植物矮生性中油菜素內酯的作用機理研究

摘 要：綜述了油菜素內酯的來源、分布和內源水平、代謝通路上一些重要的突變體的表型特征及它們的等位突變體突變發生的規律、信號傳遞和作用機理的研究進展，并對該領域的深入研究進行了討論與展望。

關鍵詞：固醇類激素；油菜素內酯；矮化突變體

中圖分類號 Q946.885 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）21-20-02

矮化在農作物品種選育上可以說是一個優良的農藝性狀。發掘、利用矮稈基因對于當代作物育種具有重要的現實意義。目前公認矮化是幾類激素相互協調作用的最終結果，但研究主要集中在傳統激素上。1971年發現油菜素內酯類似物（brassinosteroids，BRs）在促進植物的細胞伸長和分裂過程中不同于傳統的五大類激素（GA、IAA、CTK、ABA、ETH）的功能特點，使BRs作為第六類植物激素編入教科書[1]。對植物矮化突變體的研究顯示，與油菜素類固醇相關的矮化突變也不少，探討油菜素內酯（brassinosteroid，BR）在植物矮生性中的作用機制已成為研究該類激素的熱點。

1 植物中的BR

1979年，Grove等從油菜（Brassicanapus）的花粉中分離提取出一種新的植物生長調節物質油菜素醇類物質，并經X廣衍射和超微量分析確定了其結構，其主要有效成分即為油菜素內酯類似物，是一組具有很高生物活性的固醇類物質，其結構與動物固醇類激素結構類似，在植物體內作為執行細胞通訊的化學信息，在代謝、生長、形態建成等植物生理活動的各個方面均起著十分重要的作用[2]。

至今為止，在高等植物的27個科和低等植物的3個科都發現有BR[3]，已分離出60多種與BR類似的化合物，都為BRs。它們廣泛分布于植物界[4]，但是BR的內源水平相當低。其中花粉和未成熟種子中BR的含量最豐富，但僅為1～100ng/gfw，莖和葉中則含量更低，僅為0.01～0.lng/gfw。BR在幼嫩組織中的含量比成熟組織中含量高，所以其在幼嫩組織中比在老組織中有更大的生理效應；僅有少數研究表明其含量與特定的細胞類型有關[4]。在不同種類的BR中，BR2（油菜素甾酮，Castasterone，CS）分布最為廣泛，其次是BR1（油菜素內酯，Brassinolide，BL）、BR7（香蒲甾醇，Typhasterol8，TY）、BR8（茶甾酮，Teasterone，TS）、BR5（6-脫氧油菜素甾酮，6-deoxocastasterone）、BR15（28-去甲基油菜素甾酮，28-norcastasterone）等，其它BR則分布在有限的幾種植物中[5]。

2 BR的生理功能

BR生物合成突變體的發現進一步證實，BR是植物生長發育的必需物質。它的生理功能包括調節莖的伸長、葉的伸展、根的生長、花粉管生長、質子泵活化及管狀分子分化以及逆境脅迫適應能力等[6]。其中促進器官伸長是其生理功能的一個重要方面，已報道了在15種植物中BR具有促進幼嫩營養組織生長的作用。BR促進生長的機制既不同于生長素，也不同于赤霉素。BR在促進生長的過程中具有雙重的作用：縱向伸長和橫向擴展。這似乎具備了生長素和赤霉素的雙重功效。

3 與BR相關的矮化突變體

近年來，從擬南芥、豌豆、西紅柿中分離出大量BR突變體，這些突變體都表現為矮壯、葉闊、深綠色，大多數突變體育性降低，生活周期延長，在黑暗中生長胚軸變短，子葉擴大[7]。根據對外源施用BRs的反應，BR突變體可分為BR生物合成缺陷型突變體和BR反應不敏感型突變體兩大類。在此僅介紹與代謝途徑相關基因突變體。

3.1 BR生物合成缺陷型突變體 最早發現的BR缺乏突變體是擬南芥DET2矮化突變體，當用BRs處理DET2矮化突變體可使其在黑暗和光照生長條件下向野生恢復。研究結果表明：DET2催化的反應是BR生物合成途徑中主要的限速步驟。在BR生物合成途徑中位于DET2反應之后的所有中間產物都可以拯救DET2的表現型[8]。擬南芥矮稈SAX1（hypersensitive to abscisic acid and auxin）突變體因對生長素超敏感而被分離純化，用BR處理SAX1突變體能使其株高得到恢復，從而證明它是一個與BR生物合成相關的突變體[9]。DWF1（DWF1/DIM1/CBB1）突變體是Feldamann從擬南芥T-DNA插入突變體群體中鑒定出來的[10]，施加外源BR可使矮稈突變體的株高向野生型恢復，這些突變體還都影響擬南芥光調節的個體發育。擬南芥的CPD（CBB3/DWF3）突變體在黑暗中脫黃化并且能抑制光誘導基因的表達。在光照下CPD突變體植株高度只有野生型3%～5%[11]。

此外，當施用某些種類的BRs時，豌豆LKB突變體的節間可恢復正常，它也是一個BR缺乏的矮生突變體[12]，喪失了5α-還原酶的活性，因此可能是擬南芥DET2的同源基因[13]。番茄的DPY（dumpy）突變體為自然矮化突變體，外源施加BR后其株高能被完全互補而恢復正常。研究表明，DPY突變體與擬南芥的CPD突變體一樣可能也缺乏由6-脫氧CS向6-脫氧teasterone的轉化[14]。

3.2 BR不敏感型突變體 BR反應不敏感突變體在表型上與BR生物合成缺陷型突變體相似，但施用BR后株高不能恢復為野生型。這類突變體是由于對BR的應答受阻或BR信號轉導過程中的必要成員缺失或受損造成的。在分析擬南芥根系生長受抑原因時發現的Bril1突變體，其幼苗與其他BR敏感突變體一樣表現為植株矮化，但通過外施BRs的方法株高不能恢復為野生型的高度[15]。目前，在豌豆、水稻、大麥、番茄中也發現了一些BR非敏感型突變體，這些突變體都是與擬南芥BRI1基因同源的突變體。對BR缺陷型和不敏感型突變體的深入研究，將有助于明確其突變體矮化發生機理，對新發現的矮化突變體的研究具有重要的借鑒作用。

4 討論與展望

目前關于油菜素內酯的研究還只是處于生理代謝水平，在分子生物學方面也只限于與某些基因有關和促進某些基因的表達等研究。它在光調節中的作用，比如在光調節進程中油菜素內酯是如何起到光的負調控作用的，油菜素內酯是怎樣參與光形態建成的，怎樣作用于光調節基因而影響它們表達的，光信號又是怎樣作用于油菜素內酯而起到光調節作用的等研究才剛剛起步。目前發現的BRI1-富含亮氨酸重復序列的蛋白激酶，人們還不能確定它就是BRs的受體。BR生物合成途徑中各環節的酶未完全確定，即使是已經知道的一些酶，其作用機制也只是推測，需要用生化、分子生物學手段進一步驗證。

今后，以下方面的研究將可能加深對BR作用機理的認識：（1）繼續進行BR相關突變體的篩選，進而分離、克隆新的參與生長的基因，研究其表達和功能；（2）進行目前認為是一些重要基因的過表達研究，了解在BR促進生長中這些基因如何起作用；（3）關于BR代謝通路上的固醇及其代謝產物，對其在控制植物胚胎或者維管的形成以及BR介導的信號轉導方面的作用機理進行研究，以確立固醇在植物生長發育中的作用。這些問題的研究解決不僅可以深化對BR相關突變機理的認識，而且將有助于指導其他植物的矮稈突變體的研究。

參考文獻

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（責編：陶學軍）