油菜素內酯在植物抗逆中的作用及信號傳導機制綜述

靳開川　何金環

摘要：油菜素內酯（brassinosteroid，BR）在植物生長發育過程中起著非常重要的調節作用。近幾年，研究人員結合遺傳學、基因與蛋白質組學、細胞生物學等多學科方法和手段，使油菜素內酯的研究取得了顯著進展。介紹油菜素內酯在植物的抗逆性（干旱、高鹽、高溫、低溫、重金屬）過程中的作用及信號轉導機制等，以期為植物分子育種提供借鑒。

關鍵詞：植物；油菜素內酯；抗逆；信號轉導；機制；調節作用

中圖分類號： Q945.78文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）14-0004-04

油菜素內酯（brassinosteroid，BR）是一種類固醇類植物激素，與其他植物激素協同作用參與植物的生長發育過程，如細胞的伸長與分裂、葉片衰老、微管分化、開花、光形態建成等生長發育過程，而且在植物抗逆方面也具有重要的作用。目前，在許多物種（如擬南芥、水稻、番茄、大麥、玉米等）中，都鑒定到了BR相關的突變體，并克隆得到相關的基因，通過研究，不僅了解了植物中BR的合成、修飾與信號轉導的分子途徑，而且還發現其在植物抗逆方面也具有重要的作用[1]。本文綜述了植物中BR在植物抗逆中的作用（干旱、低溫、高溫等）及信號轉導的分子機制，為農作物育種研究提供理論依據。

1BR在植物抗逆中的作用

1.1干旱脅迫

干旱可降低植物中的水含量與葉片的水勢，導致氣孔關閉，影響植物生長，甚至可導致植物死亡。但是在菜用大豆中預先施加24-表油菜素內酯（24-epibrassinolide，EBL）或 28-高油菜素內酯（28-homobrassinolide，HBL）能夠提高根的生長能力、玉米素的含量、固氮酶的活性，并能夠減緩干旱誘導的相關參數的降低[2]。把生長在含有1 μmol/L EBL培養基上的擬南芥或油菜的幼苗轉移到沙子上，然后進行干旱處理 96 h（擬南芥）或60 h（油菜），結果表明，EBL處理能夠增強2種幼苗在干旱條件下的成活率，EBL能夠誘導干旱響應相關基因表達的上調，進一步說明EBL在植物抗旱過程中起重要作用[3]。在干旱條件下，EBL還能夠誘導植物中抗氧化物質含量的升高，從而促進植物生長[4]。在干旱條件下，BR能夠提高大豆光合效率、細胞水勢、可溶性糖與脯氨酸的含量、過氧化物酶（POD）與超氧化物歧化酶（SOD）的活性，BR還能夠降低丙二醛的含量、葉片的電滲透率，促進植物生長[5]。在芥菜的研究中還表明，HBL和干旱脅迫都能夠提高過氧化氫酶（CAT）、POD、SOD的活性以及脯氨酸的含量；在干旱條件下，BR能夠促進芥菜的生長[6]。但是，BR提高植物抗旱能力的分子作用機制還需要進一步研究。

1.2高鹽脅迫

高鹽脅迫影響植物的生長與發育，是一個主要的環境脅迫因子，可導致滲透脅迫、離子毒害，甚至影響植物對營養元素的吸收與轉運過程[7]。在高鹽脅迫下，脯氨酸作為滲透調節物質或一個信號分子影響植物對逆境脅迫的反應過程，其積累依賴于1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）和脯氨酸脫氫酶（PDH）的活性，前者是脯氨酸合成過程中的一個限速酶，后者催化脯氨酸的降解[8]。研究表明，在鹽脅迫下，EBL能夠促進水稻（cv.IR-28）幼苗的生長，緩解質膜受到的損傷，降低脯氨酸的積累，提高抗壞血酸過氧化物酶（aseorbateperoxidase，APX）的活性[9]。在鷹嘴豆與綠豆中的研究表明，BRs能夠促進脯氨酸的積累，提高抗氧化酶的活性[10]。EBL能夠緩解高鹽脅迫對茄子生長與小麥產量的抑制[11-12]。

1.3高溫脅迫

[CM（24]高溫能夠對葡萄的葉肉細胞造成傷害，增加質膜透[CM）][LM]性[13]。在高溫脅迫下，EBL能夠誘導線粒體熱激蛋白（MT-sHSP）的積累及光合效率的提高，進而提高番茄的抗性[14]。對番茄的研究表明，在高溫脅迫下，EBL能夠提高SOD的活性[15]，保護光合系統中酶的活性，提高光合效率[16]。在擬南芥中的研究表明，EBL能夠提高植物對高溫脅迫的抗性，擬南芥幼苗在有或者沒有EBL的情況下，43 ℃分別處理1、2、3、4 h后，移到22 ℃恢復7 h，發現高溫脅迫2 h就可以讓擬南芥幼苗的葉片白化，而在EBL處理下的擬南芥幼苗在高溫處理4 h后才會出現葉片的白化現象[17]。

1.4低溫脅迫

低溫是一個主要的環境脅迫因子，其可限制物種的分布與作物的產量[18]。低溫脅迫通過影響電子傳遞、碳同化及二氧化碳的吸收來降低光合效率，還可以導致植物中糖分的積累、質膜的過氧化以及細胞的脫水[19]。研究表明，EBL能夠提高17種低溫脅迫相關蛋白的表達量，提高綠豆對低溫脅迫的抗性[20]，在油菜與擬南芥中也得到了驗證[17]，EBL還能夠減小低溫誘導的質膜滲透性的增加幅度，提高葉片中色素的含量[21]。

1.5重金屬脅迫

BRs能夠通過增加外排的方式，減少植物對重金屬與放射性元素的吸收[22]。鎘是植物生長發育所必需的微量元素，當土壤中的鎘含量過高時會對植物造成毒害，影響水分平衡，降低酶的活性與光合效率[23]。研究表明，EBL能夠降低高濃度的鎘對油菜光合作用的影響[24]。BRs能夠降低高濃度鎘對植物生長的抑制，增加脯氨酸的積累，提高CAT、APX、GPX、SOD的活性，但是對鎘誘導的質膜過氧化沒有太大的影響[25]。在酸性土壤中，鋁的毒害主要是抑制農作物的生長，研究表明，BRs能夠提高高鋁條件下綠豆植物中SOD、CAT和POD的活性及脯氨酸的含量，促進幼苗的生長[12]。近年來，土壤中的銅對農作物的影響越來越嚴重，高濃度的銅能對植物造成毒害，影響植物生長，甚至導致植物死亡。研究表明，EBL能夠降低高濃度的銅對薺菜種子萌發與植株生長的抑制作用，并能減少對銅的吸收與積累[26]。另外，HBL還能提高高濃度銅條件下植物中SOD、CAT、POD的活性及脯氨酸的含量。鎳是植物生長所必需的微量元素，但在薺菜中的研究表明，高濃度鎳影響植物的光合作用、呼吸效率，降低酶的活性與脯氨酸的含量，對植物造成毒害[27]。endprint

2BR的信號傳導途徑

通過對擬南芥BR的大量試驗研究發現，植物中位于膜上的激酶受體BRI1（brassinosteroid insensitive 1）能感受BR的信號，胞質部分具有激酶活性[28]。在沒有BR的情況下，受體BRI1以同源二聚體的形式存在，由于其胞質部分與抑制子BKI1（BRI1 kinase inhibitor 1）結合，處于失活狀態[29]。在有BR存在的情況下，BR的結合激活了受體BRI1的激酶活性，通過聯合受體BAK1/SERK3（BRI1-associated receptor kinase 1/somatic embryogenesis receptor kinase 3）磷酸化抑制子BKI1，使其從膜上解離下來，磷酸化的BKI1能與磷酸多肽結合蛋白14-3-3s結合，并且解除對BZR1（brassinazole-resistant 1）和BES1（BRI1-EMS-suppressor 1）的抑制作用，Ser270、Ser274和Tyr211在BKI1的磷酸化過程中起著重要的作用[30]。因此，該磷酸化過程為BR首先激活受體BRI1的激酶活性，接著磷酸化并激活聯合受體BAK1，最后磷酸化抑制子BKI1解除其抑制作用。除BAK1/SERK3外，由于SERK4在功能上與BAK1的相似被認為是BKK1（BAK1-like 1）[31]。最近的研究表明，SERK1、SERK2和SERK4都有可能參與了BR的信號轉導過程[32]。激活的受體BRI1磷酸化BSKs（BR signaling kinases）和CDG1（constitutive differential growth 1），進而激活磷酸酶BSU1（BRI1-suppressor 1）；CDG1與BSKs的功能類似，受體BRI1磷酸化BSK1和CDG1，進而激活BSU1，接著BSU1通過去磷酸化作用抑制負調控子BIN2（brassinosteroid-insensitive 2）/GSK3（glycogen synthase kinase 1）的激酶活性，研究表明，BSU1通過BIN2的Tyr200去磷酸化影響其活性[33-34]。BIN2與蛋白磷酸酶2A（PP2A）通過去磷酸化激活2個同源的轉錄因子BES1、BZR1，研究表明，PP2A可與BZR1直接結合使其去磷酸化[35]。去磷酸化激活的BES1和BZR1從胞質轉運到細胞核，進而調節BR響應基因的表達。在缺少BR的情況下，BIN2可使BES1和BZR1磷酸化，影響其功能，如干擾其與DNA的結合，在胞質中與14-3-3s結合而被降解等[36]（圖1）。通過基因芯片等方法的研究已經鑒定了許多轉錄因子BES1和BZR1的下游基因，早期的研究認為BZR1可與BRRE（BR-response element，CGTGT/CG）結合，抑制啟動子區含有BRRE的基因表達，BES1可與E-box元件（CANNTG）結合，促進啟動子區含有E-box元件的基因表達，最近的研究表明，它們都可以相互結合，因此須要更加深入的研究轉錄因子BES1和BZR1的作用機制[37]。BES1可與其他轉錄因子相互作用促進啟動子區含有該轉錄因子的基因表達，如BIMI（bKLH factor BES1-interacting MYC-like 1）、ELF6（early flowering 6）、REF6（relative of early flowering 6）、IWS1（interacting-with-SPT6-1）等轉錄因子[38]。BES1可與MYBL2（myeloblastosis family factor like-2）結合抑制啟動子區含有MYBL2的基因表達[39]。研究還發現，BES1/BZR1還可與其他蛋白相互作用，如與DELLA蛋白結合負調控對赤霉素的反應過程，與PIF（phytochrome-interacting factor）結合調節植物的生長與發育[40-42]。

（phyB activation tagged suppressor1）編碼細胞色素P450蛋白，研究表明，該蛋白也參與BR的失活過程[47]。DWF4和CPD通過參與BR合成的限速步驟，即類固醇c-22a和c-23a的羥基化作用過程控制內源BR的穩態[48]。最新的研究表明，擬南芥中的BAHD（benzylalcohol O-acetyltransferase，anthocyanin O-hydroxycinnamoyltransferase，anthranilate N-hydroxycinnamoyl/benoyltransferase，deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase）乙酰轉移酶家族參與內源BR穩態的調控過程，如BAHD乙酰轉移酶家族基因BIA1與ABS1通過乙酰化作用使BR失活[49]。另外，PP2A通過甲基化作用使BRI1去磷酸化，導致BRI1的降解，終止BR的信號傳遞過程，BRI1的Ser891的自磷酸化是主要的失活機制，導致BRI1降解，BR信號終止[50]。通過內吞作用降解BR與BRI1結合的復合物也可導致BR信號傳遞的終止[51]。

在擬南芥和水稻等物種中的研究表明，BR在植物的抗逆過程中具有重要的作用，但是目前對其信號傳遞的分子機制了解得還非常有限。例如，盡管知道BR影響逆境條件下植物的光合反應過程，但是具體影響位點還不清楚，因此，進一步鑒定其在抗逆過程中的關鍵基因至關重要，也為通過生物工程的方法提高農作物的抗逆能力、產量與品質提供理論基礎。

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