植物激素_赤霉素_GA_细胞信号转导机制

第32卷第2期

2011年6月淮北师范大学学报(自然科学版)JournalofHuaibeiNormalUniversity(NaturalScience)Vol．32No．2Jun．2011

植物激素－赤霉素(GA)细胞信号转导机制

左圆圆，周杨杨，李小平

(淮北师范大学生命科学学院，资源植物生物学安徽省重点实验室，安徽淮北235000)

摘要:植物激素赤霉素(GA)参与植物种子萌发、茎伸长、开花、结果等多个生长发育过程．研究GA细胞信号转导的分子机制对进一步阐明其生物学功能具有重要的意义．GA合成突变体和细胞信号转导突变体的研究表明，GAI及其同功蛋白具有受体功能，GA被受体识别后进一步与DELLA蛋白作用，从而解除DELLA蛋白对植物生长的抑制作用．文章主要综述这些分子具体的作用模式．

关键词:GA;DELLA蛋白;作用模式

中图分类号:Q946－33文献标识码:A文章编号:2095－0691(2011)02－0049－06

1938年日本薮田贞治郎和住木谕介从赤霉菌培养基的滤液中分离出一种活性物质，并鉴定它的化学结构，命名为赤霉酸．1956年C．A．韦斯特和B．O．菲尼分别证明在高等植物中普遍存在一些类似赤霉酸的物质．目前已经鉴定出100多种，一般分为自由态及结合态两类，统称赤霉素(gibberellins，GAs)，分别被命名为GA1，GA2等．它的化学结构比较复杂(见图1)，是双萜化合物，各种不同的赤霉素之间的差别在于双键、羟基的数目和位置．自由态赤霉素是具19C或20C的一、二或三羧酸．结合态赤霉素多为萄糖苷或葡糖基酯，易溶于水．赤霉素具有调节包括种子萌发、下胚轴和茎的伸长、叶片的扩展、花粉的形成以及花的发育等许多方面的功能．现代植物分子生物学研究表明，植物体通过调节赤霉素合成和赤霉素细胞信号转导来实现其生理功能．本文主要综述赤霉素的细胞信号转导机制及其研究进展．图1赤霉素GA3的化学结构

Figure1Molecularofgibberellins(GA3)

1GA的生物合成及其突变体研究

GA的生物合成包括在质体，内质网及细胞质内进行的一系列复杂的生化过程．目前在真菌中已经鉴定出126种GA，但自身有生物活性的却非常少．常用的活性GA有GA1，GA3和GA4．人们已经鉴定出许多编码GA生物代谢途径中酶的基因，GA20ox、GA3ox和GA2ox是比较重要的合成基因[1](见图2)．通过分析特定生理过程的合成和降解基因变化，从分子水平分析GA的动态平衡．

收稿日期:2010－12－24

基金项目:国家自然科学基金项目(3095745);安徽省教育厅自然科学基金项目(kj2007B110);安徽省优秀青年教师基金项目(2007jq1161)作者简介:左圆圆(1985－)，女，安徽固镇人，硕士生，研究方向:植物分子生物学．通讯作者:李小平．

50淮北师范大学学报(自然科学版)2011年图2Figure2GA生物合成途径Synthesisofgibberellins

分离和鉴定出GA生物合成途径的受损的突变体对于理解GA在调节植物生长发育以及阐明GA生物合成途径具有重要的作用．一般来说，GA缺失突变体具有以下共同的表型:暗绿色的矮化的植株，叶片伸展和茎的伸长都会出现缺陷(见图3)[2]．在许多物种中，GA缺失突变体还表现出种子萌发的缺陷，开花时间的

果实、种子发育上出现缺陷．目前为GA信号途径研究做出最大贡献的GA缺失突变体是ga1－变化以及花、

3，由于GA1基因编码GA生物合成途径中第一步的一个关键酶，因而突变体体内没有内源活性GA，表现出种子不萌发，雄性不育及植株矮小的表型．

图3

Figure3拟南芥和大麦GA缺失突变体表型PhenotyeofGAunavailablemutantsforArabidopsisandbarley

2

2.1GA的细胞信号转导及其突变体研究GA受体-GID1

最初是在水稻研究中鉴定出一种可溶性的GA受体GID1[3]，这一成果对于进一步深入理解GA信号途径有着重要的意义．对GID1突变体的遗传学分析显示在水稻中不存在其他的GA受体．GID1基因编码一个蛋白，类似于激素应答的脂肪酶，体外实验表明它能够结合有生物活性的GA．酵母双杂交的实验发现，GA促进GID1和SLR1的相互作用，并且在GID1突变体中没有出现GA介导的SLR1降解现象，说明GID1很可能在SLR1降解过程中发挥重要作用[3]．然而，并不清楚GA－GID1和SLR1相互作用是如何促进GID2(水稻中一种SCFE3泛素连接酶)与SLR1相互作用，进而导致SLR1的泛素化降解．

通过序列比对发现，在拟南芥基因组中，有3个水稻GID1的同源基因:AtGID1a，AtGID1b和AtGID1c，它们每个基因分别转到水稻GID1突变体中都能将其矮化和对GA不敏感的表型恢复到与野生型一样，不过在拟南芥中每个基因的单突变没有明显的表型[4]．通过多突变体的缺失功能研究发现，每个AtGID1功能都有特异性，三者也存在一定的功能冗余．双缺突变体AtGID1a/1c表现出矮小的表型，其他两种双缺突变体高度正常．双缺突变体AtGID1a/1b的雄蕊明显短于野生型，导致很低的育性．三缺突变体AtGID1a/1b/1c完全不能自主萌发，只有在浸泡后剥去种皮才能萌发生长，生长后的苗也十分矮小，一个月只能长到几毫米，而且它完全失去对外源添加GA的应答能力(见图4)[5]．

第2期左圆圆等：植物激素－赤霉素(GA)细胞信号转导机制51图4Figure4GA受体功能及其信号下游DELLA蛋白功能特异性MolecularfunctionsofGAreceptoranditssignalcomponentDELLA

GA信号途径中重要的生长抑制因子-DELLA蛋白

DELLA蛋白是一个家族蛋白的总称，它在拟南芥中包括GAI、RGA、RGL1、RGL2和RGL3，小麦中rht－1，玉米中d8，大麦中SLN1，水稻中SLR1和葡萄中鉴定出来的VvGAI1．这些基因实际上属于一个更大的基因家族:GRAS家族[6]．GRAS基因家族是植物所特有的，在许多高等植物如拟南芥、西红柿、矮牵牛花、百合、水稻和大麦中都有同源体．GRAS家族蛋白基本上是由400－770个氨基酸残基构成，在这些蛋白的C－端具有非常高的同源性．DELLA蛋白实际上是GRAS家族蛋白的一个分支，它与GRAS蛋白在C－端具有很高的同源性，但在N－端就不相同了．然而，不同植物物种中的DELLA蛋白在N－端具有高度保守的序列，被称为DELLA结构域(见图5)[7]．DELLA结构域中的突变会使得这些蛋白对GA诱导的降解不敏感，而继续保持它们的抑制效果，这时突变的DELLA蛋白成为组成型的抑制子，这类突变体的表型与GA缺失突变体的表型非常类似[8]．2.2

图5GRAS蛋白家族的DELLA亚家族蛋白结构

SchematicdiagramofDELLAsubfamilyFigure5

已知功能的GRAS蛋白是许多发育途径的调节因子，它在包括叶腋分生组织的形成、茎端分生组织的维持以及光敏色素A的信号途径中都起作用．DELLA蛋白也可能是一种转录调节因子，它们都有以下结构域:(a)polyS/T，磷酸化和葡萄糖基化的位点;(b)LHR，介导蛋白－蛋白相互作用;(c)NLS，核定位信号;(d)SH2，磷酸酪氨酸的结合位点[9]．DELLA蛋白能够引导与GFP的融合蛋白进植物细胞核，目前还没有鉴定出DELLA蛋白有DNA结合结构域，推测它们可能是作为共激活或者共抑制因子与直接作用于GA应答基因序列上的转录因子相互作用来抑制GA信号的传递．通过对谷物类糊粉层细胞的研究，人们验证这一推测，当有GA存在的条件下，一个GA应答的MYB转录因子(GAMYB)，会特异性地与水解酶基因序列中的GARE(GAResponseElement)序列结合，激活α－淀粉酶和其他GA应答的水解酶的表达;而在GA不存在的时候，DELLA蛋白通过抑制GAMYB的活性来阻止GA应答基因的表达(见图6)[10]．当有GA时，DELLA蛋白被降解，释放出有活性的GAMYB，结合到GARE上，从而起动GA应答基因的表达．

图6

Figure6糊粉层细胞中GA作用的分子机制MolecularmechanismofGAinaleuronecells

52淮北师范大学学报(自然科学版)2011年

拟南芥中有5个DELLA蛋白同源基因，存在一定的功能冗余，但各自又有相对独立的功能:①GAI和

茎和叶子的生长，也抑制植物从营养生长向生殖生长(开花)的转变[7];②RGL2RGA蛋白主要抑制植物根、

蛋白在有光条件下是种子萌发的主导抑制因子，而在黑暗条件下，RGL2是与RGA、GAI蛋白一起抑制种子的萌发，研究表明光可以在蛋白水平调节RGA和GAI的量，但目前还没有证据证实光以引起RGA和GAI蛋白的降解或者修饰来调节这两种蛋白的活性;GAI、RGA和RGL1蛋白增强了RGL2抑制种子萌发的作用[11];③有关RGL3独立的功能没有明确的研究结果，人们倾向于认为它与其他DELLA蛋白功能冗余，也是在种子发育和花发育中起作用．

最近的基因芯片(microarray)分析发现，在拟南芥种子萌发阶段和花发育阶段，699个基因被GA上调而被DELLA下调，509个基因被GA下调而被DELLA上调．然而，仅有21个DELLA下调基因和15个DELLA上调基因同时被这两个阶段共有．这暗示DELLA蛋白严格调控在每个生长阶段应该表达的基因[12]．人们进一步研究鉴定对GA和DELLA蛋白都应答的基因，发现鉴定出的14个GA和DELLA蛋白应答的基因全部是GA抑制和DELLA诱导的，表明生长抑制活性主要通过DELLA诱导的基因来完成的[13]．鉴定出来的这些基因包括GA合成途径中的酶(GA20ox2和GA3ox1)、预测的转录因子，预测GA受体(AtGID1a和AtGID1b)、

的转录调节因子和泛素E2和E3连接酶．ChIP(染色质免疫沉淀)实验分析表明，DELLA蛋白可以直接或间接和AtGID1a，AtGID1b，一些预测的转录因子，预测的转录调节因子，和泛素E3连接酶(XERICO)的启动子区域结合[13－14]，但还需要进一步实验鉴定DELLA蛋白是直接还是间接和这个基因启动子区域相互作用的．GA生物合成基因和GID1基因通过反馈机制被DELLA蛋白调节，以维持植物体内的GA平衡．GA20ox，GA3ox和GID1基因在GA缺失或者DELLA蛋白聚集的时候被上调，在加入GA或DELLA蛋白缺失的时候被下调[7]．可见，DELLA蛋白可能作为这些GA合成途径中基因和GID1基因的转录调节因子．

3DELLA结构域在GID1－DELLA相互作用中的重要作用

遗传学和酵母双杂的研究表明，DELLA蛋白N端的DELLA结构域对于DELLA蛋白和GA－GID1复合体结合是必要条件同时也是充分条件．拟南芥部分或全部缺失DELLA结构域的各种gai突变体蛋白在有无GA的情况下都无法和AtGID1a蛋白结合，在有GA的情况下，GAI蛋白的DELLA结构域(1到73个氨基酸)单独就可以和AtGID1a结合[15]．

4SCFE3泛素连接酶结合并促使DELLA蛋白的降解

AtSLY1和OsGID2蛋白分别在拟南芥和水稻GA信号通路中促进GA降解DELLA蛋白．AtSLY1和OsGID2的突变都会导致隐性的GA不敏感的表型．AtSLY1和OsGID2基因的克隆揭示它们都是编码一种含有推测的F－box序列的同源蛋白，而这个序列正是SCF(Skp1/cullin/F－box)E3连接酶的保守序列[16]．已经有研究证实，GA信号途径与Auxin和jasmonate信号途径一样，用泛素－蛋白酶降解途径控制蛋白质的含量:SCFE3连接酶催化泛素从E2连接酶转移到底物蛋白上，底物蛋白上形成多聚泛素链导致它被26S蛋白酶降解(见图7)[7]．AtSLY1/OsGID2的氨基酸序列以及DELLA蛋白的氨基酸序列在双子叶和单子叶植物中都很保守，表明它们在GA信号途径中作用在植物界来说可能是高度保守的．研究发现，sly1－10突变体与野生型相比，DELLA蛋白聚集，且对GA处理不敏感，同时sly1－10突变体矮小的表型可以被gai－t6rga－24突变回复．人们又通过酵母双杂和免疫共沉淀分析进一步证实，SLY1和DELLA有直接相互作用，从而认为SLY1是负责靶定DELLA蛋白并促进其降解的．DELLAdomain保守区域的缺失突变，例如gai，会导致突变体蛋白对GA诱导的降解不敏感，产生GA不敏感的矮小表型．然而，gai的这一表型能够被gar2－1这一功能获得性突变回复抑制，gar2－1编码一个突变的SLY1蛋白能够和DELLA蛋白更加紧密的结合[17]．从而人们推测GID1－DELLA－SCFSLY1/GID2复合体各组分间的亲和力是DELLA蛋白稳定性的关键调节因素．SCFE3连接酶介导的DELLA蛋白泛素化降解

Figure7TheubiquitinprotoelyticsystemforDELLAprotein图7

第2期左圆圆等：植物激素－赤霉素(GA)细胞信号转导机制53

GA信号的作用下，磷酸化的DELLA蛋白被SCFE3连接酶复合体中的F－box蛋白识别，被E1(图中没有)激活的泛素通过E2传递到被识别的DELLA蛋白上，一旦泛素链形成，DELLA蛋白随即被26S蛋白酶体降解．

5GA解除DELLA蛋白抑制作用

在许多植物激素信号途径中，SCFE3连接酶都会在26S蛋白酶依赖的蛋白降解过程中发挥重要作用．例如生长素(Auxin)信号途径中，Auxin通过促进SCFTIR1降解Aux/IAA转录抑制子来调节基因表达，最近

“分子胶”的晶体学研究表明，Auxin直接作为一种将Auxin受体TIR1(同时也是一种E3泛素连接酶的F－

box蛋白)和Aux/IAA紧密结合一起[18－19]．GA也是通过促进受体和底物的结合来促进蛋白降解的，但是GA如何促进DELLA蛋白降解的具体分子机制仍不清楚．研究发现，加入一种蛋白激酶抑制剂，能够强烈抑制GA诱导的大麦DELLA蛋白SLN1的降解过程[20]，同时有研究表明，水稻DELLA蛋白SLR1磷酸化能够增强其与GID2(F－box蛋白)的亲和力[21]．基于以上研究，人们推测可能DELLA蛋白的磷酸化使得它们与SCFE3连接酶相互作用．但随后的研究表明，水稻DELLA蛋白SLR1磷酸化只是它发挥生物功能一种方式，但并不是GA诱导SLR1降解的必要条件[22]．如前所述，N端的DELLADomain起到感受GA信号的作用，与GA激活的GID1结合，同时在拟南芥中GAI和RGA的C端结构域本身可以和SLY1相互作用．图8GA细胞信号转导模式

Figure8ModelforGAsignaltransductionincell

6结论

DELLA蛋白是控制植物生长发育的中心抑制因子，它通过磷酸化或O－GlcNac(DELLA蛋白的另一种修饰形式)修饰来发挥其生物功能，有生物活性的GA分子可以和GID1结合，促进GID1和DELLA蛋白的N端DELLADomain结合，然后被激活的DELLA蛋白通过C端结构域和SCFSLY1/GID2E3泛素连接酶的F－box蛋白相互作用，随后DELLA蛋白被泛素化，并被26S蛋白酶体降解(见图8)[23]．参考文献:[1]SWAINSM，SINGHDP．Talltalesfromslydwarves:novelfunctionsofgibberellinsinplantdevelopment[J]．TrendsPlantSci，

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ZUOYuan-yuan，ZHOUYang-yang，LIXiao-ping

(SchoolofLifeScience，KeyLaboratoryofPlantResourcesandBiologyofAnhuiProvince，HuaibeiNormalUniversity，235000，Huaibei，Anhui，China)Abstract:Phytohormeabscisicacids(GA)playapivotalroleinvariousprocessesinvolvedinseedsgerminationandshootelongation，plantfloweringandseedmaturation．StudyonhowGAsignalsareperceivedandrelayedisnecessaryfordissectingitsmolecularfunctionsinhigherplant．AlthoughmanymoleculescontainingGAI，DELLAandSCFareknownasputativesignalcomponentsforperceivingandrelayingGa’signals，themolecularmechanismofGAarelargelyunknown．Thispaperwilldiscusshowthesemoleculeswork．

Keywords:GA;DELLAprotein;moleculeswork

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o7z1.html