植物激素水杨酸：生物合成、信号转导与运输

摘 "要：水杨酸是一种重要的植物激素，其不仅参与调节植物生长发育的多个方面，并且在植物抵抗生物和非生物胁迫中也发挥着重要作用。近年来，对于水杨酸生物合成和信号转导的相关研究取得重大进展，水杨酸生物合成的异分支酸合酶和苯丙氨酸解氨酶代谢途径及其多个步骤得到进一步的完善；明确了NPR1及其同源蛋白NPR3、NPR4是植物中水杨酸的真正受体；对NPR类蛋白的结构进行解析等。该文对水杨酸的生物合成、信号转导和运输的相关研究进行综述。

关键词：植物激素；水杨酸；生物合成；信号转导；运输

中图分类号：Q946 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2096-9902（2024）08-0013-04

Abstract： Salicylic acid is an important plant hormone， which not only regulates many aspects of plant growth and development， but also plays an important role in plant resistance to biotic and abiotic stresses. In recent years， great progress has been made in the research on Salicylic acid biosynthesis and signal transduction： the metabolic pathways and several steps of isochorismate synthase and phenylalanine ammonia-lyase in Salicylic acid biosynthesis have been further improved， and it is clear that NPR1 and its homologous proteins NPR3 and NPR4 are the real receptors of Salicylic acid in plants. The structure of NPR proteins was analyzed. This paper reviews the related studies on the biosynthesis， signal transduction and transport of Salicylic acid.

Keywords： plant hormone; Salicylic acid; biosynthesis; signal transduction; transport

水杨酸（Salicylic acid， SA）是植物合成的众多酚类化合物之一。SA不仅参与调节植物生长发育的许多方面，而且在植物抵抗生物与非生物胁迫中发挥着重要的作用。研究表明，内源性SA作为植物免疫的内部防御信号发挥作用，外源喷施水杨酸同样影响植物的生长和发育，主要包括光合作用、呼吸、种子萌发、气孔关闭、开花和衰老等[1]。而SA在植物免疫中最显著的作用之一是其在植物系统性获得抗性（systemic acquired resistance， SAR）合成中的作用，SAR与感染部位和全身组织中SA水平的增加息息相关。

随着对SA的深入研究，异分支酸合酶（ｉｓｏｃｈｏｒｉｓｍａｔｅ ｓｙｎｔｈａｓｅ，ＩＣＳ）和苯丙氨酸解氨酶（ｐｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅ ａｍｍｏｎｉａ－ｌｙａｓｅ，ＰＡＬ）途径作为植物合成ＳＡ的重要途径，其合成相关的酶类已基本被解析。近期，也有研究表明ＮＰＲ１（ｎｏｎｅｘｐｒｅｓｓｏｒ ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓ－ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ １）为ＳＡ受体，解决了多年来的科学争论，ＳA的生物合成和信号转导过程进一步得到完善[2]。

1 "SA的生物合成与储存

人们普遍认为，植物通过2条途径来合成SA：ICS途径和PAL途径。2种途径都起源于莽草酸（Shikimic acid）途径所产生的分支酸（chorismate acid， CA），然后经过一系列的酶促反应，最终合成SA，其中部分酶并没有被鉴定出来。在不同的植物中，2条途径对SA生物合成的重要性不同，甚至同一植物体内的SA含量也不相同。SA含量在植物细胞内受到严格的化学修饰调节，从而产生一些非活性分子，这些非活性分子可以在细胞内储存，直到需要激活SA触发的响应为止。

1.1 "ICS途径

SA生物合成的ICS途径始于CA，然后在叶绿体中通过ICS转化为异分支酸（isochorismate， IC），该途径在细菌中首次被发现，并且由异分支酸裂解酶（isochorismate pyruvate lyase， IPL）催化IC转化为SA。随着研究的进一步深入，科学家发现植物拥有自身独特的ICS途径。在叶绿体中，ICS将分支酸转化为IC，然后通过EDS5（enhanced disease susceptibility 5）将IC转运到细胞质中。在细胞质中，PBS3 （AvrPphB susceptible 3）催化L-谷氨酸与异分支酸结合，产生IC-9-Glu（isochorismoyl-9-glutamate）；而SA的最终合成通过2条不同的途径来完成：其一是在没有酶的情况下，SA的合成由IC-9-Glu自发衰变产生；其二为EPS1催化加速SA的合成。然而，第二条途径只发生在芸苔科植物中，这在一定程度上说明其他科的植物可能含有其他的酶类催化或者依赖于IC-9-Glu的自发衰变合成SA[3]。因此，植物与细菌的ICS途径存在较大差异，植物中ICS途径的完善为研究植物SA生物合成提供了巨大的贡献。

1.2 "PAL途径

植物通过PAL途径同样产生SA，尽管PAL途径在SA的生物合成中具有重要的作用，但是PAL是一种上游酶，其也可能催化产生其他的防御相关化合物。分支酸变位酶（Chorismate mutase， CM）在SA合成中将分支酸转化为预苯酸（prephenic acid）；PAL是PAL途径中第一种被确定的酶，其负责将苯丙氨酸（phenylalanine， Phe）转化为反式肉桂酸（trans-cinnamic acid， t-CA）；AIM1 （abnormal inflorescence meristem 1）是多功能蛋白质（MFP）家族的成员，能够催化t-CA转化为苯甲酸（benzoic acid， BA）；而苯甲酸羟化酶（benzoic acid 2-hydroxylase， BA2H）尚未被纯化，其可能负责将BA转化为SA。因此，PAL途径起始于分支酸，由CM催化分支酸产生预苯酸，然后被还原成苯丙氨酸，进而由PAL将苯丙氨酸转化为t-CA。t-CA进一步通过邻香豆酸（ortho-coumaric acid， o-CA）或苯甲酸2种中间体转化为CA，而AIM1催化t-CA转化为苯甲酸，苯甲酸可能经由BA2H催化合成SA；o-CA可直接合成SA。PAL途径中的中间体和产物不仅是SA的生物合成所必需的，也是其他次生代谢物的生物合成所必需的。

1.3 "SA合成的调控

Wildermuth等通过研究鉴定出了2个假定的ICS基因ICS1和ICS2。在ics1突变体中SA积累大幅度降低，ics1和ics2双突变体完全丧失诱导合成SA的能力，这表明内源途径是拟南芥合成SA的主要途径[4]。ICS1和ICS2都定位于叶绿体，ICS2具有较低的酶活性，其反应速率约为ICS1的一半，与ICS1相比，在病原体感染后，ICS2产生的SA含量明显较低[4]。

近年来，科研人员已经发现多个参与调节SA生物合成或积累的重要基因表达的转录因子。van Verk等研究表明，WRKY家族转录因子可能在SA信号通路中具有重要作用。其中，WRKY28 （WRKY DNA binding protein 28）可直接或间接激活ICS1基因的表达，通过在-460和-445两个结合位点以及可能在其他位点结合启动子，从而促进ICS的合成。此外，SARD1 （Systemic Acquired Resistance Deficient 1）及其同源物CBP60g （CaM-Binding Protein 60g）也被鉴定为病原体诱导SA合成的重要调节因子，在sard1与cbp60g双突变体中，病原体诱导的局部和系统叶片中的SA合成被完全阻断，导致局部和系统抗性严重受损。Zhang等[5]证明了SARD1和CBP60g是DNA结合蛋白，在对病原体感染的反应中，SARD1和CBP60g都被招募到ICS1启动子中，这表明它们直接调节ICS1的表达和SA的合成。最新研究表明PBS3在植物合成SA中也发挥着巨大的作用[3]，然而关于其转录相关的研究较少。

1.4 "SA的储存

SA合成后可以被转化成多种衍生物。这些分子既可以作为SA的可运输形式，也可以作为SA的非活性/存储形式。SA的非活性形式主要有SA葡萄糖酯（SGE）、SA葡萄糖苷（SAG）、水杨酸甲酯（MeSA）及水杨酸甲酯O-β-葡萄糖苷（MeSAG）。当植物遭受病原体感染后，新合成的SA会大部分形成SAG，只有少部分会形成SGE。SAG可能在细胞质中形成，然后被运输到液泡中，在病原体攻击后可以水解释放出游离的SA，而SGE大部分位于液泡之外[6]。

例如，拟南芥通过UDP-糖基转移酶UGT74F1和UGT74F2来完成SA的糖基化，而这二者定位于细胞质，并由SA所诱导[7]。尽管这2种酶具有77％的相同性，并且具有保守的活性位点残基，但它们催化形成不同的产物：UGT74F1催化形成SAG，而UGT74F2主要形成SGE。SAG和SGE很容易被水解成活性SA，这些活性SA可以被重新动员到其他细胞位置发挥作用，然而对于SAG和SGE水解的机制尚不清楚。除了糖基化作用，SA还可以通过羧基甲基转移酶（carboxy methyltransferases， SAMT）的活性形成MeSA，在拟南芥中，AtBSMT1编码一个羧基甲基转移酶，该酶可能以BA或SA作为底物形成MeSA。而MeSA可以被甲基酯酶（methylesterases， MESs）转化为活性SA。甲基化赋予SA更好的膜渗透性和挥发性，促进其从植物中释放。

2 "SA的信号转导

在过去的三十年里，关于SA信号通路领域的研究取得了巨大的进展，而在SA信号通路的关键免疫因子中，NPR1是SA介导的植物防御的主要调节因子。人们普遍认为，植物和动物激素通过结合一个或多个受体来实现信号传递。从20世纪90年代初开始，研究人员已经陆续发现了几十种SA结合蛋白（SABPs），然而，只有NPR1、NPR3和NPR4被证明是真正的SA受体[8]。

2.1 "SA信号接收

2.1.1 "NPR1

在发现SA是内源性信号之后，为了鉴定在SA下游起作用的关键成分，研究人员通过多个正向遗传筛选来鉴定对SA或其活性类似物无反应的拟南芥突变体，在研究中首次鉴定出了NPR1突变体。NPR1是一种转录共激活因子，研究发现，在相同的饱和浓度下，相较于NPR4（8%），样本中的NPR1只有0.02%能与SA结合，这一研究结果在一定程度上解释了很少检测到NPR1的SA结合活性的原因，并且Wu等也证明了NPR1直接结合SA，结果表明，SA的结合导致NPR1的构象变化，并伴随着C端反转录激活域从N端自抑制BTB/POZ域释放，而位于C端反转录激活域的2个aa残基（Cys521/Cys529）是SA结合所必需的。在NPR1同源系中，Cys521/529不是普遍保守的。然而，金属与蛋白质的相互作用并不严格限于Cys，目前尚不清楚SA是否通过与其他能够结合金属辅助因子的aa残基相互作用的类似机制结合和调控这些蛋白。在未诱导的条件下，NPR1主要以低聚复合物的形式存在于细胞质中，其分子之间通过二硫键连接；而在病原菌或SA的诱导下，NPR1会逐渐从聚合形态转换为单体状态，并且这些单体状态的NPR1会在细胞核里积累以激活相关基因的表达。

2.1.2 "NPR3/4

NPR3和NPR4是NPR1的同源蛋白，二者功能冗余。研究表明，NPR1正调节SA介导的植物免疫，而NPR3和NPR4被证明对植物免疫具有负调节作用。但尽管对于NPRs进行了大量的研究，但其结构直到近期才被解析。Wang等的研究进一步证明了SBC在感知SA中的关键作用。随后将NPR4的SBC结晶，并确定其结构为2.3 A分辨率，NPR4的SBC结构由5个紧密排列的α-螺旋和C端四螺旋束状折叠（C-terminal four-helix-bundle-like fold）组成[9]。总的来说，SA结合袋的特点是位于受体SBC结构域的中心位置和总体疏水性，SA结合袋将SA完全埋在四螺旋束状折叠的锥形末端内腔中，不留下配体进入或逃逸的空隙。同时Wang等研究表明，NPR1还配备了能够感知SA的潜在SBC模块（氨基酸386-525）。尽管NPR1和NPR4具有几乎相同的激素结合残基，但NPR4对SA的亲和力要高得多，而NPR3和NPR1的SA结合亲和力相当。通过揭示NPR4 SBC感知SA的结构机制，为人们明确NPR蛋白的结构-功能关系提供了新的方向。

2.2 "SA信号转导的调控

NPRs自身没有与DNA结合的区域，因此需要通过与转录因子（transcription factor， TF）的相互作用来进行信号传导，并调控下游基因的表达。

在细胞核中，NPR1与转录因子相互作用，诱导致病相关基因的表达，从而促进防御反应，然而对于NPR1表达的调节尚未得到广泛研究。研究表明，功能性NPR1蛋白是NPR1充分表达所必需的，到目前为止，只有2种转录因子被发现与NPR1的启动子结合。WRKY18是一种SA诱导的蛋白，其是第一个被报道专门识别NPR1启动子中的W-box基元的转录因子（NPR1启动子中的W-box基序对其基因表达至关重要），Chen等研究发现WRKY18与NPR1相互作用，而SA会增强这种相互作用。同时，研究还发现，在SA处理下，其他几个WRKY基因表达上调，这表明WRKY家族的其他蛋白也有可能参与了NPR1基因的调控。NPR1蛋白还通过募集CDK8（cyclin-dependent kinase8）和WRKY转录因子间接调节自身的基因表达，例如，NPR1能够通过与转录因子相互作用来结合自身启动子的W-box基序[8]。

3 "SA在植物体内的运输

3.1 "角质层和SA运输

叶片中总SA的一部分来自于表皮角质层中，这表明角质层中也存在SA，这种表皮中SA的存在形式也解释了自公元前400年以来柳树树皮的药用特性。植物角质层通常被认为是与环境隔绝的被动屏障，Lim等研究表明，运输出叶绿体的SA被输送到细胞外部和角质层，角质层参与调节防御激素SA的主动运输。在角质层缺陷突变体中，增加的蒸腾作用和降低的水势优先将SA输送到角质层而不是到质外体，导致SA长距离运输的缺陷，从而损害SAR诱导剂哌可酸（Pipecolic acid）的远端积累，并且SA在共质体和角质层之间的分配是由蒸腾作用调节的。SA在细胞质中合成后，在中性胞质酸碱度下，SA主要以去质子化形式存在，随着SA对病原体感染的反应而积累，由于积累的SA的去质子化，细胞质中的H+水平预计会升高。H+的增加可能导致质膜上的质子差异，反过来又可以促进SA以依赖于酸碱度和载体的方式快速输出到质外体区。与叶绿体膜不同，SA能够双向渗透质膜，这与SA最初转运到受感染叶片的质外体，随后再进入远端未感染细胞的共质体一致[10]。

3.2 "细胞间运输

SA一旦在细胞中合成后，其含量受到严格的调控，要么会被转化为非活性形式进行存储，要么会向其他部位运输。而SA运输旅程的下一步就是向临近细胞的传播。SA通常通过质外体途径进行运输，由于其化学特性，SA通过依赖于酸碱度的扩散和载体介导的机制穿过植物细胞膜。

3.3 "长距离运输

在病原菌侵染过程中，SA通过拟南芥和烟草的质外体在韧皮部积累。将14C标记的SA通过涂抹叶片背面引入葡萄幼苗，经过研究发现SA不易向外运输，具有以韧皮部运输为主（也可少量木质部运输）、向下运输为主的特点。虽然木质部在SA介导的运输过程中所起的作用尚不清楚，但Rocher等也研究发现SA通过韧皮部运输到根系，并通过木质部少量向上分配，这有助于解释植物对生物胁迫和外源SA施用的响应特性。

4 "结束语

目前，对于植物激素SA的生物合成和信号转导方面的研究取得了重大进展。植物体内SA生物合成的2条途径得到了很大的完善，SA信号的感知以及相关调控也进一步被研究。但是，随着深入研究，发现还有诸多问题不明晰，这些问题的探索对于未来农业的发展意义重大。

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