植物生理專題 2015 激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)課件

1、內(nèi)容: 合成(信號的產(chǎn)生)、運(yùn)輸(胞間信號傳遞)、感受(受體)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和應(yīng)答(細(xì)胞反應(yīng))Binding to receptorProduction of active hormoneSignal transductionDownstream effectsHTransportDownstream effectsTranscriptionNon-genomic effects (e.g. Ion channel regulation)SynthesisBreakdownHHConjugationDe-conjugationProtein phosphorylationProtein depho

2、sphorylationPProteolysisAuxin regulates plant developmentWolters, H., and Jrgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: 305317.Inhibit branching in the shootPromote branching in the rootLateral organ initiation at the s

3、hoot apical meristemMaintain stem cell fate at the root apical meristemPatterning and vascular development 發(fā)現(xiàn) 極性運(yùn)輸 生長素受體 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第一節(jié)、生長素 (Auxin)生長素的許多效應(yīng)是通過改變基因表達(dá)而引發(fā)Wolters, H., and Jrgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet.

4、10: 305317.Genes controlling cell growthGenes coordinating other hormone response pathwaysGenes involved in signaling一、發(fā)現(xiàn)：Site of responseSite of signal perceptionCharles Darwin studied the way seedlings bend towards light, a direct effect of auxin actionColeoptile drawing from Darwin, C., and Darwi

5、n, F. (1881) The power of movement in plants. Available online.Darwin concluded that a signal moves through the plant controlling growth“We must therefore conclude that when seedlings are freely exposed to a lateral light some influence is transmitted from the upper to the lower part, causing the la

6、tter to bend.”Coleoptile drawing from Darwin, C., and Darwin, F. (1881) The power of movement in plants. Available online. Photograph of Darin statue by Patche99z植物體內(nèi)生長素水平的調(diào)節(jié)1) 通過IAA合成速率的調(diào)節(jié)；2) 通過與大分子量的和低分子量的化合物結(jié)合，形成無活性的絡(luò)合物； 3) 通過IAA降解速率的調(diào)節(jié)；4) IAA在細(xì)胞中的區(qū)域化(如在液泡)以及運(yùn)輸，調(diào)節(jié)細(xì)胞液中游離IAA的水平。三、生長素的運(yùn)輸：極性運(yùn)輸：只能從形態(tài)學(xué)

7、上端向形態(tài)學(xué)下端運(yùn)輸。Redrawn from Robert, H.S., and Friml, J. (2009) Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: 325-332.極性運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)滲透學(xué)說:Auxin is a charged anion (IAA-) in the cytoplasm (pH 7). In the more acidic cell wall (pH 5.5) some is uncharged (IAAH). The uncharged form crosses the pl

8、asma membrane into the cell where it is deprotonated and unable to exit other than through specific transporters.IAA- + H+IAAHCytoplasm pH 7IAA-IAAHIAA- + H+Cell wall pH 5.5IAA- 的向外運(yùn)輸是通過內(nèi)部負(fù)向膜電勢所驅(qū)動3. 在細(xì)胞質(zhì)中(pH7)，IAA解離成IAA-，堆積在細(xì)胞質(zhì)中；1. 以IAAH形式通過被動擴(kuò)散作用或以IAA-形式通過共向運(yùn)輸體進(jìn)入細(xì)胞；2. 細(xì)胞壁通過質(zhì)膜H+-ATP酶保持酸性；4. 通過IAA-外運(yùn)

9、載體逃逸出去.IAA極性運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)滲透模型酸生長學(xué)說IAA與質(zhì)膜上的受體結(jié)合，經(jīng)跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)， 增強(qiáng)質(zhì)膜H+-ATPase活性，把H+運(yùn)送到初生細(xì)胞壁， 降低細(xì)胞壁的pH值，使細(xì)胞壁酸化， 使某些對酸不穩(wěn)定的鍵(如氫鍵)斷裂，并激活降解細(xì)胞壁的酶和活化擴(kuò)展蛋白，使多糖分子之間聯(lián)系松弛，細(xì)胞壁更容易伸展（可塑性增加），引起細(xì)胞壓力勢降低，水勢降低，細(xì)胞吸水，促進(jìn)細(xì)胞的縱向擴(kuò)大（即細(xì)胞伸長生長）。 證據(jù)：1）IAA促進(jìn)細(xì)胞生長的效應(yīng)是很快的，從處理到發(fā)揮效應(yīng)的時間大約是10分鐘，同時伴隨著細(xì)胞壁的酸化；2）在中性緩沖液中，即使有IAA，細(xì)胞伸長也會受到抑制；3）在無IAA的酸性緩沖液中，仍然可促進(jìn)

10、細(xì)胞的伸長生長。生長素促進(jìn)細(xì)胞生長的酸生長學(xué)說模型1.生長素受體植物生長素的研究已有100 多年，但生長素受體到底為何物一直是懸而未決的問題。生長素受體是研究生長素信號傳導(dǎo)鏈的最重要環(huán)節(jié)，近幾十年來人們對它的研究始終未曾放松過，并經(jīng)歷了曲折而漫長的探索過程。在這個探索過程中，大體上有兩條線路。第一條：生長素結(jié)合蛋白ABP(auxin binding protein)的研究 根據(jù)存在位置，命名為：ABP1（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）、ABP2（質(zhì)膜）和ABP3（液泡膜）ABP1是最早被認(rèn)為最可能是生長素受體候選者(Batt et al.1976)。幾十年來無數(shù)實驗證明：單、雙子葉植物中都發(fā)現(xiàn)ABP1同系物；且都參

11、與生長素誘導(dǎo)的細(xì)胞伸長和分裂等過程。如：一些類生長素物質(zhì)的生物活性與其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的結(jié)合活性呈正相關(guān)；用NAA處理煙草葉肉質(zhì)體在1-2分鐘就導(dǎo)致質(zhì)膜超極化；如果事先加入ABP1抗體，則抑制質(zhì)膜超極化，說明ABP1參與了生長素誘導(dǎo)質(zhì)膜超極化過程。但這些仍不能說明ABP1 是生長素的受體。第二條路線：蛋白質(zhì)降解途徑的研究上世紀(jì)末期，在研究生物體內(nèi)泛素-蛋白酶體參與的蛋白質(zhì)降解途徑中，發(fā)現(xiàn)生長素可引起某些蛋白質(zhì)降解、從而激活有關(guān)基因的表達(dá)。但對生長素如何啟動有關(guān)蛋白降解知之甚少。Ruegger等(1997)篩選到一種生長素運(yùn)輸受到抑制的擬南芥突變體，從中分離到TIR1基因，其產(chǎn)物稱之為運(yùn)輸抑制劑響應(yīng)蛋

12、白1(transport inhibitor response protein 1，TIR1)，但他們1998年證實，TIR1在生長素運(yùn)輸中并不起作用。生長素受體TIR1的發(fā)現(xiàn)TIR1是含有F-box的蛋白質(zhì)。F-box是一個蛋白質(zhì)與另一個蛋白質(zhì)結(jié)合的特征性結(jié)構(gòu)域，因此推測TIR1的作用可能是生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的一個成員。Gray等(2001)發(fā)現(xiàn)TIR1可直接與Aux/IAA蛋白結(jié)合并啟動其降解。之前人們就注意到Aux/IAA蛋白是參與生長素誘導(dǎo)的生理反應(yīng)中特異的蛋白成分。Aux/IAA是高等植物中普遍存在的一類蛋白，分子量20-30 kD。擬南芥中有29個編碼Aux/IAA蛋白質(zhì)的基因。Au

13、x/IAA屬于早期的生長素反應(yīng)基因，大部分基因的轉(zhuǎn)錄受生長素的上調(diào)。生長素受體TIR1的發(fā)現(xiàn)2005年用放射性標(biāo)記證明：3HIAA結(jié)合于SCFTIR1復(fù)合體(泛素連接酶3)上，即生長素受體存在于SCFTIR1復(fù)合體上。植物中的SCFTIR1 復(fù)合體包括CUL1、ASK1、RBX1和TIR1，前3種蛋白是SCF復(fù)合體所共有，且在植物和動物中都相當(dāng)保守。隨后證明生長素是和TIR1、而不是和Aux/IAA蛋白結(jié)合，即生長素受體是TIR1、而非Aux/IAA蛋白。在一定IAA濃度范圍內(nèi)TIR1與Aux/IAA蛋白的結(jié)合能力隨著IAA 濃度的提高而加大，表明TIR1與Aux/IAA蛋白結(jié)合是依賴于生長素

14、的。二者的結(jié)合在加入生長素5min后就發(fā)生，20min后二者的結(jié)合達(dá)到飽和(Yang 2004)。2005年Nature連續(xù)有兩篇論文(Dharmasiri等2005a; Kepinski和Leyser 2005)給出了明確的答案：認(rèn)為TIR1就是人們長期尋找的植物生長素受體。生長素與TIR1的結(jié)合可促進(jìn)TIR1與Aux/IAA的結(jié)合生長素與TIR1結(jié)合誘發(fā)AUX/IAA蛋白泛素化，并進(jìn)一步被蛋白酶體降解解除AUX/IAA蛋白抑制，轉(zhuǎn)錄因子活化SCFTIR1IAAIAAARFAux/IAA1. Auxin binds to SCFTIR1 and Aux/IAA2. Aux/IAA ubiqu

15、itinated and degraded by 26S proteasome3. Degradation of repressor permits transcriptional activation by ARF transcription factorsARF生長素解除AUX/IAA蛋白抑制，轉(zhuǎn)錄因子活化RNA聚合酶泛素蛋白酶體TIR1介導(dǎo)的生長素信號傳遞途徑根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子的不同，生長素誘導(dǎo)基因可分為：早期基因(或初級反應(yīng)基因)：其表達(dá)是被原來已有的轉(zhuǎn)錄因子活化刺激所致，所以使用外源蛋白質(zhì)合成抑制劑不能抑制早期基因的表達(dá)。其表達(dá)所需時間很短，從幾分鐘到幾個小時。5大基因家族類：AUX/IA

16、A基因家族、SAUR基因家族、GH3、類GST基因家族、ACC合成酶家族。早期基因上必須有能被生長素激活的啟動子才能被誘導(dǎo)表達(dá)。這些啟動子上具有能被生長素活化的轉(zhuǎn)錄因子及直接或間接結(jié)合的區(qū)域，即生長素響應(yīng)元件(ARF)，調(diào)節(jié)早期基因表達(dá)。早期基因（初級反應(yīng)基因）在沒有IAA的條件下，ARF與AUX/IAA蛋白質(zhì)結(jié)合形成不活化的異源二聚體，抑制ARF和其它早期基因的轉(zhuǎn)錄，無生長素效應(yīng)。加入IAA后，活化的泛素連接酶把AUX/IAA蛋白質(zhì)破壞、降解，形成活化的ARF同源二聚體，與早期基因啟動因子ARF結(jié)合，活化轉(zhuǎn)錄，引起生長素的響應(yīng)，表現(xiàn)出生理反應(yīng)。晚期基因（次級反應(yīng)基因）某些早期基因編碼的蛋白能

17、夠調(diào)節(jié)晚期基因的轉(zhuǎn)錄；晚期基因轉(zhuǎn)錄對激素的反應(yīng)是長期反應(yīng)；因為晚期基因需要重新合成蛋白質(zhì)，所以其表達(dá)能被蛋白質(zhì)合成抑制劑所抑制。第二節(jié)、赤霉素(GAs)- 植物高度的調(diào)節(jié)劑一、發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)特征 1926.研究水稻惡苗病中發(fā)現(xiàn)，由赤霉菌分泌物引起水稻徒長； 1935.從Gibberella fujikuroi分理出這種物質(zhì)（赤霉素）； 1959：確定化學(xué)結(jié)構(gòu)，命名為GA1, GA2, GA3雙鍵、羥基數(shù)目和位置不同形成了各種赤霉素；按碳原子總數(shù)可分為: C19赤霉素: 種類多，生理活性高；GA1，GA3, GA7, GA30, GA38. C20赤霉素: 種類少，生理活性低或沒有活性；二、赤霉素的

18、分布、運(yùn)輸和水平調(diào)節(jié)1. 分布：莖端、嫩葉、根尖、發(fā)育中的種子和果實、萌發(fā)中的種子的含量較高，也是合成GA的主要部位。種子成熟后，活性赤霉素水平很低。運(yùn)輸沒有極性。2. 植物體內(nèi)GAs水平的調(diào)節(jié)： a.GAs的降解通過羥基化作用被轉(zhuǎn)變成非活性物質(zhì); b.GAs與其它物質(zhì)結(jié)合轉(zhuǎn)變成無活性的束縛型GAs，是運(yùn)輸和貯藏主要形式。 c.在植物中高活性的GAs可以轉(zhuǎn)變成低活性的GAs。三、GAs的主要生理作用1.GAs促進(jìn)植物莖節(jié)生長，特別是對矮生突變植物(dwarf)：矮變植物合成GAs的途徑受阻，因而缺乏足夠的GAs，表現(xiàn)出矮化現(xiàn)象。外施GA就可以刺激生長。GAs主要作用于已有的節(jié)間伸長，而不是促進(jìn)

19、節(jié)數(shù)增加。用GA處理，顯著促進(jìn)整株莖的伸長。不存在超最適濃度的抑制作用。赤霉素促進(jìn)莖節(jié)伸長的作用機(jī)理矮變種玉米的形成是因為缺乏使其它形式GAs轉(zhuǎn)變成GA的酶、也可能是缺乏GAs受體或GAs信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑某個環(huán)節(jié)發(fā)生了突變引起的。玉米矮生突變種中，只有GA控制著莖的伸長；控制GA合成的基因綠色革命基因Distinguished plant breeder and Nobel LaureateNorman Borlaug 1914-200920世紀(jì)作物產(chǎn)量的巨大增加(“綠色革命”)是由于不斷增加的化肥使用和半矮化品種的引入。這些半矮化品種將能量更多地用于籽粒生產(chǎn)而不是莖稈生長，并且更健壯和抗倒伏。P

20、hotos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.一些綠色革命基因影響GA合成Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd. (Nature) Sasaki, A., et al. (2002) Green revolution:A mutant gibberellin-synthesis gene in rice Nature 416: 701-702, copyright 2002.; Olszewski, N., Sun, T.p.,

21、and Gubler, F. (2002) Gibberellin sgnaling: Biosynthesis, catabolism, and response pathways Plant Cell 14: S61-S80.Semidwarf rice varieties underproduce GA because of a mutation in a the GA20 oxidase biosynthetic gene.Wild-typeSemidwarfActiveGA促進(jìn)莖節(jié)伸長的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑Low GANo transcriptionGA receptorDELLA prot

22、einGA-responsive transcription factorGADELLAHigh GATranscriptionGrowth promotionProteolysisDELLA 蛋白抑制生長，部分是由于抑制了轉(zhuǎn)錄過程。GA 激活DELLA 蛋白的水解。Reprinted from Davire, J.-M., de Lucas, M., and Prat, S. (2008) Transcription factor interaction: a central step in DELLA function. Curr. Opin. Genet. Devel. 18: 2953

23、03.凡是影響DELLA蛋白穩(wěn)定性的基因就是一個 “green revolution” 基因The wheat Rht1 locus encodes a DELLA protein. The dwarf allele lacks the DELLA domain and resists proteolysis.GADELLAWild-typeTranscriptionGADwarf rht1Rht1rht1rht1Reprinted by permission of Macmillan Publishers, Ltd. Peng, J., et al. (1999) Green revolution genes e