的信号反应系统适应外界环境的过程 ,适者生
存 ,不适者淘汰。ROP 类基因属于植物体特有的细胞信号调节基因。现就目前茄科植物关于
ROP 类基因的相关研究进展进行综述 ,以期为 ROP基因的进一步研究提供参考。
关键词:应急反应;细胞;ROP 类基因
中图分类号:Q 945.79　文献标识码:A　文章编号:1001-0009(2010)07-0112-04
1　ROP 类基因含义
植物体内存在高度保守的 Rac-like GTPase ,并且构
成了 GTPase的 Rho家族独特的亚家族 ,它不同于动物
和酵母中大量存在的一类 Rho类蛋白[ 1] ,具有 Rho家族
的基本调控功能。拟南芥植物基因组测序结果表明 ,在
植物体内存在一种具有独特功能的小 G 蛋白 ,被称为
Rops(Rho-related GTPases f rom plants)或者 Rac 蛋白
(因为此蛋白与动物 Rac和 Rho家族的序列具有高度的
相似性[ 2-4] 。
2　ROP类基因的功能与作用
在植物体内 Rop基因多种多样 ,并且具有独特的功
能 ,相关研究表明只有 Rops是植物体内真正的参与信
号传导的小 G蛋白[ 5] 。其编码的基因在植物界以多基
因形成一个独特的家族 ,其家族成员有着特定的功能 ,
同一个基因也可能与多种不同的蛋白互相作用控制不
同的信号反应 ,参与植物细胞的生长、分化 ,发育成新的
组织 ,形成不同的形态 ,同时在植物的逆境适应性方面
发挥着重要的作用 ,抗击逆境环境的适应能力 ,包括调
解组织缺氧 ,促进或抑制生长激素的调控起到协同作
用 ,以便细胞信号作出变化适应其生长。
3　ROP基因在细胞信号传导中的作用方式
植物体中的这些小G蛋白在生物膜上具有“双重分
子调控开关作用” ,能够根据外界环境的作用接受和输
出相应的信号 ,在细胞信号的传导中起着重要作用 ,大
多数小G蛋白循环是在膜结合形式和胞质结合形式循
环中进行(如图 1)。
图1　Rac/ Rop蛋白在植物细胞中的调节作用模式
　　当外界的信号传到质膜上时 ,质膜上的 ROP GT-
Pase的受体激酶(Receptor kinase)就会在鸟甘酸交换因
子(GEF ,Guanine nucleotid exchange factor)催化作用下
与之结合为 RopGEF , 这样GTP 就会被激活 ,变成有活
性的GTP ase酶 ,就可以参与下游效应物的相互作用 ,
调节相应基因的表达 ,引发一系列的生理生化反应。相
反 ,在GAP(GTPase activation protein)作用下 ,活化的
Rac/Rop蛋白本身的 GTP 酶活性被激活 , Rac/Rop蛋
白结合的 GTP 在胞质中通过鸟苷酸解离抑制因子
(GDI)结合解离为 GDP ,从而调控这些小 G 蛋白的
GTPases活性又恢复到原来的失活状态。因此 Rops被
誉为真核细胞的信号网络“汇集器” [ 2] 。
4　ROP类基因在烟草作物中的研究进展
Tao L Z 的研究表明[ 6] ,植物的一系列 Rac/Rop
GTPases起着调节生长素信号传递到下游反应基因的
作用。生长素刺激 Rac-like GTPases ,反过来它们又刺
激生长素反应基因的表达。野生型烟草超量表达 Rac/
Rop GTPases的组成性活性突变体激活生长素反应基
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北方园艺 2010(7):112 ～ 115 ·生物技术 ·
因的表达。另一方面超表达的显性负调控 NtRac1抑制
生长素诱导基因的表达。而且 ,超表达的 NtRac1活性
或者转基因幼苗诱导表现型和生长素相关的缺陷相同。
Klahre U 的研究发现[ 7] ,烟草花粉管的 GFP 标记
Nt-RopGAP1位于质膜的顶点以下区域支持 RopGAP
在 ROP活性的后期抑制作用。
Sousa E研究小组[ 8] 发现PIP5K4(phosphatidylinos-
itol-4-monophosphate 5-kinase)荧光标记蛋白使烟草长
花粉管短暂的变形揭示了荧光蛋白位于顶点附近的质
膜 ,特别是在顶点以下的位置。超量表达的 PIP5K4-
GFP 降低蛋白趋于质膜的顶点区域 ,花粉管的生长紊
乱 ,引起顶点细胞壁的变厚 ,说明 PIP5K4在调节花粉管
的极性生长中起着重要的作用。
Zonia and Munnik的试验表明[ 9]在烟草的花粉管顶
点接近顶点的区域有大多数分泌的胞囊和膜的修复 ,其
胞外分泌物的产生在花粉管接近顶点区域。
曹扬荣等[ 10] 从烟草中克隆得到了编码 NtRop1基
因的基因组序列 ,并研究了该基因在不同胁迫处理下的
表达情况及转基因植物在盐胁迫下的反应。该项研究
表明 ,NtRop1基因的基因组中含有 7 个外显子和 6个
内含子 ,其表达受到 NaCl , 甲基紫精(MV)和 1-氨基环
丙烷-1-羧酸(ACC)的诱导 ,但是脱落酸(ABA)会抑制该
基因的表达。与野生型拟南芥相比 ,在盐胁迫下 ,转基
因拟南芥植株根的长度明显比对照短 ,并且相对电导率
也明显比对照高。在研究信号分子传递的过程中 ,过氧
化氢可以被 Rop类小G蛋白通过调节NADP氧化酶而
产生 ,这些信号分子可以调控根毛的生长 、植物对病原
菌的反应 、以及植物对低氧胁迫的反应等。在烟草中 ,
Ntrac5被认为是负责通过调控NrbohD活性释放活性氧
物质的关键组分[ 11] 。转 NtRop1基因拟南芥的过氧化
氢的含量比对照高。这表明 NtRop1基因可能是通过增
加植物体内过氧化氢含量从而导致植物对盐胁迫的敏
感性。ROP类基因是众所周知的调节细胞极性生长 ,细
胞形态发生 ,激素的刺激信号 ,防御功能和氧胁迫反映
的信号因子。
据报道烟草中的Nt-Rac是调节包括 IAA/AUX蛋
白、SCF-E3泛素连接复合体 ,COP9信号体 、26S 蛋白酶
体的核蛋白体的生长素诱导、组配。ROP10是植物激素
ABA应急反应的负向调控因子。ROP11/AtRac10也调
节植物细胞内吞和细胞膜的循环。
5　ROP类基因在茄科中的研究进展
官德义等从经过 UV 处理的辣椒叶片的 cDNA文
库中分离获得 1个 cDNA阳性克隆 ,测序和序列分析结
果表明 ,其长度为 1141 ,含有 1个长度为 197的开放阅
读框架 ,与烟草等植物的 Rop有较高的同源性 ,推测可
能参与了辣椒倍半萜植保素受 UV的诱导合成因素 ,是
重要的分子开关 ,具有一定的防御反应调控[ 12] 。
有关番茄 RopGEF 类似物在早些时候报道通过酵
母双杂交在体外 pulldown assays和免疫沉淀试验被证
实作为花粉特殊受体激酶(LePRK1和 LePK2)的伴侣
蛋白(KPP ,kinase parter protein)[ 13] ,暗含了 RopGEF的
活性可以通过受体激酶调节。当 LeKPP 超量表达时 ,
就诱导花粉管的去极化 ,伴随着胞质运动引起细胞骨架
结构的变体与分配 ,这些效应与研究拟南芥花粉管极性
的生长与 RopGEF1 的活性相互关联[ 14] 。同时 ,番茄
LePRKs的相关研究[ 15] 表明来自番茄的 2种特征受体
激酶 LePPK1 和 LePPK2 的结构和免疫定位模式 ,
LePPK2的脱磷酸化显示这些激酶可能在胞外基质与信
号分子相互作用 ,这就证实了细胞表面信号的接收和转
导。在番茄的花粉蛋白中 LeSHY富含亮氨酸重复蛋白
和雌蕊中蛋白 LeSTIGI ,富含胱氨酸蛋白存在 LePPK1
和 LePPK2的胞外域 ,它们之间的现相互作用支持 LeP-
PK1和 LePPK2在花粉与雌蕊之间的协调作用[ 16] 。同
时 Rac/Rop是激素 ABA信号的调控因子的功能也进一
步证实 RLK-RopGEF-Rac/ Rop可能是 Rac/Rop参与细
胞调控作用的早期复合体。
6　植物体内 Rac/Rop基因的序列同源性分析
根据植物基因序列分析表明:Rac/ Rop基因在植物
各种属之间的氨基酸序列存在同源性 ,其同源性在 79%
以上。目前拟南芥作为模式植物 ,其全基因组序列的测
序已经完成 ,根据资料中报道的拟南芥中的 11个 ROP
基因序列在 NCBI数据库进行 BLAST 比对搜索 ,通过
同源性 ,结构域的比较 ,我们已经筛选到茄科相关的 20
个可能编码 Rac/Rop基因的全长的或部分全长的核苷
酸序列相关的基因(见表 1)。
图 2　利用 DNAMAN软件对拟南芥相关的
11个 Rop基因作序列同源性比较
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　　表 1 茄科相关的 24个可能编码 Rac/Rop家族基因
Genbank No. Gene name(AtRopx , x=1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,1 ,0 ,11) Description
AY029330.1 1 ,2 ,4 ,5 , 6 Nicotiana tabacum Rac-like GTPase 1 mRNA , complete cds
AJ250174.1 1 ,2 ,3 ,4 , 5 ,6 ,7 ,8 ,9 ,11 Nicotiana tabacum mRNA for putative rac pro tein(rac gene)
AJ222545.2 1 ,2 ,3 ,4 , 5 ,6 ,7 ,8 ,9 Nicotiana tabacum mRNA for Rop subfamily GTPase
U64923.1 1 ,2 ,3 ,4 , 5 ,6 ,7 ,8 ,9 Nicotiana tabacum geranylgeranylated protein NTGP2 mRNA , complete cds
AK322386.1 1 ,2 ,4 ,5 , 6 ,9 ,11 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL1037BC07 , HTC in leaf
AK324083.1 2 ,3 ,4 ,5 , 6 ,7 ,8 ,9 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL1071AH11 , HTC in leaf
AK329394.1 1 ,2 ,3 ,4 , 5 ,6 ,8 ,9 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL3141A20 , HTC in root
AK325596.1 1 , ,2 ,3 ,4 ,5 ,7 ,8 ,9 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL1098CC05 , HTC in leaf
DQ257288.1 1 ,2 ,3 ,4 , 5 ,9 Capsicum annuum Rho mRNA , complete cds
AK323507.1 2 ,3 ,5 ,6 , 8 ,9 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL1058BF12 , HTC in leaf
AK327463.1 2 ,3 ,5 ,6 , 8 ,9 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL2030C22 , HTC in fruit
BT012810.1 2 ,3 ,5 ,6 , 8 ,9 Lycopersicon esculentum clone 113830F, mRNA sequence
DQ450841.1 2 ,3 ,5 ,6 , 9 Solanum chacoense Rac-like GTP-binding protein(RAC1)mRNA , complete cds
AJ496226.1 2 ,3 ,4 ,5 , 6 ,8 ,9 Nicotiana tabacum mRNA for putative rac pro tein(rac2 gene)
U64924.1 2 ,3 ,4 ,5 , 6 ,8 ,9 ,11 Nicotiana tabacum geranylgeranylated protein NTGP3 mRNA , complete cds
AK328696.1 7 ,8 ,9 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL3032D19 , HTC in roo t
AK319400.1 8 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL1020DE02 , HTC in leaf
AJ496227.1 8 Nicotiana tabacum partialmRNA for putative rac protein(rac3 gene)
AK325103.1 9 ,11 Solanum lycopersicum cDNA , clone:LEFL1091CE07 , HTC in leaf
AJ496228.1 11 Nicotiana tabacum mRNA for putative rac pro tein(rac4 gene)
　　利用 DNAMAN软件根据已经报到的拟南芥的 11
个 Rop/Rac蛋白的氨基酸序列和已经筛选到与茄科相
关的 20个可能编码 Rac/ Rop蛋白的氨基酸序列作序列
同源性比较 ,构建进化树(见图2 、3)。
由此表明拟南芥的11个 Rop/ Rac蛋白的氨基酸序
列可以分为 4 大类 , groupⅠ(包括 AtRop7 , AtRop8),
groupⅡ(包括AtRop9), groupⅢ(包括 AtRop10 ,AtRop11),
groupⅣ(包括 AtRop1 , AtRop2 , AtRop3 , AtRop4 , At-
Rop5 , AtRop6)。它们都共同存在 AATGT 、TGGGA和
AAGTGG碱基重复。但是在拟南芥的氨基酸序列比对
中作者发现除了 AATGT 、TGGGA和 AAGTGG外 ,还
有CAGGG 、TTTGA 、AGCAA 碱基重复。由此推断茄
科植物中还存在有不同于拟南芥的氨基酸所编码的蛋
白质 ,显示出不同物种之间的差异性。
　　可见在 group Ⅰ第一大类中 ak328696.1与 AtRop7
亲缘关系较近;Aj496227.1和 ak319400.1与 AtRop8亲
缘关系较近。在 groupⅡ第二大类中 ak325103.1 与
AtRop9亲缘关系较近。在 groupⅢ第三大类中 aj496228.1与
AtRop10 ,AtRop11亲缘关系较近。在 groupⅣ中茄科有16
类相关的 Rop/ Rac 蛋白存在 , U64924.1 , AJ496226.1 ,
DQ450841.1 , ak323507.1 , ak327463.1 ,bt012810.1与 AtRop3 ,
AtRop5亲缘关系较近。
7　讨论
Rops信号在茄科植物中的作用与其它植物应该类
似 , RLKs参与植物个体的形成 、抵抗外来因素的侵害和
图3　利用 DNAMAN软件对茄科和拟南芥相关的
Rop 基因作序列同源性比较
调节激素的表达。在番茄的 Rops研究中 ,在花粉管的
质膜(PM)中 ,受体激酶 RLKsLEPK1和 LEPK2被发
现[ 15] 。PRKs与 Rops之间的连接是通过胞质的 LEPK1
和 LEPK2相互连接对 RopGEF KPP 进行特征化 ,可能
包含在 KPP的多样化的C末端[ 13] 。资料报道 PRKs的
传导途径是否依靠花粉或者雌蕊上的信号通过 RopGEF
到 Rop再影响花粉的发芽和花粉管的生长还是有争议
的[ 18] 。在传导途径中 ,磷酸化作用可能是重要的作用 ,
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因为在花粉中 LePRKs和 KPP 的磷酸化被发现[ 13 ,19] 。
磷酸部分是否影响 RopGEF 的催化活性或者影响传导
通道上各组成成分的相互作用还需进一步通过实验检
测。但是 Rops在拟南芥的研究中发现 ,它们干扰质膜
上生长素的接收机制[ 16] 。有关研究报道富含亮氨酸的
受体激酶(RPK1)被发现包含在 ABA 早期的信号调解
中起作用[ 20] 。表明 RLKs和 Rops通过 RopGEFs影响
茄科植物激素信号的表达式值得进一步探索的 ,目前在
拟南芥 、水稻和玉米等作物上关于 Rop蛋白的作用已经
研究的比较多 ,但是在茄科植物上只是做了有限的探
索 ,该分析亟待为茄科植物特别是番茄有关 Rop蛋白的
作用提供参考。
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Study in Bioinformatics of the Cell Signals Regulation of ROPs Gene in Solanaceae
LIANG Qiu-xia1 ,HUANG Qun-ce1 , CAO Gang-qiang2 , YING Fang-qing3 , LIU Yan-Bo3 , HUANG Wen3
(1.Henan Province Key Labo ratory of Ion Beam Bioengineering , Zhengzhou University , Zhengzhou ,Henan 450052;2.Department of Bioengi-
neering , Zhengzhou ,Henan 450001;3.Zhengzhou City Institute of Vegetable, Zhengzhou ,Henan 450000)
Abstract:The plant sufferd not only the effector of enternal environment conditon during the g rowth , but also the SOS
response to the outside of signals by itself the system of regulation.These are the signaling response system of the cell a-
dapting to itself surroundings.Only those cells are best able to live in the environment for surviving , conversely nobody
can change it.Rops gene belong to the special signaling modulation gene of the cell in plant.This paper introduce the re-
search progress of Rops gene in solanaceae for the present.
Keywords:SOS response;cell;gene
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