油菜素內酯調控植物根系發育機制研究進展

吳志勇，顧紅，程大偉，李蘭，何莎莎，李明，陳錦永

（中國農業科學院鄭州果樹研究所，果樹生長發育與品質控制重點開放實驗室，鄭州 450009）

油菜素甾醇（brassinosteroids，BRs）是繼生長素（auxin）、細胞分裂素（cytokinin，CTK）、赤霉素（gibberellin，GA）、乙烯（ethylene，ETH）和脫落酸（abscisic acid，ABA）之后被發現的第6類植物激素，參與調控植物發育的各個過程，其中對植物根系發育過程具有重要調控作用。根系是植物的重要器官，具有吸收水分和養分、改善土壤理化性質、合成激素等功能，對植物生長發育具有重要作用。健壯的根系對產量提高至關重要，研究人員將通過改良和利用根系結構來提高產量認定為新的綠色革命［1］，但其茁壯成長需要內源激素和外界環境的共同調節。BR作為調控植物根系生長發育的重要激素之一，與眾多內源植物激素相互作用，形成一個復雜的調控網絡，共同調控植物根、莖、葉、花等器官的生長發育［2］。目前，科學家對BR的生理功能、結構、合成與代謝途徑以及信號轉導通路等方面的研究取得了諸多進展。本文總結概述了BR信號通路及其在模式植物擬南芥根系中的調控網絡，進一步揭示其在根系生長發育中的調控機制，為BR在調控根系發育中的應用提供理論依據。

1 BR的發現

1970年，美國科學家Mitchell等［3］從油菜花粉中提取出一種活性極高的物質，經過研究發現其對菜豆生長具有較為明顯的促進作用，并將其命名為油菜素（brassin）。1979年，Grove等［4］對其化學結構進行分析，認定為一種甾醇類化合物，正式將其命名為油菜素內酯（brassinolide，BL）。此后，眾多與油菜素內酯類似的化合物從不同植物中被分離出來，統稱為油菜素甾醇類化合物（brassinosteroids，BRs）［5］。經研究發現，植物根、莖、葉、果實、種子等器官均含有BR，且BR在其發育過程中具有不可替代的作用。因此，認為BR對植物生長發育具有重要作用。

2 BR信號通路研究

BRI1（brassinosteroid insensitive 1）受體在細胞表面接收BR信號。目前認為BR信號激活BRI1活性存在兩種機制：一種機制認為BAK1（BRI1-associated recepor kinase 1）是 BRI1共受體，與其結構相似，二者在體內外均可進行相互作用，BR首先誘導BRI1與BAK1形成異二聚體，然后在BRI1和BAK1之間發生相互磷酸化［6-9］，進而調控根細胞發育；另一種機制認為BR結合并誘導BRI1的同型二聚體構象發生變化，激活其活性后再磷酸化 BAK1［10］，磷酸化后的 BRI1 和 BAK1作用于下游原件BES1（BRI1-EMS-suppressor 1）和BZR1（brassinazole-resistant 1），使它們在細胞核內接收上游信號［10-14］，二者活性被激活后進一步調控根細胞發生分裂或分化。

在BR信號轉導過程中，BIN2（brassinosteroid insensitive 2）激酶是抑制BR信號轉導的關鍵。分析突變體bin2-1表明，BIN2在BR信號轉導中通過磷酸化作用使BES1和BZR1失活，它們不能與DNA結合而喪失功能，從而阻遏BR的信號轉導［15-18］。相反，BR信號轉導正常是BIN2激酶被降解所造成的，且施加有活性的外源BR能夠減少BIN2激酶的積累［19］。此外，研究發現BSU1（BRI1-suppressor1）編碼的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶也能拮抗BIN2激酶，通過調控BES1的磷酸化狀態提高BES1的去磷酸化水平，進一步活化細胞核內BR誘導基因的表達［20］。

3 BR調控植物根系生長發育

3.1 BR調控根系干細胞生態位

干細胞生態位由QC（quiescent center）細胞和周圍干細胞組成，QC細胞對于維持干細胞生態位穩定和生長狀態至關重要（圖1）。研究表明，BR對QC細胞和干細胞具有重要調控作用，BRI1家族成員BRL1（BRI1-like1）、BRL3和共受體BAK1在干細胞中表達水平較高，BR與它們結合并激活其活性，活化后的BRL1和BRL3相互作用調控轉錄因子WOX5（wuschel-related homeobox 5），并進一步調控QC細胞的穩定和分裂［21-23］。

圖1 BR調控根系干細胞生態位［21］Fig.1 BR regulates root stem cell niche［21］

前人研究發現，BRAVO CENTER（brassinosteroids at vascular and organizing center）和ERF115（ethylene response factor 115）在調控QC細胞方面起到相反的作用［24-25］。BR信號激活BES1轉錄因子后直接抑制BRAVO表達，從而調控QC細胞，且BRAVO具有自我轉錄功能［24］。另外，研究發現了Groucho/Tup1轉錄家族TPL（topless）和BES1-TPL的相互作用能夠提高BES1的轉錄活性，且BES1-TPL的相互作用能更有效地抑制BRAVO表達，這對于BES1介導的QC細胞分裂是必不可少的［25］。BZR1也可以直接抑制BRAVO表達，從而促進QC細胞分裂［26］。相反，BZR1介導的BR信號通過激活ERF115，使得PSK5表達上調，進而促進QC細胞分裂［27］。

PLETHORA（PLT）是AP2轉錄因子家族的成員，對于維持干細胞生態位具有重要作用［28-29］。AUXIN能夠誘導PLT表達，但BZR1介導的BR信號能夠抑制其表達，這表明BR和AUXIN對QC細胞分裂具有拮抗作用［30］。

H2O2（hydrogen peroxide）對于BR促進QC細胞分裂也是必需的（圖1）。H2O2能夠促進BZR1和BES1轉錄，但BZR1的氧化還原介質TRXh5的過表達卻使其轉錄活性降低，抑制QC細胞分裂［31］。在另一項研究中發現，BES1和BZR1轉錄因子能夠直接與ACS7/9/11啟動子相互作用來調控ETH表達，從而調控根系生長［32］，但是否能夠調控干細胞生態位，目前還沒有明確結論，需要進一步研究。

3.2 BR調控根尖分生區

根分生組織是決定根發育的關鍵區域，不斷進行增殖和分化。BR對其調控具有時空平衡和激素互作平衡的特點［33］。作用部位不同，BR調控機制也不盡相同。根表皮細胞中的BRI1感受BR信號，能夠完全恢復突變體bri1-116的分生組織大小，而中柱的BRI1對其影響較小，這表明表皮中的BRI1可以通過感知BR信號控制根分生組織大小［34］。研究也發現，根表皮中的BRI1感受BR信號能夠促進根分生組織中AUXIN表達，進而促進根分生組織增殖，而中柱中BR信號激活BAK1、BRL1和BRL3活性則抵消這種作用，表現為促進分化［35］。

SHY2（short hypocotyl 2）是AUXIN信號的阻遏物，BRX（brevis radix）參與BR信號途徑，在BR同AUXIN、CTK互作調控根分生組織生長和發育過程中，SHY2和BRX發揮著重要作用。從圖2可以看出，根分生組織發育早期受到激素平衡的調控，CTK通過作用于ARR12轉錄因子激活SHY2表達，并進一步抑制PIN表達，從而調控根分生組織發育［36-37］。BRX能被IAA大量誘導，卻被BR輕微抑制，在與SHY2競爭中，BRX占據優勢，可短暫增強PIN3表達，二者共同調控根分生組織發育［38-39］。此時，根分生組織主要進行分裂生長。隨著根分生組織的發育，CTK也激活了ARR1/AHK3轉錄因子，它與ARR12轉錄因子一起誘導SHY2表達，SHY2大量表達能夠抑制BRX功能，二者共同調控根分生組織發育［37-40］。此外，最近研究發現，BR信號可通過誘導BES1的表達抑制SHY2表達，且BES1還能夠直接作用于PIN7來調控根分生組織發育［41］。以上結果表明，BR能較好地維持根分生組織分裂與分化的平衡。

圖2 BR調控根尖分生區Fig.2 BR regulates root apical meristem

3.3 BR調控根細胞伸長

細胞伸長對根系生長發育具有重要作用。研究發現，BR對根表皮細胞伸長具有特異作用。在根毛細胞中表達的BRI1促進了根伸長區內所有不同類型細胞的伸長，而在非根毛細胞中表達的BRI1則表現出相反作用［42］（圖3）。此外，非根毛細胞中BRI1表達還促進了ETH合成基因的表達，導致ETH含量增加，使得非根毛細胞的細胞壁中積累了大量結晶纖維素，從而抑制根的生長［42］。

圖3 BR調控根細胞伸長Fig.3 BR regulates root cell elongation

RALF（rapid alkalinization factor）是一種肽類激素。過表達AtRALF1能夠使根細胞體積減小，而沉默AtRALF1則能增加根細胞體積，從而促進根生長［43］（圖3）。RALF和BR同時處理則會使BR合成基因以及RALF誘導的與細胞壁重排相關的基因表達下調，從而影響根細胞生長［43］。

BR和AUXIN在根細胞生長過程中的拮抗作用通過BZR1完成（圖3）。BZR1主要在過渡區和伸長區的表皮細胞核中轉錄，能夠激活大部分參與細胞壁形成的基因表達，而AUXIN通過抑制BZR1轉錄，間接抑制這些基因表達，這表明BR和AUXIN在根細胞伸長中表現為相互拮抗［30］。

此外，最新研究表明，低氮可上調BAK1的表達量，通過激活BR信號，進一步促進下游BSK3表達，進而促進根細胞伸長［44］。

3.4 BR調控側根生長發育

植物側根能夠從周圍環境汲取水分和養分，對維持植物生長具有重要作用。AUXIN和BR共同調控側根生長發育（圖4）。早期研究發現，低濃度BR通過增加AUXIN的極性運輸促進側根的發育；相反，高濃度BR則抑制側根形成［45-46］。DWF4（dwarf 4）是BR合成路徑上的重要調控因子。研究發現，AUXIN通過促進DWF4轉錄來調控側根發育，且DWF4可促進BR合成，因此BR和AUXIN在調控側根發育方面表現出協同作用，雖然BR也可以抑制DWF4轉錄，但是DWF4的負反饋機制可能更多的是在維持BR含量穩定方面起重要作用［47-49］。此外，BR信號轉導的負調控因子BIN2 對側根發育有積極作用，Puna［47］推測，BIN2可能參與到DWF4的調控中，具體機制還需要進一步研究。在另一項研究中發現，BIN2在上游調控因子TDIF-TDR（tracheary element differentiation inhibitory factor-tdif receptor）作用下通過磷酸化ARF7/19，能夠進一步調節側根發育中的AUXIN信號［49］。Kim等［50］研究發現，過表達BARK1（BAK1-associatingreceptor-likekinase1）能夠促進側根發育，并觀察到ARF（auxinresponsefactor）的表達量在BARK1過表達植株中會被上調，因此猜測BARK1蛋白可能通過AUXIN的調控參與到BR調控的側根發育中。

此外，BR還與其他信號共同調控側根發育（圖4）。RALF是一種多肽信號，沉默AtRALF可以增加側根數量，而過表達AtRALF則減少側根數，且AtRALF能夠誘導BR合成路徑中DWF4和CPD（constitutivephotomorphogenesisanddwarfism）基因表達量下調，這些結果表明AtRALF在調控側根發育方面和BR相互拮抗［51］。RAV1是一種DNA結合蛋白，BR能夠下調RAV1轉錄，RAV1過表達能夠延緩側根發育，但具體機制還需進一步研究［52］。LPE（lysophosphatidylethanolamine）是 PLA2水解磷脂酰乙醇胺的產物，能夠激活BR信號轉導中的基因表達，促進側根發育［53］。Vercruyssen 等［54］發現，BR和CKX3（cytokinin oxidase/dehydrogenase 3）的聯合作用能夠進一步促進側根的形成和伸長，且認為CTK的缺乏增強了BR對側根生長的影響。之后研究發現，CTK受體基因AHK2和AHK3突變能促使植株產生高密度側根，且ahk2、ahk3雙突變體在側根生長中對BR高度敏感，這表明CTK通過AHK2和AHK3與BR在側根發育中相互拮抗［55］。Glc對調節側根發育也有重要作用，研究表明，Glc通過激活 HXK1（hexokinase 1）促進BR信號傳導，并通過調節根系中生長素輸出載體PIN1、PIN2、PGP1和MDR1以及生長素輸入載體AUX1、LAX2和LAX3的轉錄水平，促進參與側根發生的AUX/IAAs（IAA14/SLR等）的降解，AUX/IAAs的降解進一步激活ARF7/ARF19，從而促進側根的發育［46］。此外，最新研究發現，BR誘導BRS1（BRI1 suppressor 1）轉錄能夠促進側根原基突破內皮層、皮層和表皮，從而促進側根長出［56］。

圖4 BR調控側根生長發育Fig.4 BR regulates lateral root growth and development

3.5 BR調控根毛生長發育

根毛由分生區的表皮細胞分化形成，根毛的形成不僅增大了主根和側根的整體表面積，而且增強了與土壤周圍環境的互動（圖5）。表皮細胞因其在皮層細胞下的位置不同而發育成根毛細胞和非根毛細胞兩種不同類型的細胞，當表皮細胞位于兩個相鄰皮層細胞的空隙時會發育成根毛細胞，而緊鄰單個皮層細胞時會發育成非根毛細胞［57-59］。研究表明，根毛細胞的分化受到一系列轉錄因子調控，如WER（werewolf）、TTG（transparenttesta glabra）、GL3（glabra 3）、EGL3（enhancer of glabra 3）、GL2（glabra 2）、CPC（caprice）等［60-64］。Kuppusamy等［65］首次將BR應用于根毛發育的研究，提出BR對根毛細胞的調控是必需的，通過調控WER、GL2和CPC的轉錄來影響根毛細胞的早期發育階段，非根毛細胞中的BR信號通過作用于BRI1誘導WER表達，導致CPC積累，而CPC能夠轉移到鄰近的根毛細胞中，抑制WER和GL2表達。此外，Kuppusamy等［65］還進一步證實了根毛細胞中轉移進來的CPC能夠促進SCM（scrambled）積累，進一步抑制WER表達。Cheng等［66］研究發現，在沒有 BR 時，WER-GL3/EGL3-TTG1復合體由于WER表達量下調和BIN2的磷酸化導致其在根毛細胞和非根毛細胞中的形成和活性都受到抑制，從而抑制GL2表達；當有BR時，BR信號能夠抑制BIN2激酶活性，使得根毛細胞中的EGL3和TTG1未被磷酸化而行使正常功能，形成的WER-EGL3-TTG1復合體能夠促進GL2的表達；在非根毛細胞中，GL3與WER和TTG1形成復合體并促進GL2的表達。

最新研究發現，AGP21（arabinogalactan peptide 21）對根毛發育也是必需的（圖5）。BR信號激活轉錄因子BZR1正向調控AGP21，AGP21通過抑制GL2的表達，激活下游基因RHD6（roothairdefective6）、RSL4（roothairdefectivelike-4）、EXP7（exportin7），從而促進根毛的發育［67］。

圖5 BR調控根毛生長發育［33］Fig.5 BR regulates root hair growth and development［33］

3.6 BR調控根系向地性

植物根系向著地心引力的方向生長，能夠深入土壤中吸收水分和養分，維持地上部分生長。BR與AUXIN共同調控根的向地性。BR通過促進AUXIN輸出載體PIN2蛋白從根尖向伸長區的積累，并刺激ROP2（rho-of-plant2）在向性反應中的表達和分散定位，從而增強植物的向性反應［68］。Kim等［69］研究發現，BR能夠提高突變體auxi-7和pin2根的向地性，而施加AUXIN能夠減弱BR誘導的根系重力敏感性。Lanza等［70］研究發現，BR通過改變PIN2極性定位和AUXIN梯度來調節根的重力響應。BR信號轉導與內吞PIN2分選之間的相互作用，通過減少細胞伸長差異來確定重力誘導根彎曲的速率，BR通過調控PIN2分類和在細胞內的分布來控制著側向PIN2梯度的形成，但這并不是根系彎曲的先決條件，而是抑制了AUXIN的不對稱流動和信號轉導［71］。

BR還與其他信號共同調控根系向地性。Glc通過增加BR受體BRI1的內吞作用，增強BR信號轉導，誘導根偏差反應，而CTK和ETH與BR起拮抗作用，在BR下游起作用，以控制這種反應［72-73］。big5-1突變體和big3-1、big5-1雙突變體根系彎曲加速，表現出強的根系重力反應，用BR處理野生型擬南芥表現出扭曲的根系生長，相比之下突變體對BR處理不敏感，彎曲根顯著減少［74］。

4 展望

BR作為一種植物內源激素，與其他激素一樣，也有其龐大而復雜的信號調控網絡。雖然BR在根系發育過程中的主要調控機制研究已經取得很大進展，但仍有許多問題尚待研究，如：①為何低含量的BR能夠促進根系發育，而高含量的BR卻抑制根系發育；②BR是否還與其他信號分子在調控根系發育方面有關聯；③植物如何通過感受內外環境線索來控制BR動態平衡等。

綜上分析，今后應從以下幾個方面對植物根系展開研究：①從蛋白層面深入解析低含量BR和高含量BR調控根系發育的機制；②進一步挖掘與BR互作的其他信號分子種類及其互作機理；③從空間和時間方面研究根系中BR動態平衡機制；④從調控根系網絡的整體性方面研究BR與其他激素相互作用的分子機制。因此，對BR調控根系發育機制的深入研究，不僅為完善根系發育機制提供理論基礎，也對提高作物產量具有重要意義。