植物油菜素內(nèi)酯信號通路與植物免疫相關(guān)研究進(jìn)展

王喆 王璐 宋旭明等

摘要 油菜素內(nèi)酯是一種甾醇類植物激素，近年的研究表明其在植物生長發(fā)育等過程中起重要作用。近年來油菜素內(nèi)酯與植物生長相關(guān)的研究不斷被報道，但對于植物中油菜素內(nèi)酯信號通路及其介導(dǎo)的植物防御反應(yīng)分子機(jī)制的了解相對較少。對近年來油菜素內(nèi)酯信號傳導(dǎo)途徑分子機(jī)制及其介導(dǎo)的植物對病原物等防御反應(yīng)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞 油菜素內(nèi)酯;信號途徑;分子機(jī)制;植物免疫

中圖分類號 Q945文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2019）04-0026-04

Abstract Brassinosteroids （BRs）is a sterol phytohormone，and recent studies have shown that it plays an important role in plant growth and development.In recent years，there are lots of progresses in studies brassinosteroids in plant growth and development.However，there is little understanding of the molecular mechanisms of BRs signaling transduction and its functions in plant defensive responses.In this study，the research progresses of the molecular mechanism of BRs signaling pathway and plant defences of BRs against biological stresses were reviewed.

Key words Brassinosteroids;Signaling pathway;Molecular mechanism;Plant immunity

植物在生長等發(fā)育過程中經(jīng)常受到諸如病毒、細(xì)菌、真菌、卵菌、線蟲以及昆蟲甚至是其他植物的侵襲。一般植物都是固著生長，不能通過改變空間位置來躲避不利影響。植物自身也沒有專門用來執(zhí)行免疫功能的細(xì)胞。為了能夠生存與繁衍，植物在與病蟲害等長久的對抗中進(jìn)化出了一套精密高效的免疫系統(tǒng)[1]。如當(dāng)病原物入侵時，植物細(xì)胞可以通過不同的受體來識別病害（如細(xì)菌和真菌的鞭毛蛋白與致病因子、幾丁質(zhì)等）來激活相應(yīng)的免疫反應(yīng)[2]。

植物激素雖然分子結(jié)構(gòu)簡單，胞內(nèi)含量很低，但在調(diào)控植物細(xì)胞的生長和分裂，植物發(fā)育與形態(tài)建成，器官形成與凋亡等植物生理代謝過程中起重要作用[3]。當(dāng)外界環(huán)境不利于植物生長時，植物激素可以提高植物的抗逆性[4]。很早以來，類固醇類激素是動物中非常重要的激素，但是在約30年前才發(fā)現(xiàn)類固醇類物質(zhì)在植物中也起激素的作用，發(fā)現(xiàn)油菜（Brassica napus）的花粉提取物中的生長促進(jìn)活性為一種名為蕓苔素內(nèi)酯（brassinolide，BL）的類固醇化合物[5]。之后，一系列油菜素內(nèi)酯（brassinosteroids，BR）的激素被發(fā)現(xiàn)，其中BL是油菜素內(nèi)酯類激素中國際上公認(rèn)的活性最高、最廣譜的化合物[6]。據(jù)報道，BR除了具有促進(jìn)植物生長發(fā)育等作用外，也參與了植物免疫防御反應(yīng)[7-9]。筆者主要介紹近來年BR信號通路與植物抗病抗蟲相關(guān)的研究進(jìn)展。

1 BR信號途徑

擬南芥的遺傳學(xué)研究證明了油菜素內(nèi)酯在植物發(fā)育過程中起重要作用，鑒定出了許多包括BR生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基因[10]。細(xì)胞內(nèi)BR信號傳導(dǎo)途徑由受體蛋白、激酶、細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子如BZR等一系列元件組成，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮作用[11]。BR信號傳導(dǎo)過程，首先細(xì)胞膜表面受體BRI1（brassinosteroid insensitive 1）和輔助受體BAK1（BRI1-associated receptor kinase 1）形成的復(fù)合物，由復(fù)合物共同識別BR分子;之后，BR信號途徑通過BSK1（BR-signaling kinases 1）、BSU1（BRI1 Suppressors 1）、PP2A（protein phosphatase 2A）和CDG1（constitutive differential growth 1）、BKI1（BRI1 kinase inhibitor 1）、BIN2（brassinosteroid insensitive 2）等信號組分，激活BZR1（brassinozole-resisent 1）和BES1（BRI1-EMS-SUPOPRESSOR 1）等轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控BR應(yīng)答相關(guān)基因的表達(dá)[12-14]。

1.1 BR信號在細(xì)胞膜上的識別

Kinoshita等[15]研究發(fā)現(xiàn)位于細(xì)胞膜上的leucine-rich（LRR）受體激酶BRI1是BR信號識別的關(guān)鍵組成部分。同時，施用BL處理擬南芥幼苗可以誘導(dǎo)BRI1自身磷酸化，也表明BRI1參與BR信號的識別。除此之外，在擬南芥中BRL1（BRI1-like receptor kinase 1）基因編碼一個富亮氨酸重復(fù)受體激酶，序列比對顯示BRL1與參與BR感知的BRI1相似度很高[16]。

BAK1是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于植物類受體激酶SERK家族，是BR信號識別的輔助受體[17]。BAK1是一個跨膜蛋白，胞外LRR的結(jié)構(gòu)域具有識別配體的功能，而胞內(nèi)激酶域往往通過磷酸化作用調(diào)節(jié)胞內(nèi)信號功能[18]。Wang等[12]研究發(fā)現(xiàn)BRI1識別BR需要BAK1的協(xié)助，在植株體內(nèi)BRI1正向調(diào)節(jié)BAK1磷酸化;通過離體試驗發(fā)現(xiàn)BRI1對BAK1的特定結(jié)構(gòu)域進(jìn)行磷酸化，并且BAK1也可以磷酸化BRI1，從而增加BRI1激酶對特定底物的活性。植物體需要BRI1和BAK1互作形成具有活性的復(fù)合物識別BR信號[19]。因此，BRI1和BAK1共同調(diào)控植物BR信號的識別。此外，Liu等[8]研究發(fā)現(xiàn)BIR1（BAK1 intreacting receptor 1）基因編碼了一個可以和BAK1相互作用的受體激酶蛋白，并發(fā)現(xiàn)BIR1可能是BAK1的抑制因子。

BKI1是BRI1的負(fù)調(diào)控蛋白，由Wang等[20]通過酵母雙雜交方法篩選得到。BKI1本身沒有激酶活性，但可以被BRI1激酶磷酸化。BKI1與激酶活性缺失的BRI1互作更強(qiáng)，說明在沒有BR時BRI1未被激活前BKI1和BRI1互作能力更強(qiáng)。人們認(rèn)為BKIl的負(fù)調(diào)控機(jī)制是通過與BRI1的激酶區(qū)互作而阻止了正調(diào)控蛋白BAK1等與BRIl的接近，使兩者不能形成有活性的BRIl-BAKI復(fù)合體，從而抑制了BR信號的傳遞[20-22]。

1.2 BR信號在細(xì)胞質(zhì)中的傳導(dǎo)

BR信號在細(xì)胞質(zhì)中傳導(dǎo)包括BRI1/BAK1激酶復(fù)合物形成、CDG類受體激酶磷酸化、BSK激酶磷酸化、BSU磷酸酶激活以BIN2激酶磷酸化。

BSK1是屬于RLCK亞家族（RLCK-XII）的一種蛋白激酶，生物信息學(xué)、生化和遺傳分析表明BSK在BR信號傳導(dǎo)中起作用[23]。Tang等[23]通過生物信息學(xué)發(fā)現(xiàn)BSK基因序列結(jié)構(gòu)在N末端含有激酶催化結(jié)構(gòu)域，在C末端含有四極肽重復(fù)序列，同時也發(fā)現(xiàn)在BSK蛋白上存在與質(zhì)膜結(jié)合有關(guān)的豆蔻酰化位點(diǎn)。當(dāng)細(xì)胞膜表面的BRI1/BAK1受體復(fù)合物識別BR后磷酸化BSK1，促進(jìn)BSK1與BSU1磷酸酶結(jié)合并激活磷酸酶活性[13]。另外，Kim等[24]研究發(fā)現(xiàn)一個名為CDG1的類受體細(xì)胞質(zhì)激酶正調(diào)節(jié)BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo);BRI1通過Ser234位磷酸化CDG1，CDG1激酶磷酸化激活BSU1。CDG1通過獨(dú)立途徑磷酸化激活BSU1，BSU1去磷酸化保守的pTyr200殘基使BIN2失活[13]。GSK3是高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[25]。

BIN2作為油菜素內(nèi)酯信號途徑的關(guān)鍵信號元件，通過磷酸化BZR1和BZR2來負(fù)調(diào)控BR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[25]。Peng等[25]研究表明BIN2通過12個氨基酸的BIN2-docking motif和BZR1的C端結(jié)合，從而磷酸化BZR1，進(jìn)一步研究表明該基序缺失將抑制生物體內(nèi)的BZR1的磷酸化和隨后的降解。Sreeramulu等[26]則發(fā)現(xiàn)BSK可以與BIN2相互作用，且BIN2中Lys69位氨基酸殘基是BIN2激酶產(chǎn)生活性的關(guān)鍵位點(diǎn)。蛋白酶體降解系統(tǒng)可調(diào)控BIN2的降解，外源施用BR生物合成抑制劑和活性BR分別可以增加和減少BIN2蛋白的積累，使用MG132蛋白酶抑制劑不僅可以阻止BR誘導(dǎo)帶來的BIN2蛋白降解，還可以使BR對BIN2酶活性的抑制效果消失[27]。也有研究表明，BSU1可以直接抑制BIN2磷酸化BZR1，但是不能使已經(jīng)磷酸化的BZR1去磷酸化[13]。在擬南芥BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，BSU1磷酸酶和BIN2激酶相互拮抗調(diào)節(jié)BZR1和BZR2的磷酸化[28]。BIN2可以對BZR1和BZR2多個位點(diǎn)進(jìn)行磷酸化，其中包括通過14-3-3蛋白啟動BZR1向細(xì)胞核外轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞質(zhì)膜滯留[29-30]以及抑制DNA結(jié)合和轉(zhuǎn)錄活性[29，31-32]等機(jī)制。失去活性的BIN2不再抑制BES1/BZR1家族轉(zhuǎn)錄因子，同時PP2A使磷酸化的轉(zhuǎn)錄因子BZR1和BZR2去磷酸化[33]。

1.3 BR信號在細(xì)胞核內(nèi)的傳導(dǎo) BR信號細(xì)胞核內(nèi)傳導(dǎo)主要與BZR家族轉(zhuǎn)錄因子去磷酸化，以及通過BZR與結(jié)合BR途徑反應(yīng)基因的啟動子結(jié)合來激活或抑制BR途經(jīng)相關(guān)基因。

BZR1是BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑細(xì)胞核內(nèi)重要組分[34]。轉(zhuǎn)錄因子BZR1可直接結(jié)合細(xì)胞核DNA調(diào)控大量的BR途徑靶基因表達(dá)[35]。核內(nèi)去磷酸化的BZR1和BES1/BZR1通過特異性結(jié)合下游基因的啟動子，從而調(diào)控BR途徑應(yīng)答相關(guān)基因表達(dá)[36-37]。BZR1和BES1/BZR1與下游基因結(jié)合的識別位點(diǎn)序列不同，啟動基因后轉(zhuǎn)錄活性也不同[37]。BZR1可以結(jié)合CGTG（T/C）G的序列位點(diǎn)，這個序列位點(diǎn)被命名為BRRE。BRRE元件存在于CPD、DWARLF4等BR抑制基因的啟動子序列中[37-38]。因此BZR1被認(rèn)為在BR合成中起負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用，BES1/BZR1的功能則相反。BES1/BZR1可以結(jié)合BR途徑下游靶基因的啟動子，從而調(diào)控BR的生物合成。BES1/BZR1結(jié)合bHLH-type（basic helix-loopHelix-type）轉(zhuǎn)錄因子BIM1、Ebox序列（CANNTG）等啟動子從而調(diào)控下游相關(guān)基因表達(dá)[36]。Ryu等[30，39]研究表明， BZR1蛋白的磷酸化狀態(tài)影響了BZR1在植物細(xì)胞內(nèi)的空間分布，調(diào)控BZR1蛋白在細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)間的穿梭;同時還發(fā)現(xiàn)BIN2和其他GSK3-like激酶通過調(diào)節(jié)其與14-3-3蛋白的結(jié)合親和力來磷酸化BES1并誘導(dǎo)其核輸出，在BES1中鑒定了12個磷酸化殘基位點(diǎn);在這些基序中，Ser171和Thr175殘基是BES1與14-3-3蛋白質(zhì)相互作用的關(guān)鍵位點(diǎn);另一個BIN1介導(dǎo)的BES1核輸出需要N端區(qū)域的磷酸化位點(diǎn)。

2 BR與植物免疫

BR不僅可以調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，還參與調(diào)控植物對生物脅迫的免疫反應(yīng)。但不同的植物以及應(yīng)對不同的生物脅迫時，BR在植物免疫反應(yīng)中的作用也存在差異。

2.1 BR途徑參與植物抵御病菌侵染

BR途徑在植物抵御病原物侵染時也發(fā)揮正調(diào)節(jié)的作用[40-41]。在擬南芥中，bak1缺陷型植株在感染壞死性病原物灰霉?。˙otrytis cinerea）和黑斑?。ˋlternaria brassicicola）后會出現(xiàn)蔓延性壞死。外源BL施加可以拯救bak1突變體的生長缺陷，但不能恢復(fù)對真菌感染的免疫[42]，同時Marcos等[43]研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中9-LOX衍生的oxylipins誘導(dǎo)BR合成和信號傳導(dǎo)以激活基于細(xì)胞壁的反應(yīng)，BR受體BRI1缺失突變體bri1賦予了植株對于丁香假單胞菌的抗性。在煙草中也有研究表明，BAK1促成對致病疫霉菌的抗性[44]。Heese等[45]分析發(fā)現(xiàn)，BAK1作為植物中病原物相關(guān)分子模式（PAMPs）誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)（PTI）的重要組成部分，可以參與識別細(xì)菌鞭毛蛋白，激活植株的免疫反應(yīng)，從而更有效地限制病菌的侵染。最近Yan等[7]發(fā)現(xiàn)BSK1可以和免疫受體FLS2（flagellin sensing 2）相互作用，而FLS2對誘導(dǎo)PTI具有至關(guān)重要的作用;同時發(fā)現(xiàn)BSK1和MAPPKKK5可以相互作用并使MAPPKKK5磷酸化，bsk1突變體和mapkkk5突變體對真菌白粉病原體（Golovinomyces cichoracearum）敏感性增加。這些結(jié)果表明BSK1通過磷酸化MAPKKK5調(diào)節(jié)植物免疫，明確了植物免疫中從免疫復(fù)合物到MAPK級聯(lián)的信號傳導(dǎo)模式[7]。此外，外施BL處理可以增強(qiáng)煙草抵御丁香假單胞桿菌（Pseudomonas syringae pv.tabaci）和白粉病菌（Oidium sp.）侵染[40]。BR處理可以使大豆在抵御大豆根腐病防御反應(yīng)中的過氧化物酶（peroxidase，POD）以及苯丙氨酸解氨酶（phenylalanine ammonia-lyase，PAL）活性增加，表明BR對抗大豆疫霉根腐病有一定的效果[46]。對葡萄噴施2，4-表油菜素內(nèi)酯后，相較于噴水處理的對照組都表現(xiàn)出了一定程度地對霜霉病和灰霉病的抗性[47]。在水稻中，BL處理增強(qiáng)了水稻抵御稻瘟病菌和白葉枯病菌的能力[40]。也有研究報道表明，BR途徑可能通過和14-3-3蛋白的互作中參與水稻對于真菌病害的防御反應(yīng)[48]。

有研究報道，BR途徑負(fù)調(diào)控植物抵御病原菌的侵染[49-53]。在擬南芥中，HBI1（homolog of brassinosteroid enhanced expression2 interacting with IBH1）是BR誘導(dǎo)植物免疫反應(yīng)的正調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子，過量表達(dá)HBI1基因的擬南芥突變體對BR處理十分的敏感，對BR生物合成抑制劑銅-唑類具有更強(qiáng)的抗性;但該基因的過量表達(dá)抑制了擬南芥部分對丁香假單胞桿菌的免疫功能[53]。Halter等[54]研究發(fā)現(xiàn)Pst DC3000處理擬南芥bir2突變體后，植株體內(nèi)水楊酸和PR1的含量劇烈上升，單位面積病原菌數(shù)量明顯減少，但bir2對真菌的抵抗力降低;通過進(jìn)一步研究表明，BIR2通過阻礙BAK1/FLS2復(fù)合物的形成負(fù)調(diào)節(jié)植物免疫。在水稻中，相較于無處理對照組，BL處理后水稻更容易感染腐霉病菌，根部腐霉病更加嚴(yán)重[51]。

2.2 BR途徑參與植物抵御病毒侵染

BR在抵御植物病毒入侵方面的作用也十分值得關(guān)注。在擬南芥中，BR受體BRI1缺失型突變體bak1-4和bak1-5對煙草花葉病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）、油菜花葉病毒（Oilseed rape mosaic virus，ORMV）和蕪菁皺縮病毒（Turnip crinkle virus，TCV）敏感，表明BR識別輔助受體BAK1在抗病毒侵染中發(fā)揮重要作用[55]。有研究表明，2，4-表油菜素內(nèi)酯（EBR）處理降低了黃瓜花葉病毒（Cucumber mosaic virus，CMV）對西葫蘆植株的侵染水平，同時噴施表油菜素內(nèi)酯也明顯降低西葫蘆葉片中病毒含量，提高了西葫蘆對CMV的抗性[56]。Nakashita等[40]利用brassinazole（BR生物合成的特異性抑制劑）證實類固醇激素BR參與煙草對TMV的防御反應(yīng)。Deng等[57]研究發(fā)現(xiàn)，外施BL提高煙草對TMV的抗性，而外施GSK3激酶抑制劑Bikinin削弱了煙草對TMV侵染的抗性;沉默NbBZR1和NbBSK1基因可阻斷BL誘導(dǎo)所產(chǎn)生的對TMV的抗性，沉默NbBZR1和NbBSK1基因抑制Bikinin誘導(dǎo)的感病性。以上的結(jié)果表明，在煙草參與抵御TMV的過程中，BR信號途徑起到了正調(diào)節(jié)的作用。而在水稻中BL處理可以誘導(dǎo)水稻抵抗稻瘟病菌和白葉枯病菌侵染[40]。用 EBR（油菜素內(nèi)酯類似物）處理黃瓜后可以增強(qiáng)黃瓜對 CMV 的抵抗能力[58]。在園藝植物玫瑰中通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究表明，外施BR在玫瑰抵御灰霉病原菌Botrytiscinerea中起重要的正調(diào)控作用[59]。這些結(jié)果表明，BR途徑可以正調(diào)控植物防御病毒侵染。

2.3 BR途徑參與植物抵御線蟲侵染

在番茄上噴施EBR提高了番茄體內(nèi)幾丁質(zhì)酶（CHT）活性提升，減少了番茄的根結(jié)數(shù)和線蟲數(shù)[60]。同時田間試驗表明，在黃瓜、西瓜以及甜瓜等作物上噴施表油菜素內(nèi)酯對于根結(jié)線蟲的危害具有緩解作用[61]。Nahar等[52]研究表明，根施低濃度的外源BL誘導(dǎo)了根對根結(jié)線蟲（Meloidogyne graminicola）的敏感性，而高濃度的BL卻提高了水稻對這種線蟲的系統(tǒng)防御;進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)BR途徑和茉莉酸（JA）途徑在水稻根系中相互拮抗，BR途徑的免疫抑制效應(yīng)部分和JA通路存在負(fù)相關(guān)性;而BR受體BRI1缺失突變體d61則對根結(jié)線蟲高抗。Song等[62]研究發(fā)現(xiàn)，BR在番茄抵抗根結(jié)線蟲過程中起到了正調(diào)節(jié)作用，外源BR降低了番茄植物對南方根結(jié)線蟲的敏感性。這表明BR信號途徑參與了植物抵御根結(jié)線蟲侵染。

2.4 BR途徑參與植物抵御昆蟲侵染

Yang等[63]研究發(fā)現(xiàn)，在煙草中沉默NaBAK1基因?qū)煵萏於辏∕anduca sexta）具有一定的抗性。在創(chuàng)傷誘導(dǎo)后NaBAK1沉默植株減弱了茉莉酸以及茉莉酸異亮氨酸的水平，增加了次級代謝產(chǎn)物蛋白酶抑制劑的水平，表明NaBAK1通過JA途徑調(diào)控?zé)煵莸钟ハx的抗蟲防御反應(yīng)。也有報道表明，在擬南芥上使用綠桃蚜（Myzus persicae）提取物（GPA）引發(fā)了擬南芥的防御反應(yīng)，但是突變體bak1卻無法識別GPA激發(fā)防御反應(yīng)。說明BAK1在擬南芥感知蚜蟲取食危害后ROS暴發(fā)以及胼胝質(zhì)積累形成誘導(dǎo)抗性所必需的[64]。

3 展望

植物激素作為植物生命活動的重要組成部分，在植物生長發(fā)育和抗逆反應(yīng)中起著至關(guān)重要的作用。油菜素內(nèi)酯是一種高活性的植物激素，是世界公認(rèn)的第六大植物激素，其具有巨大的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。雖然通過試驗和生產(chǎn)中的實際應(yīng)用，對油菜素內(nèi)酯的作用已有了初步了解，但對于油菜素丙酯信號通路的作用機(jī)制研究依然較少。現(xiàn)如今隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，酵母雙雜交、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等分子生物學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)越來越熟，對植物油菜素內(nèi)酯信號通路以及其介導(dǎo)的植物免疫反應(yīng)的認(rèn)識也將越來越深入。

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