油菜素内酯的生物合成及信号转导研究进展

熊书

摘要：油菜素内酯作为一类甾醇类激素，在植物体内广泛分布。油菜素内酯在植物细胞生长、根茎伸长、种子发芽、生殖发育和向性建成等生长发育过程中发挥着重要作用。本文综述了BR生物合成和信号转导途径近年来的重要进展。

关键词：油菜素内酯;生物合成;信号转导;进展

中图分类号：Q94     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）19-0111-02

油菜素内酯（brassinosteroids，BR）作为一类甾醇类激素，在植物体内广泛分布。油菜素内酯在植物的种子发芽、根茎伸长生长、光形态建成、维管束分化、向性建成和生殖发育等发育和生长过程中起到重大的作用，同时BR还具有增强植物抵抗高温、低温和高盐等不利生长条件的功能。

一、油菜素内酯的生理功能

将表油菜素内酯（24-EBL）施用植物时，植物的组织、器官表现出一系列的生理反应。已有的研究表明，BR不仅能改变植物内源激素的平衡、酶的活性以及膜电位，刺激植物细胞的伸长生长，还能刺激DNA复制、RNA转录及蛋白质的翻译，增强乙烯的合成和光调活性等。

1.细胞伸长。BR可促进黄瓜的下胚轴、豌豆和绿豆的上胚轴、单子叶植物的中胚轴和胚芽鞘及幼苗茎的伸长，植物幼嫩的营养器官对BR响应尤其明显。BR通过调控植物细胞液泡膜H+-ATPase的组装，促进液泡吸收水分，从而引起细胞的快速伸长生长。Yang等的研究表明，油菜素内酯的转录因子BESl可直接与全部的拟南芥纤维素合成酶基因的启动子区域结合，开启这些基因表达。

2.细胞分裂。同时向中国大白菜使用3种激素时，将刺激细胞团和细胞簇的形成，增强原生质体的分裂的速度。Hu等利用拟南芥悬浮细胞det2首次研究BR对细胞分裂的影响，发现BR能提高周期蛋白基因CycD3——一种D型植物细胞周期蛋白基因的表达。一般来说，通过CycD3途径，BR能刺激细胞分裂，CTK也能通过激活CycD3蛋白而刺激细胞分裂，而且BR在拟南芥的B悬浮细胞与愈伤组织中具有CTK的功能。

3.细胞分化。通过观察拟南芥cpd突变体茎的横切面，显示茎的形成层分化不对等，且另外的韧皮部细胞在形成层以外形成，与拟南芥dwf7-1突变体的表型相同。另外突变体维管束的数目减少到6个，而野生型有8个。Cano-Delgado等报道两个BR受体BRL1和BRL3在导管组织中特异性表达，而且突变体brl1表现出异常的韧皮部/木质部分化比率。

4.根系生长。外源添加低浓度的BR有利于不定根的形成和主根的生长，同时还可以诱导侧根的形成，BR和生长素对于侧根的形成具有正向作用，并且对于侧根的形成可能是部分由脂酶A完成的;而高浓度BR会阻碍侧根形成和主根生长。目前认为，BR促进根发育可能是通过调节生长素极性运输实现的。BR促进植株顶端生长素的运输，是侧根发育所必须的。

二、油菜素内酯的生物合成

通过给植物幼苗和培养的细胞饲喂标记物，利用GC/MS研究代谢产物，基本阐明了由鲨烯（squalene）前体最终生成BR的反应过程。鲨烯还原生成Campestanol时，在侧链和甾醇体上经过氧化、羟化步骤，同时在C-6位酮基化（在C-22、C-23、C-2和C-3位置的修饰前和后进行酮基化）。反应的两个途径分别叫早期C-6氧化前途径与晚期C-6氧化后途径。在早期C6氧化途径，作为BR生物合成的开始，芸苔甾醇（campesterol）通过加氧、羟化、氧化变成6-氧芸苔甾烷醇（6-oxocampestanol），6-氧芸苔甾烷醇再进行羟化生成茶甾酮，茶甾酮继续脱水、羟化生成香蒲甾醇，最终形成油菜素内酯和油菜素甾酮。通过研究水稻和烟草幼苗及培养细胞，证实了6-脱氧油菜素甾酮可以直接生成油菜素甾酮，表明在许多植物中也存在晚期C6氧化途径，这是BR生物合成的另一途径。除了水稻和烟草外，菊芋和拟南芥也存在早期和晚期C6氧化途径。研究还显示，在不同光质下，BR的生物合成和代谢途径可能有差异，在黑暗中可能启动早期C6氧化途径，在光下主要进行后期C6氧化途径。

三、油菜素内酯的信号转导

近年来，通过生物化学和分子生物学等技术，人们利用BR突变体研究BR信号转导过程，取得了极大的进展。

1.BR信号在质膜上的感知。在高等植物中，BRI1是BR主要的受体。突变掉番茄、水稻、以及大豆中的BRI1将导致BR不敏感的表型。BRI1是BR信号在质膜上感知的主要成分，BRI1的胞外区直接参与了BR的信号识别。最近的研究显示，C-末端的磷酸化程度与BRI1的活性直接相关，且BRI1的激活必需要BR的参与。作为负调控因子的BRI1蛋白C-末端，主要调节该蛋白的活性。BAK1能够与BRI1形成异源二聚体，参与BR的信号转导过程，BAK1不影响BR和BRI1的结合。在豇豆原生质体中，Russinova等利用FRET（fluorescence resonance energy transfer）技术，发现BRI1可结合成同源二聚体于质膜上，在质膜上BRI1和BAK1可生成异源二聚体。BAK1在BR信号传导中的作用机制还不十分清楚。

BRS1在BR信号转导途径的前期发挥功能。当过表达的BRS1基因可以互补bri1-9和bri1-5的表型，bri1-9和bri1-5都是BRS1的胞外域突变体，但不能互补bri1-5/dwf4-1和bri1-1（为胞内域突变体）双突变的表型，所以，BRS1的活性和BR的生物合成及对BRS1发挥其作用非常关键。BRS1有很强的水解活力，位于胞外。TTL和TRIP-1是BRS1的两个下游信号分子。TRIP-1的特异位点可被体外重组的BRS1胞内激酶域磷酸化，经过体内免疫共沉淀实验，同时证实他们可相互作用，由此推测TRIP-1可能是胞质BRS1的底物，调控植物的生长发育。BK11与BRS1互作，对BR信号传递途径进行负调控。BKI1作为BRS1分子的底物，当胞质中甾类分子浓度较低时，位于质膜上的BKI1与BRS1的同源二聚体互作，进而抑制BAK1与BRS1的相互作用，抑制BR信号转导途径。当BRS1的胞外域与甾类分子结合后，BRS1被诱导产生磷酸化及活化，然后活化的BRS1与BK I1分离，最终BR信号转导途径被激活。endprint

2.BR从细胞膜表面受体到细胞核的信号转导传递途径。BIN2作为BR信号转导的负调控因子。利用BIN2-GFP研究显示，BIN2既可以定位在细胞质中与细胞膜上，还可以定位于细胞核中。BIN2对BR信号在细胞内的传递起负调控作用，但BAK1和BRI1皆不能与BIN2互作，使BIN2蛋白磷酸化。通过遗传筛选，发现BZR1和BZR2/BES1是BIN2的底物。BZR1和BES1是BR信号途径下游特异的调控因子。BZR1作为BR合成的调控蛋白定位于细胞核内。BZR1是一种具有调节下游生长反应及BR生物合成双重功能的转录抑制因子。具有双重功能的BZR1说明它在BR信号转导途径中起到重要的调控作用。BZR2/BES1作为转录激活因子，也定位于细胞核内。最近的研究显示，SAUR-like基因的启动子中的E-box（CANNTG）可与BES1结合，BES1被位于细胞核内的BIN2磷酸化，致使磷酸化的BES1丧失与响应基因启动子结合的能力，从而影响其转录活性，因此，调控的关键是BES1的磷酸化。作为一种核蛋白，BSU1能够对BES1的磷酸化进行调控。与BIN2蛋白的功能相反，通过阻碍BES1的磷酸化，BSU1导致去磷酸化的BES1积累，然后抑制bin1和bri2的表型缺陷。

四、讨论

虽然BR分子生物学已取得很大进展，但仍然有许多地方需要深入研究。BR生物合成途径中各环节的酶未完全确定;BIN2的活性调控机理，BES1和BZR1及其他家族成员对目的基因调控和BR分子的合成和降解途径也需要进一步的研究;BR与植物激素间相互作用，相互影响以及调节植物生长发育的进程也需要进一步的阐明。通过研究不敏感和敏感BR突变体，克隆出大量的BR生物合成、信号转导和调控相关的基因，可为我们寻找到更多的与BR对植物生长发育和调控作用有关的信息。

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