生長素受體及作用機制解讀

陳建坤

(安徽省臨泉第一中學 安徽阜陽 236400)

植物激素對植物體的生命活動起到重要的調節作用。不同的植物激素都有各自的受體和作用機制。作為信號分子,生長素需要通過與其受體特異性結合進行信號傳導,對植物細胞內基因組的表達進行調節,進而影響植物體的生長發育。相較于舊版教材,人教版新教材《選擇性必修1·穩態與調節》第五章第一節“植物生長素”中新增了生長素受體的相關知識:生長素首先與細胞內某種蛋白質——生長素受體特異性結合,引發細胞內發生一系列信號轉導過程,進而誘導特定基因的表達,從而產生效應。那么生長素的受體都有哪些種類?是否像動物激素受體一樣,分布在質膜外側或者細胞內?生長素與受體特異性結合后,又是如何影響基因組的表達,進而調節植物體的生命活動?下文將綜述生長素受體的種類及受體之間的聯系,為更深入的教學研究提供參考。

1 生長素

生長素(IAA)是發現最早的植物激素,也是研究者關注最多的一種植物激素。植物體內除了IAA 外,還存在其他的生長素類物質,如苯乙酸(PPA)和吲哚丁酸(IBA)。生長素在植物體內的合成部位主要是葉原基、嫩葉和發育中的種子,成熟的葉片中和根尖也會產生生長素,但數量甚微。目前已知植物體合成生長素的途徑有兩種:依賴于色氨酸的途徑和非依賴于色氨酸的途徑。生長素在植物體內有兩種不同的存在狀態:能夠自由移動的稱為自由生長素,與其他化合物(如糖、氨基酸)結合的稱為束縛生長素。自由生長素具有生理活性,而束縛生長素沒有生理活性,且二者可以相互轉變。高等植物體內生長素的運輸方式主要有極性運輸和非極性運輸。其中極性運輸是以載體介導的主動運輸過程,主要發生在胚芽鞘、幼莖、幼根的薄壁細胞之間,是一種短距離運輸;在成熟組織中,生長素可通過韌皮部進行非極性運輸,運輸方向取決于兩端有機物的濃度差等因素。生長素廣泛存在于高等植物體各個器官和部位,相對集中地分布在生長旺盛的部分。

生長素反應分為早期反應和晚期反應,前者包括膜上離子的流動,后者包括細胞伸長、細胞分裂以及胚胎形成。在生長素引發的信號轉導過程中,第一步是生長素與受體的特異性結合。近年來,科學家利用生物化學和分子生物學等相關研究手段,在擬南芥等材料中都證實了生長素受體的存在。目前研究最多的生長素受體是生長素結合蛋白1(ABP1)和運輸抑制劑響應蛋白1(TIR1)。

2 生長素結合蛋白1(ABP1)

ABP1 是一種在植物體內廣泛存在的糖蛋白。研究表明,ABP1 分子的C-末端具有定位到內質網的信號序列(KDEL);N-末端有一個疏水氨基酸構成的信號序列,有利于ABP1 在內質網膜間的運輸。ABP1蛋白結構中存在著A 框、B 框和C 框三個高度保守結構域,其中A 框和C 框可能與生長素結合位點有關。ABP1 主要分布在內質網膜上,也有少量的存在細胞質膜上、內膜系統中、細胞核中及細胞壁中,但只有質膜上的ABP1 才能與生長素發生反應。當受到生長素刺激后,大量閑置在內質網上的ABP1 會轉移到質膜上,與質膜上的一種跨膜停泊蛋白結合。

生長素結合于ABP1 的一個疏水性口袋中,在這個口袋的深處三個組氨酸和一個谷氨酸共同結合一個鋅原子,生長素的羧基與鋅原子結合,其芳香環與包括151 位的色氨酸在內的疏水基團集合,第2 位與155 位的半胱氨酸之間形成二硫鍵。當生長素與質膜上ABP1 的疏水區結合后,會引發質膜構象的改變,質膜上的離子通道發生變化,出現早期生長素反應,進而引發后續的信號轉導級聯反應。例如,用NAA處理煙草葉肉原生質體,在短短1—2 min 就導致質膜超極化;如果事先加入ABP1 抗體,則抑制質膜超極化,這就說明ABP1 參與了生長素誘導質膜超極化的生理過程。研究表明,ABP1 在酸性條件下,對生長素的結合敏感性更高。在pH 為5.0—5.5 時,ABP1 與生長素結合活性最高;而在pH>6 時,ABP1 就會逐漸喪失結合活性。

3 運輸抑制劑響應蛋白1(TIR1)

TIR1 蛋白最早是從具有抑制生長素運輸能力的擬南芥突變體中分離出來的。這類蛋白位于細胞中,具有F 盒(F-Box)序列,是負責蛋白質降解的SCF 蛋白復合體的組分之一。TIR1 蛋白富含亮氨酸重復序列,由內外兩層結構組成。內層在結合了肌醇六磷酸輔因子(InsP6)后形成單一開口的空腔,生長素可結合于空腔的內部。生長素作為一種“分子膠水”通過填充TIR1蛋白內表面的疏水空穴而增加TIR1 與底物Aux/IAA的作用,并使Aux/IAA 肽段結合在生長素的頂部。

TIR1 蛋白介導的生長素信號轉導與多種調節因子有關。生長素響應因子(ARFs)是指一類能與生長素早期反應基因啟動子中的生長素應答元件TGTCTC序列特異性結合的轉錄因子,能調節生長素反應基因表達的轉錄激活或抑制因子。ARF 就是一種重要的生長素響應因子,具有轉錄激活效應。Aux/IAA 是被生長素快速誘導表達基因的一種,其產物Aux/IAA 蛋白是一種定位到細胞核的短命蛋白。典型的Aux/IAA 蛋白具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4 個保守的氨基酸序列基序,結構域Ⅰ、Ⅱ位于N 端,而結構域Ⅲ和Ⅳ位于C端。其中,結構域Ⅰ有著強大的轉錄抑制作用,結構域Ⅱ是Aux/IAA 蛋白與TIR1 的結合位點,結構域Ⅲ和Ⅳ可與ARF 結合形成異源二聚體,抑制ARF 活性,從而抑制引發與生長素有關的反應。

當沒有生長素或生長素濃度較低時,Aux/IAA 蛋白相對穩定,并且能夠與ARF 蛋白結合形成異源二聚體,抑制ARF 功能。當細胞內生長素濃度升高時,生長素與TIR1 結合后,再與結合了ARF 的Aux/IAA蛋白結合,轉移到SCF 蛋白復合體上。在ATP 供能的情況下,復合體上Aux/IAA 蛋白被泛素化,再被SCF 中蛋白酶降解,釋放出ARF,解除Aux/IAA 蛋白對ARF 的抑制作用。被釋放激活的ARF 可形成同源二聚體,并通過其N 端的DNA 結合結構域DBD(DNA binding do-main)結合生長素早期應答基因啟動子區的生長素響應元件(auxin response element,AuxRE),從而觸發下游信號轉導和基因表達。

4 兩種受體之間的對比

通過對比兩種受體介導的信號轉導過程,可以看出兩種生長素受體所介導的信號轉導機制存在著明顯的不同。質膜上的ABP1 受體與生長素結合后,通過引起質膜上離子通道的變化,引發后續的級聯反應,主要介導生長素的早期反應。而細胞內的TIR1受體與生長素結合后,引起Aux/IAA 蛋白通過泛素途徑被降解,激活ARF,啟動一系列生長素反應相關基因的表達,從而使生長素反應順利進行,偏向于介導生長素的晚期反應。另外研究表明,TIR1 受體和ABP1 受體還存在兩方面區別:(1)對生長素的選擇性不同;TIR1 更傾向于與IAA 結合,ABP1 則傾向于與NAA 結合。(2)親和活性所依賴的pH 值不同;大豆的ABP1與1-NAA 結合作用的最適pH 是5.0—5.5,而擬南芥中TIR1 與IAA 級聯實驗的pH 為7.2—7.5。

目前,關于生長素受體相關研究仍在不斷深入。關于兩種受體信號轉導的具體過程和反應,研究還不夠全面具體。而且僅靠這兩種受體還不能較為系統地構建生長素受體反應體系,仍需要進一步研究發現新的生長素受體,以完善生長素信號轉導機制。