ROP 蛋白在植物生長發(fā)育及逆境響應(yīng)中的作用研究進(jìn)展

郭亞如，陳 欣，黃俊駿

（河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007）

G蛋白是真核生物細(xì)胞內(nèi)普遍存在的一類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，根據(jù)其亞基組成與分子質(zhì)量可以分為異源三聚體蛋白、小G 蛋白和其他幾種特殊的GTP（Guanosine triphosphate）結(jié)合蛋白[1]。ROP（Rho‐related GTPases from plants）蛋白是植物特有的一類小G 蛋白。近年來，對ROP 蛋白的功能研究成了植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方面的熱點，從各種植物中分離到的ROP 基因也越來越多。ROP 基因最早于1993 年在豌豆中被發(fā)現(xiàn)[2]，之后又在多種植物中被鑒定出來。其中，擬南芥中有11 個ROP 基因，玉米中有9 個ROP 基因，油菜中有11 個ROP 基因，葡萄中有7 個ROP 基因，水稻中有7個ROP基因，苜蓿中有7個ROP基因，煙草中有6 個ROP 基因，巴西橡膠樹中有5 個ROP 基因，番茄中有9個ROP基因[3‐4]。

ROP 蛋白通過GTP（激活）/GDP（Guanosine diphosphate）（失活）狀態(tài)的改變，與其下游信號分子共同調(diào)控花粉管的頂端生長[5‐7]、膜泡運輸[8]、活性氧產(chǎn)生[9‐10]、激素應(yīng)答反應(yīng)[11]等多種生命活動，在植物生長發(fā)育及抗逆脅迫響應(yīng)方面具有重要作用[12]。例如，擬南芥ROP1和ROP2蛋白參與調(diào)控植物的生長發(fā)育[8,13]，擬南芥ROP11蛋白參與調(diào)控植物抗旱脅迫應(yīng)答，香蕉ROP5蛋白參與調(diào)控植物鹽脅迫應(yīng)答[3]等（圖1）。綜述了ROP蛋白的結(jié)構(gòu)及其在植物生長發(fā)育和逆境脅迫應(yīng)答中的作用，以期為植物抗逆遺傳改良和育種提供參考。

圖1 ROP蛋白在植物生長發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)中的作用Fig.1 Function of ROP protein in plant growth and development and adversity stress response

1 ROP蛋白結(jié)構(gòu)

ROP 蛋白由約200 個氨基酸殘基構(gòu)成，分子質(zhì)量介于21～24 ku。ROP 蛋白包含7 個功能結(jié)構(gòu)域，分別為G1—G5、RHO（Ras homologue）插入?yún)^(qū)域和HVR（Hypervariable）區(qū)域[14]。G1—G5 結(jié)構(gòu)域在整個小G 蛋白家族內(nèi)高度保守，其中，G1—G3 是GTP水解區(qū)域，具有GTP 酶活性，也是磷酸化和Mg2+結(jié)合效應(yīng)區(qū)；G4 和G5 是GTP 結(jié)合區(qū)域。RHO 插入?yún)^(qū)域是ROP 家族特有的，由9～11 個氨基酸組成。HVR 區(qū)域是C 端多變區(qū)域，其作為蛋白質(zhì)翻譯后脂修飾的位點可影響ROP 蛋白在細(xì)胞質(zhì)膜上的定位。這些結(jié)構(gòu)域決定了ROP 蛋白的功能和在細(xì)胞內(nèi)結(jié)合的位置[14‐15]。

2 ROP蛋白在植物生長發(fā)育中的作用

植物的生長發(fā)育是一個復(fù)雜的調(diào)控過程，受基因的精細(xì)表達(dá)和外在環(huán)境因素共同調(diào)控。ROP 蛋白調(diào)控植物生長發(fā)育，主要包括花粉管和根毛的生長發(fā)育。

2.1 花粉管的生長發(fā)育

在擬南芥中，ROP1 蛋白分布于花粉管頂端的質(zhì)膜上，并在花粉管生長過程中形成帽狀分布，激活花粉管頂端區(qū)域，從而促進(jìn)花粉管的頂端生長[5‐7]。當(dāng)ROP1 蛋白活性降低時，花粉管的長度和寬度都會縮短[16]。研究發(fā)現(xiàn)，RopGEFs（Rop guanine nucleotide exchange factors）、ROP1 和PRK2（Pollen‐specific receptor‐like kinase）蛋白形成的信號網(wǎng)絡(luò)調(diào)控擬南芥花粉管的頂端生長[17]。此外，RopGEFs 蛋白與PRK6相互作用會激活信號開關(guān)ROP1蛋白，進(jìn)而調(diào)控花粉管的生長發(fā)育[18‐19]。也有研究發(fā)現(xiàn)，ROP1 蛋白通過其效應(yīng)蛋白RIC3（Rop‐interactive CRIB motif‐containing protein 3）的囊泡輸送到花粉管頂端的生長位點，以此促進(jìn)花粉管的生長發(fā)育[8,20]。綜上，ROP1 蛋白主要參與了植物花粉管的生長發(fā)育，這為進(jìn)一步研究花粉管發(fā)育的內(nèi)在機制提供了方向，但是否有其他ROP 蛋白家族成員參與其中還未見報道。

2.2 根毛的生長發(fā)育

JONES等[21]首次發(fā)現(xiàn)，ROP2蛋白在根毛的極性生長中發(fā)揮重要作用，在擬南芥中過表達(dá)ROP2基因能加快根毛的極性生長，且ROP2基因在根毛整個發(fā)育過程中都表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)，在擬南芥中，敲除ROP2和MAP18（Microtubule‐associated protein 18）基因都會導(dǎo)致根毛長度變短，而過表達(dá)MAP18和ROP2基因會導(dǎo)致多個尖端或分枝的根毛伸長，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，MAP18 蛋白能使ROP2 蛋白定位在根毛的頂端，從而促進(jìn)根毛的伸長[13]。另外，PAT4（Protein S‐acyl transferase 4）介導(dǎo)的S ?；磻?yīng)可促進(jìn)ROP2與根毛頂端的結(jié)合，當(dāng)PAT4功能喪失后會導(dǎo)致ROP2 蛋白含量顯著減少，從而抑制根毛的生長[22]。除了ROP2 蛋白，研究發(fā)現(xiàn)，ROP10 蛋白也參與根毛的生長發(fā)育[23]。在苜蓿中發(fā)現(xiàn)了定位于根毛頂端質(zhì)膜上的ROP10蛋白，超表達(dá)ROP10基因植株根毛變長，沉默ROP10基因表達(dá)植株的根毛伸長受到抑制[23]。深入分析發(fā)現(xiàn)，ROP 蛋白可能通過調(diào)控活性氧來影響根毛的生長發(fā)育[24‐25]。

3 ROP蛋白在植物逆境脅迫響應(yīng)中的作用

低溫、干旱、高鹽、病蟲害等逆境脅迫會影響植物地理分布和作物產(chǎn)量。研究表明，ROP 蛋白參與植物對低溫、干旱、高鹽、病蟲害等逆境脅迫的應(yīng)答[26‐28]。

3.1 低溫

研究發(fā)現(xiàn)，ROP 蛋白在緩解低溫脅迫對植物的損害過程中發(fā)揮著積極的作用。枇杷果實中的3個ROP 基因家族成員ROP1、ROP2 和ROP3 正調(diào)控冷害誘導(dǎo)的枇杷果實木質(zhì)化[29]。眾所周知，“表皮燙傷”是蘋果果實的主要生理疾病[30]。當(dāng)蘋果長時間處于低溫條件下時，為了防止蘋果“表面燙傷”，ROP-GAP（GTPase activating protein）信號途徑可通過調(diào)節(jié)NADPH（Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）氧化酶的活性，使活性氧處于動態(tài)平衡，以此參與果實抵御低溫脅迫[27,31]。另外，SUN等[32]也證實了ROP蛋白通過調(diào)控活性氧來抵御低溫脅迫。

3.2 干旱

近年來，由于氣候變化導(dǎo)致的溫度升高和水資源匱乏已經(jīng)成為亟待解決的全球性難題。干旱信號會激發(fā)ABA（Abscisic acid）、油菜素甾醇和乙烯等植物激素以及ROP 蛋白的響應(yīng)[33‐34]。在擬南芥中超表達(dá)香蕉ROP基因，干旱脅迫條件下，轉(zhuǎn)基因植株的存活率（35%～65%）明顯高于野生型對照（16%）[35]，表明在擬南芥中超表達(dá)ROP基因可以提高轉(zhuǎn)基因植株的抗旱性。隨后在擬南芥中發(fā)現(xiàn)，ROP11 在ABA 誘導(dǎo)的保衛(wèi)細(xì)胞氣孔關(guān)閉過程中發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用，以此參與抗干旱脅迫應(yīng)答[11]。此外，當(dāng)擬南芥ROP基因表達(dá)被抑制后，突變體表現(xiàn)出對干旱脅迫的敏感性，而野生型對照對干旱脅迫不敏感，表明ROP 蛋白參與了植物的抗干旱脅迫響應(yīng)[36]。另外，林群婷等[37]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫條件下，水稻ROP 家族成員Rac5（Rop‐interacting CRIB‐containing protein）基因被誘導(dǎo)表達(dá)，說明Rac5基因可能參與植物的干旱脅迫響應(yīng)。

3.3 高鹽

植物ROP 蛋白主要通過與下游效應(yīng)因子結(jié)合、調(diào)控過氧化氫酶活性、升高K+/Na+值等途徑抵御鹽脅迫。研究表明，擬南芥ROP2 蛋白通過其下游效應(yīng)因子RIC1 調(diào)控微管重組以應(yīng)對高鹽脅迫[26]。受鹽脅迫時，過表達(dá)煙草ROP1基因的擬南芥植株過氧化氫酶活性較野生型對照提高，過氧化氫含量增加，根變短，對鹽脅迫的敏感性增強，而沉默煙草ROP1基因表達(dá)植株表現(xiàn)出耐鹽性[38]，表明煙草ROP1 蛋白負(fù)調(diào)控植物的耐鹽性。另外，超表達(dá)香蕉ROP5g基因擬南芥植株的耐鹽性增強，這主要歸因于轉(zhuǎn)基因植株細(xì)胞質(zhì)K+/Na+值和Ca2+濃度升高[3]。綜上，ROP蛋白參與了植物響應(yīng)鹽脅迫過程。

3.4 病蟲害

植物ROP 蛋白在植物病蟲害防御中具有重要作用。在擬南芥和馬鈴薯中，ROP蛋白通過調(diào)控SA（Salicylic acid）信號途徑對植物的抗病反應(yīng)進(jìn)行應(yīng)答，進(jìn)而增強植物的抗病性[39]。在水稻中，Rac1 蛋白通過CERK1（Chitin elicitor receptor kinase）介導(dǎo)的信號途徑調(diào)控活性氧，進(jìn)而參與植物對稻瘟病的響應(yīng)[9‐10]。在苜蓿中，ROP9 蛋白抑制了菌根和紅曲霉早期菌絲的定殖[28]。在大麥中，RacB基因沉默表達(dá)大麥對白粉病菌（Blumeria graminis）的抗性增強，說明RacB 負(fù)調(diào)控大麥的抗病性[40]。在煙草中過表達(dá)小麥Rac1基因促進(jìn)了CCR（Cinnamyl‐COA reductase）和CAD（Cinnamy alcohol dehydrogenase）基因的表達(dá)，從而增加了總木質(zhì)素含量，最終增強了煙草對黑脛病和青枯病的抗性[41]。另外，ROP 蛋白可作為分子開關(guān)，通過激活多種免疫反應(yīng)增強植物對病原體的抵抗力[42]。類似地，作為分子開關(guān)，辣椒ROP1 蛋白通過介導(dǎo)茉莉酸/乙烯的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)參與辣椒對青枯病的抗性反應(yīng)[43]。

4 展望

目前，利用各種過表達(dá)植株和功能缺失突變體進(jìn)行的一系列研究證明，ROP 蛋白在植物中作為分子開關(guān)參與調(diào)控根毛和花粉管的生長發(fā)育，通過激活免疫反應(yīng)、增加木質(zhì)素含量、調(diào)節(jié)酶活性等來參與植物的抗逆脅迫反應(yīng)。但是，目前關(guān)于ROP 蛋白在植物生長發(fā)育和逆境脅迫響應(yīng)中的作用研究還處于初級階段，研究內(nèi)容多停留在對現(xiàn)象的描述，對其具體作用機制的研究還不夠深入。在未來的研究中，可在參考借鑒哺乳動物中小G 蛋白的作用機制研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合植物自身生長發(fā)育的特點，利用近年來迅速發(fā)展起來的基因編輯、基因組學(xué)等技術(shù)對植物ROP 的功能、作用機制等進(jìn)行更加深入的研究，并將研究成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化，促進(jìn)作物生產(chǎn)。