BRs在植物響應非生物脅迫中的作用

李文姣 張忠峰 劉青 孫潔 楊利 王興軍 趙術珍

（1. 山東師范大學生命科學學院/山東省逆境植物重點實驗室，濟南 250014；2. 山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)作物種質資源研究所/山東省作物遺傳改良與生態(tài)生理重點實驗室，濟南 250100；3. 山東農(nóng)業(yè)工程學院，濟南 250100；4. 山東省利津縣北宋鎮(zhèn)人民政府，利津 257439）

植物在生長發(fā)育過程中會受到各種生物和非生物脅迫，通過多種信號分子（如植物激素）以及它們的信號級聯(lián)反應對脅迫進行響應，調整其生長和發(fā)育狀態(tài)。研究表明，油菜素甾體（brassinosteroids，BRs）不僅在種子萌發(fā)、根冠生長、開花，以及果實發(fā)育等過程中起著重要的調控作用，還參與了植物對干旱、高鹽、高溫、低溫和重金屬等非生物脅迫的應答。本文重點闡述了BRs參與非生物脅迫應答的分子機制，并對BRs今后的研究方向進行了展望，為深入理解BRs介導的非生物脅迫調控網(wǎng)絡、提高作物抵抗非生物脅迫的能力提供參考。

1 BRs的生物合成

1970年，油菜素首先在油菜（Brassica napus L.）花粉中被分離［1］，之后發(fā)現(xiàn)它能夠促進大豆和其他植物的生長［2］。1979年，Grove等［3］鑒定了其分子結構，確定其結構屬于甾醇類化合物，并將其命名為油菜素內(nèi)酯（brassinolide，BL），成為第六大類植物激素。BRs主要是指具有生物活性的BRs的生物合成中間體和分解代謝產(chǎn)物，如BL和油菜素甾酮（castasterone，CS）。其中BL由一種稱為環(huán)蒿醇的甾醇前體經(jīng)過甲基化、還原和去飽和等一系列的化學反應，形成BRs特有的前體蕓苔甾醇（campesterol，CR）［4］。CR 首先轉化為油菜烷醇（campestanol，CN）［5］，然后通過2條平行的途徑轉化為BL。這兩條途徑分別稱為早期和晚期C-6氧化途徑（圖1）。在早期C-6途徑中，CN轉化為6-氧油菜烷醇（6-oxoCN），然后，羥化形成長春花甾酮（cathasterone，CT），再轉化為茶甾酮（teasterone，TE），進一步形成香蒲甾醇（typhasterol，TY），隨后被氧化為CS［6］。晚期的C-6途徑中，CN首先在C-22處羥基化形成6-脫氧CT（6-deoxoCT），然后轉化為早期C-6氧化途徑中以C-6脫氧形式存在的相應中間體，最后經(jīng)過C-6氧化作用形成CS和BL。而在早期的C-22途徑與CR到CN同時發(fā)生，又被稱為CN獨立途徑。DWF4（DWARF4）是催化C-22位羥化作用的關鍵酶，CR到CN的許多中間產(chǎn)物可在C-22位羥化形成相應的C-22羥基形式，該步驟受DWF4催化，也是BR生物合成的限速步驟。其產(chǎn)物再通過一系列的反應進入晚期C-6氧化途徑，最終形成CS和BL［7］。

圖1 BRs的生物合成途徑模式圖Fig. 1 Biosynthetic pathway pattern of BRs［6-7］

2 BRs的信號轉導途徑

BRI1（brassinosteroid insensitive 1） 是 一 個 富含亮氨酸重復序列的類受體蛋白激酶（leucine-rich repeat receptor-like protein kinase，LRR-RLKs），也是BRs信號轉導的受體，可以在細胞外感知BRs信號［8］。當植物體內(nèi)缺乏BRs時，BKI1（BR-signaling kinase 1）結合并抑制BRI1的功能，同時，BRs信號通路關鍵負調控因子BIN2（brassinosteroid-insensitive 2） 磷 酸 化 BZR1（brassinazole resistant 1）/BES1（BRI1-emssuppressor 1）蛋白并使其失活，促進其與14-3-3蛋白的結合，并導致其在細胞質滯留和降解［9］。而當植物體內(nèi)存在BRs時，BRs結合并激活BRI1， 觸 發(fā) BRI1-BAK1（brassinosteroid insensitive 1-associate-dreceptor kinase 1，也稱為 SERK3（somatic embryogeneptor kinase 3））異二聚體的形成，進而增強了BRI1的活性。激活的BRI1與BRs信號抑制因子BKI1分離，并通過一系列磷酸化反應將BRs信號傳至BSK1（BR-signaling kinase 1）和CDG1（constitutive differential growth 1），BSK1激 活 磷 酸酶BSU1（BRI1-suppressor 1），從而磷酸化BIN2并使其失活，最終促進植物特異性轉錄因子BZR1和BES1的活性和穩(wěn)定性，直接控制BRs下游基因的轉錄［10］，從而調節(jié)植物的生長發(fā)育過程以及逆境脅迫的應答。

3 BRs在非生物脅迫應答中的作用機制

BRs廣泛存在于植物體內(nèi)，不但參與種子萌發(fā)、開花、根冠生長、以及果實發(fā)育等生物學過程，還可以通過提高植物的光合能力進而提高作物的產(chǎn)量和品質，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有廣泛的應用［11］。然而，近年來，BRs參與逆境脅迫（特別是非生物脅迫的應答反應）及其機理（圖2）研究成為研究BRs的熱點領域［12］。

圖2 BRs對非生物脅迫的應答Fig. 2 Response of BRs to abiotic stress

3.1 BRs調控鹽脅迫應答機制

鹽脅迫是最常見的非生物脅迫之一，影響植物的種子萌發(fā)及生長發(fā)育全過程，是限制世界各國農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。全球20%以上的耕地受到鹽脅迫的影響，土壤鹽分首先引起滲透脅迫，抑制植物幼苗的生長，然后產(chǎn)生離子毒害，從而加速葉片衰老［13］。在鹽脅迫條件下，植物通過調節(jié)自身的生理生化狀態(tài)以及相關基因的表達來維持自身的正常生長。BRs信號可以通過調節(jié)氣孔密度和氣孔導度來調控高鹽條件下的失水。絲裂原活化蛋白激酶（mitogen activated protein kinase，MAPK）信號通路在氣孔發(fā)育中起著關鍵作用。當BRs水平較低時，BIN2磷酸化YDA（MAPKKK）并使其失活，進而啟動氣孔發(fā)育；當BRs水平較高時，BRs信號通過BRI1、BSK1和BSU1使BIN2失活，抑制MAP激酶途徑的激活和氣孔的發(fā)育［14］。BRs共受體BAK1可以與OST1（OPEN STOMATA1）相互作用正向調節(jié)ABA誘導的氣孔關閉；脫落酸（abscisic acid，ABA）信號分子ABI1可以與BAK1相互作用并抑制BAK1和OST1的相互作用，最終抑制氣孔關閉［15］。研究表明，BRs可以通過調節(jié)乙烯生物合成來提高植物耐鹽性。在鹽脅迫條件下，BRs預處理通過增強乙烯合成酶的活性來誘導乙烯的產(chǎn)生，從而提高植物的耐鹽性；阻斷乙烯合成會抑制BRs誘導的抗氧化酶活性，從而降低植物的耐鹽性［16-17］。擬南芥DET2編碼一種BRs生物合成酶，催化C-22途徑中的還原反應，det2-1突變體在種子萌發(fā)和生長早期均對鹽脅迫敏感，外源添加10 nmol/L EBR可部分緩解其鹽脅迫傷害，這說明合適的BRs含量能夠提高擬南芥的耐鹽性［18］。BRs信號調節(jié)耐鹽性的作用可能是由BRI1介導的，擬南芥泛素結合酶UBC32通過影響B(tài)RI1的積累參與了BRs介導的鹽脅迫反應。擬南芥bri1-9突變體對鹽脅迫敏感，而bri1-9UBC32雙突變體部分緩解了bri1-9對鹽脅迫的敏感性，UBC32突變體的耐鹽能力提高可能是由于BRI1蛋白的積累增強了BRs信號［19］。BIN2可以通過抑制SOS2激酶活性，進一步抑制鹽脅迫反應［20］，BZR1正向調控番茄的耐鹽性，并上調多種脅迫相關基因的表達［21］。另外，在鹽脅迫下，擬南芥植株通過BZR1在細胞質中的脫酰胺化，促進BZR1靶向SUMO蛋白酶ULP1a的積累，從而抑制植物的生長。而BRs處理使ULP1a降解，使SUMO化BZR1積累并促進植物生長［22］。以上研究表明，BRs通過BRI1、BIN2、BZR1不僅與其他激素信號（如乙烯）協(xié)同作用調控植物的耐鹽性，而且通過泛素化途徑調控逆境脅迫相關蛋白水平對鹽脅迫作出響應。但是，目前BR調控植物對鹽脅迫的響應通路并未完全解析，哪個因子起決定性作用仍不清楚。

3.2 BRs調控干旱脅迫應答機制

水分在植物的生長發(fā)育過程中至關重要，干旱脅迫嚴重威脅農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質［23］。Wang等［24］研究揭示，BRs在植物抗旱性中的作用主要是與ABA信號的互作。BIN2是BRs信號通路關鍵負調控因子，ABA信號通過抑制ABI1和ABI2對BIN2的去磷酸化來抑制BRs信號。在脅迫條件下或ABA存在時，ABA與其受體的結合激活SnRK2s和BIN2，從而激活ABA信號并抑制BRs信號，抑制植物生長發(fā)育［24］。小麥BES/BZR家族轉錄因子TaBZR2通過激活TaGST1（T. aestivum glutathione s transferase 1）來清除超氧陰離子（O2-），從而提高小麥耐旱性，并介導BRs和干旱信號通路之間的互作。與野生型相比，干旱條件下BRs介導的O2-清除能力在TaBZR2過表達植株中增強，而在TaBZR2 RNAi植株中降低，說明TaBZR2通過減少O2-的積累部分參與BRs介導的干旱反應［25］。研究發(fā)現(xiàn)，WRKY54是BRs途徑的正調節(jié)因子，與BES1相互作用，共同調控BRs靶基因的表達，并且通過抑制脫水誘導基因表達負調控植物的抗旱性。在干旱條件下，WRKY54被BIN2磷酸化，抑制WRKY54對干旱響應基因的誘導，從而提高植物抗旱性［26］。TINY是擬南芥AP2/ERF家族中的脫水反應元件結合蛋白，在脅迫反應中起著重要作用。在干旱條件下，TINY促進ABA誘導的氣孔關閉、激活干旱響應基因的表達，并通過TINY-BES1拮抗作用抑制BRs介導的生長［27］。RD26是BES1的一個靶基因，負調控BRs信號通路。在正常條件下，BRs信號通過抑制RD26的表達來抑制干旱響應途徑；在干旱脅迫下，RD26上調以抑制BRs誘導的生長，從而增加耐旱性。這種相互抑制機制不僅保證了干旱條件下BRs誘導的生長受到抑制，而且防止了植物在BRs誘導生長時激活不必要的干旱響應［28］。此外，RD26的功能由GSK3樣激酶BIN2和ABI1調節(jié)，BIN2可以磷酸化并穩(wěn)定RD26以促進干旱脅迫響應［29］。BRs對于干旱脅迫的調控是多方面的，包括與ABA的互作、脅迫響應基因的應答以及氣孔關閉等。總之，BRs介導的干旱反應是復雜的，未來的研究需要分析各個BRs信號分子的作用，并解析它們?nèi)绾卧谡l件與干旱適應之間的轉換平衡。

3.3 BRs調控溫度脅迫應答機制

溫度是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素。對于許多植物來說，溫度的輕微變化就能引起其生長發(fā)育的變化。在植物生長允許范圍內(nèi)，溫度升高導致的幼苗下胚軸和葉柄伸長、葉柄發(fā)育不良、開花成熟加速，統(tǒng)稱為熱形態(tài)發(fā)生［30］。而超過植物生長允許范圍的溫度會導致冷脅迫或熱脅迫，從而引發(fā)應激反應。近期研究表明，BRs的生物合成和信號傳導受到溫度的影響，并參與熱形態(tài)發(fā)生和對溫度變化的適應。

低溫脅迫是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子。一些溫帶植物物種，可以通過冷適應過程來提高其抗凍性［31］。冷調節(jié)基因（cold regulated，COR）在植物對冷脅迫的耐受性中起著重要作用，其中許多基因編碼保護細胞免受凍害的低溫保護蛋白。擬南芥COR的冷誘導表達是由一種稱為C重復（C-repeat，CRT）/脫 水 反 應 元 件（dehydration responsive element，DRE）的DNA調控元件介導的，CRT/DRE結合因子1（C-repeat binding factor 1，CBF1）是調節(jié)冷適應反應的調節(jié)因子，控制COR表達水平，進而提高抗凍性［32］。當植物暴露在低溫下時，觸發(fā)CBF轉錄因子家族的表達，CBF在15 min內(nèi)迅速被誘導，隨后下游靶基因COR被激活，進而激活許多調控植物耐冷和抗凍性的下游基因［33］。一些轉錄因子在冷應激下正或負調節(jié)CBF的表達。ICE1（inducer of CBF expression 1）是CBF3的正調控因子，在冷適應中起關鍵作用。研究表明，BRs信號參與了植物的抗寒性。冷應激對BIN2介導的轉錄因子ICE1、BZR1和CESTAs有抑制作用，BIN2的激酶活性在冷處理的早期（1 h內(nèi)）受到抑制，隨后恢復，使CBF基因在冷應激反應的早期階段被誘導，而在冷脅迫反應期間BIN2促進了ICE1的降解，ICE1的功能缺失突變部分抑制了冷誘導的CBFs表達，從而提高了抗寒性［34］。另外，BZR1可以通過CBF依賴和非CBF依賴途徑正向調節(jié)植物的抗寒性［35］。BZR1作用于CBF1和CBF2的上游，直接調節(jié)它們的表達；BZR1還調節(jié)與CBF不耦合的其他COR基因（如WKRY6、PYL6、SOC1、JMT和 SAG21），以調節(jié)植物對冷脅迫的反應［35］。NBR1是一種選擇性自噬受體，在阻止冷誘導蛋白聚集體的積累中起著重要作用。在番茄中的研究結果表明，BRs及其信號分子BZR1通過誘導番茄植株自噬和NBR1的積累影響植物對冷脅迫的耐受性［36］。以上研究表明，BRs對低溫脅迫的應答主要與CBF相關，將來對于各個BRs信號分子與CBF的互作研究是十分必要的。

高溫（高于生長允許范圍）導致熱脅迫，是限制植物生長、代謝和生產(chǎn)力的主要環(huán)境脅迫因素。熱脅迫影響植物萌發(fā)、生長、發(fā)育、繁殖和產(chǎn)量等各個方面，導致ROS的過度積累，以及脂質、蛋白質和DNA的氧化損傷［37］。近年來，人們嘗試用不同的方法在植物中誘導耐熱性，如誘導熱休克蛋白（HSPs）的表達，對熱脅迫的預處理和外源性滲透保護劑或植物生長調節(jié)化合物的應用［38］。研究表明，外源施用BRs可以通過促進光合作用、保持膜完整性和保持適當?shù)难趸€原狀態(tài)來增強耐熱性［39］。BRI1是BRs信號的受體，長期的熱脅迫下，植物會通過降低BRI1的水平來影響根系生長，bri1-301是一種對溫度敏感的錯誤折疊蛋白，溫度升高會降低bri1-301的蛋白質穩(wěn)定性和生化活性［40］。與野生型及其他BRs突變體相比，bes1突變體對熱脅迫最敏感，而且ABA含量更高，而施加EBR可以減輕bes1突變體的熱脅迫傷害［41］。另外，溫度升高導致PIF4的轉錄增加，使BES1與PIF4結合，PIF4-BES1復合物在BES1二聚體蛋白上占主導地位。大量的BES1-PIF4復合物激活參與熱形態(tài)發(fā)生的基因［42］。BRs還可以通過轉錄因子BZR1在熱脅迫中發(fā)揮作用，在高溫下，BZR1聚集在細胞核中，誘導促生長基因的表達。BZR1還可與PIF4的啟動子結合，誘導其表達，從而調節(jié)熱脅迫［43］。BES1和BZR1均可與PIF4共同調控高溫脅迫，可見BRs受體及其下游信號分子在調節(jié)溫度脅迫的生長反應中具有明顯作用，因此，解析各個BRs分子調控作物逆境反應的機制是今后研究的一個重要方向。

3.4 BRs調控重金屬脅迫應答機制

人類活動和工業(yè)生產(chǎn)導致重金屬對環(huán)境的污染越來越嚴重。重金屬對植物的影響主要涉及細胞中的分子官能團，特別是蛋白質和多核苷酸的相互作用。最終會抑制植物生長、降低光合速率、降低碳水化合物和脯氨酸含量，增加丙二醛含量，會嚴重影響作物的產(chǎn)量［44］。研究表明，BRs可以緩解植物在重金屬脅迫下受到的傷害［45］。碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）的活性在很大程度上取決于二氧化碳濃度，鎘脅迫誘導的氣孔關閉降低了植物胞間CO2濃度（Ci），導致CA活性下降；BRs處理通過加速CO2的同化提高CA的活性［46］。在鎘脅迫下觀察到的28 kDa脫氫酶含量的顯著增加可能是由于脫氫酶具有中和脅迫誘導的活性氧積累的作用，0.4 μmol/L 24-EBL處理鎘脅迫下的小麥幼苗，增加了28 kD脫氫酶的積累，減少了植物組織中電解質的流出，緩解了鎘脅迫帶來的傷害［47］。BRs在緩解植物鎳脅迫傷害中也起作用，添加0.01 μmol/L 28-高油菜素內(nèi)酯（28-homobrassinolide，HBL）有助于小麥幼苗抵抗鎳脅迫帶來的傷害，主要是增加了脯氨酸含量、提高了NR、POX、SOD、CAT和CA的活性［48］。研究表明，施加BRs可顯著緩解銻脅迫誘導的根系生長抑制，葉面噴施EBL可顯著降低銻積累水平，降低膜脂過氧化程度，增加葉綠素和脯氨酸含量，進一步提高和增強抗氧化酶活性［49］。以上研究表明，BRs通過調節(jié)酶活性及滲透調節(jié)物質在緩解植物重金屬脅迫反應中起著重要作用，然而其機制研究主要集中在作用效果及抗氧化方面，其中的生理機制以及分子機制還需要進一步研究。

4 結論與展望

自BRs被發(fā)現(xiàn)以來，在BRs的生物合成、信號轉導、逆境脅迫應答方面取得了極大的進展。BRs的生物合成和信號轉導因子，特別是調控因子BIN2和BES1/BZR1是應對脅迫的關鍵調節(jié)因子。另外，外源施用BRs也可以緩解植物遭受的多種脅迫。但是在BRs的研究方面仍存在許多問題有待解決，如應激期間BRs信號主要功能的研究還不夠全面，需要應用多種方法識別新的BRs成員；外源施加BRs可以提高作物產(chǎn)量，緩解多種脅迫，但不同作物、不同脅迫適用的BRs濃度有所不同，需要進一步摸索合適的濃度，合理利用激素調控植物生長發(fā)育過程；BRs信號通路不是單獨作用于植物的，BRs如何與ABA等其他途徑相互作用影響植物的生長發(fā)育以及調控植物響應逆境脅迫過程還需要進一步研究；另外，關于BRs的研究主要是以擬南芥為模型，其他植物中的機制是否與擬南芥一致仍有待進一步探究。