植物矮生性中油菜素內(nèi)酯的作用機理研究

摘 要：綜述了油菜素內(nèi)酯的來源、分布和內(nèi)源水平、代謝通路上一些重要的突變體的表型特征及它們的等位突變體突變發(fā)生的規(guī)律、信號傳遞和作用機理的研究進(jìn)展，并對該領(lǐng)域的深入研究進(jìn)行了討論與展望。

關(guān)鍵詞：固醇類激素；油菜素內(nèi)酯；矮化突變體

中圖分類號 Q946.885 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）21-20-02

矮化在農(nóng)作物品種選育上可以說是一個優(yōu)良的農(nóng)藝性狀。發(fā)掘、利用矮稈基因?qū)τ诋?dāng)代作物育種具有重要的現(xiàn)實意義。目前公認(rèn)矮化是幾類激素相互協(xié)調(diào)作用的最終結(jié)果，但研究主要集中在傳統(tǒng)激素上。1971年發(fā)現(xiàn)油菜素內(nèi)酯類似物（brassinosteroids，BRs）在促進(jìn)植物的細(xì)胞伸長和分裂過程中不同于傳統(tǒng)的五大類激素（GA、IAA、CTK、ABA、ETH）的功能特點，使BRs作為第六類植物激素編入教科書[1]。對植物矮化突變體的研究顯示，與油菜素類固醇相關(guān)的矮化突變也不少，探討油菜素內(nèi)酯（brassinosteroid，BR）在植物矮生性中的作用機制已成為研究該類激素的熱點。

1 植物中的BR

1979年，Grove等從油菜（Brassicanapus）的花粉中分離提取出一種新的植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)油菜素醇類物質(zhì)，并經(jīng)X廣衍射和超微量分析確定了其結(jié)構(gòu)，其主要有效成分即為油菜素內(nèi)酯類似物，是一組具有很高生物活性的固醇類物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)與動物固醇類激素結(jié)構(gòu)類似，在植物體內(nèi)作為執(zhí)行細(xì)胞通訊的化學(xué)信息，在代謝、生長、形態(tài)建成等植物生理活動的各個方面均起著十分重要的作用[2]。

至今為止，在高等植物的27個科和低等植物的3個科都發(fā)現(xiàn)有BR[3]，已分離出60多種與BR類似的化合物，都為BRs。它們廣泛分布于植物界[4]，但是BR的內(nèi)源水平相當(dāng)?shù)?。其中花粉和未成熟種子中BR的含量最豐富，但僅為1～100ng/gfw，莖和葉中則含量更低，僅為0.01～0.lng/gfw。BR在幼嫩組織中的含量比成熟組織中含量高，所以其在幼嫩組織中比在老組織中有更大的生理效應(yīng)；僅有少數(shù)研究表明其含量與特定的細(xì)胞類型有關(guān)[4]。在不同種類的BR中，BR2（油菜素甾酮，Castasterone，CS）分布最為廣泛，其次是BR1（油菜素內(nèi)酯，Brassinolide，BL）、BR7（香蒲甾醇，Typhasterol8，TY）、BR8（茶甾酮，Teasterone，TS）、BR5（6-脫氧油菜素甾酮，6-deoxocastasterone）、BR15（28-去甲基油菜素甾酮，28-norcastasterone）等，其它BR則分布在有限的幾種植物中[5]。

2 BR的生理功能

BR生物合成突變體的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實，BR是植物生長發(fā)育的必需物質(zhì)。它的生理功能包括調(diào)節(jié)莖的伸長、葉的伸展、根的生長、花粉管生長、質(zhì)子泵活化及管狀分子分化以及逆境脅迫適應(yīng)能力等[6]。其中促進(jìn)器官伸長是其生理功能的一個重要方面，已報道了在15種植物中BR具有促進(jìn)幼嫩營養(yǎng)組織生長的作用。BR促進(jìn)生長的機制既不同于生長素，也不同于赤霉素。BR在促進(jìn)生長的過程中具有雙重的作用：縱向伸長和橫向擴展。這似乎具備了生長素和赤霉素的雙重功效。

3 與BR相關(guān)的矮化突變體

近年來，從擬南芥、豌豆、西紅柿中分離出大量BR突變體，這些突變體都表現(xiàn)為矮壯、葉闊、深綠色，大多數(shù)突變體育性降低，生活周期延長，在黑暗中生長胚軸變短，子葉擴大[7]。根據(jù)對外源施用BRs的反應(yīng)，BR突變體可分為BR生物合成缺陷型突變體和BR反應(yīng)不敏感型突變體兩大類。在此僅介紹與代謝途徑相關(guān)基因突變體。

3.1 BR生物合成缺陷型突變體 最早發(fā)現(xiàn)的BR缺乏突變體是擬南芥DET2矮化突變體，當(dāng)用BRs處理DET2矮化突變體可使其在黑暗和光照生長條件下向野生恢復(fù)。研究結(jié)果表明：DET2催化的反應(yīng)是BR生物合成途徑中主要的限速步驟。在BR生物合成途徑中位于DET2反應(yīng)之后的所有中間產(chǎn)物都可以拯救DET2的表現(xiàn)型[8]。擬南芥矮稈SAX1（hypersensitive to abscisic acid and auxin）突變體因?qū)ιL素超敏感而被分離純化，用BR處理SAX1突變體能使其株高得到恢復(fù)，從而證明它是一個與BR生物合成相關(guān)的突變體[9]。DWF1（DWF1/DIM1/CBB1）突變體是Feldamann從擬南芥T-DNA插入突變體群體中鑒定出來的[10]，施加外源BR可使矮稈突變體的株高向野生型恢復(fù)，這些突變體還都影響擬南芥光調(diào)節(jié)的個體發(fā)育。擬南芥的CPD（CBB3/DWF3）突變體在黑暗中脫黃化并且能抑制光誘導(dǎo)基因的表達(dá)。在光照下CPD突變體植株高度只有野生型3%～5%[11]。

此外，當(dāng)施用某些種類的BRs時，豌豆LKB突變體的節(jié)間可恢復(fù)正常，它也是一個BR缺乏的矮生突變體[12]，喪失了5α-還原酶的活性，因此可能是擬南芥DET2的同源基因[13]。番茄的DPY（dumpy）突變體為自然矮化突變體，外源施加BR后其株高能被完全互補而恢復(fù)正常。研究表明，DPY突變體與擬南芥的CPD突變體一樣可能也缺乏由6-脫氧CS向6-脫氧teasterone的轉(zhuǎn)化[14]。

3.2 BR不敏感型突變體 BR反應(yīng)不敏感突變體在表型上與BR生物合成缺陷型突變體相似，但施用BR后株高不能恢復(fù)為野生型。這類突變體是由于對BR的應(yīng)答受阻或BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的必要成員缺失或受損造成的。在分析擬南芥根系生長受抑原因時發(fā)現(xiàn)的Bril1突變體，其幼苗與其他BR敏感突變體一樣表現(xiàn)為植株矮化，但通過外施BRs的方法株高不能恢復(fù)為野生型的高度[15]。目前，在豌豆、水稻、大麥、番茄中也發(fā)現(xiàn)了一些BR非敏感型突變體，這些突變體都是與擬南芥BRI1基因同源的突變體。對BR缺陷型和不敏感型突變體的深入研究，將有助于明確其突變體矮化發(fā)生機理，對新發(fā)現(xiàn)的矮化突變體的研究具有重要的借鑒作用。

4 討論與展望

目前關(guān)于油菜素內(nèi)酯的研究還只是處于生理代謝水平，在分子生物學(xué)方面也只限于與某些基因有關(guān)和促進(jìn)某些基因的表達(dá)等研究。它在光調(diào)節(jié)中的作用，比如在光調(diào)節(jié)進(jìn)程中油菜素內(nèi)酯是如何起到光的負(fù)調(diào)控作用的，油菜素內(nèi)酯是怎樣參與光形態(tài)建成的，怎樣作用于光調(diào)節(jié)基因而影響它們表達(dá)的，光信號又是怎樣作用于油菜素內(nèi)酯而起到光調(diào)節(jié)作用的等研究才剛剛起步。目前發(fā)現(xiàn)的BRI1-富含亮氨酸重復(fù)序列的蛋白激酶，人們還不能確定它就是BRs的受體。BR生物合成途徑中各環(huán)節(jié)的酶未完全確定，即使是已經(jīng)知道的一些酶，其作用機制也只是推測，需要用生化、分子生物學(xué)手段進(jìn)一步驗證。

今后，以下方面的研究將可能加深對BR作用機理的認(rèn)識：（1）繼續(xù)進(jìn)行BR相關(guān)突變體的篩選，進(jìn)而分離、克隆新的參與生長的基因，研究其表達(dá)和功能；（2）進(jìn)行目前認(rèn)為是一些重要基因的過表達(dá)研究，了解在BR促進(jìn)生長中這些基因如何起作用；（3）關(guān)于BR代謝通路上的固醇及其代謝產(chǎn)物，對其在控制植物胚胎或者維管的形成以及BR介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面的作用機理進(jìn)行研究，以確立固醇在植物生長發(fā)育中的作用。這些問題的研究解決不僅可以深化對BR相關(guān)突變機理的認(rèn)識，而且將有助于指導(dǎo)其他植物的矮稈突變體的研究。

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（責(zé)編：陶學(xué)軍）