BRs生物活性研究進展

劉金娜

（1楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100）

油菜素甾醇類化合物（brassinosteroids，簡稱BRs）是一類從植物中分離獲得且具有多羥基結(jié)構(gòu)的甾體化合物，其中活性最好的蕓苔素內(nèi)酯（brassinolide，BL）于1970年被發(fā)現(xiàn)，1978年Mandava等將其純化并命名為brassinolide，1979年Grove等確定了其結(jié)構(gòu)[1-3]（圖1）。 1982 年，Yokota 等[4]從栗癭蜂的組織中獲得了BL的合成前體，其B環(huán)含有酮型結(jié)構(gòu)，被稱為栗甾酮（castasterone，CS）。隨后在一些低等、高等植物的花粉以及幼嫩器官中發(fā)現(xiàn)了BL、CS類似物，且該類化合物均表現(xiàn)出了相似的促進植物生長的活性，研究者將這些物質(zhì)命名為BRs。在第16屆國際植物生長物質(zhì)學(xué)會會議（IPGSA）上，BRs被認定為繼生長素、細胞分裂素、赤霉素、乙烯、脫落酸后的第六大植物激素[5]。至今已有80余種BRs被發(fā)現(xiàn)，它們可促進植物生長，提高植物抗性，緩解重金屬毒害，調(diào)節(jié)各大激素平衡，同時還具有一定的保鮮作用和藥理活性，是一種環(huán)保型的植物生長調(diào)節(jié)劑。本文總結(jié)了BRs的生理效應(yīng)、保鮮作用和藥理活性，展望了其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景，以期為新型植物生長調(diào)節(jié)劑的研發(fā)提供一定參考。

圖1 油菜素內(nèi)酯結(jié)構(gòu)式

1 生理效應(yīng)

1.1 促進植物生長

BRs最重要的生理功能就是促進植物生長。BRs可促進細胞分裂，引起植物莖節(jié)的膨大、伸長、開裂以及彎曲，最早采用大豆第二節(jié)間法驗證了其類似的活性[6]。此外，BRs還能促進花粉管的伸長，促進受精，進而提高作物的坐果率與結(jié)實率，增加千粒重[7]。前人研究發(fā)現(xiàn)，外源施用納摩爾級的BL就能使菊芋導(dǎo)管物質(zhì)的分化速度提高10倍[8]。植物的衰老受植物激素調(diào)控，細胞分裂素可以延緩植物葉片的衰老，而24-表油菜素內(nèi)酯能加速衰老，特別是在高濃度條件下，可通過提高植物體內(nèi)過氧化物酶的活性、降低蛋白酶的活性來實現(xiàn)[9]。BRs還可促進種子的萌發(fā)和幼苗的生長。BRs浸種可提高陸地棉和黑吉豆的發(fā)芽率（分別提高了39%和23.3%），促進2種植物幼苗根的伸長、干重和鮮重的增加以及葉面積的增大[10]。BRs也能促進果實的成熟。Symons等[11]研究表明，6-去氧栗甾酮和栗甾酮可調(diào)控葡萄的成熟，且具有一定的促進作用。

油菜素內(nèi)酯能提高植物光合速率，調(diào)控類囊體膜的形態(tài)建成以及光系統(tǒng)Ⅱ的作用[12]。外施0.1 mg/L 24-表油菜素內(nèi)酯可以增加黃瓜中蔗糖、可溶性糖以及淀粉的含量，還能增強卡爾文循環(huán)下二磷酸核酮糖羧化酶的活性，進而增加CO2的同化量，提高產(chǎn)量[13]。胡文海等[14]研究表明：24-表油菜素內(nèi)酯可以防止黃瓜低溫光抑制的發(fā)生，處理1 d后，黃瓜凈光合速率明顯提高；此外，24-表油菜素內(nèi)酯還能通過加強光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的開放程度提高光電子傳遞量子的能力，但不影響天線色素的光能轉(zhuǎn)換效率。

BRs可以調(diào)控植物的農(nóng)藝學(xué)特征。28-高油菜素內(nèi)酯浸種可提高扁豆硝酸還原酶的活力，增加其固氮能力，1×10-8mol/L下浸種8 h可使種子千粒重增加1.2 g[7]。噴施0.1 mg/L BRs可以顯著增加西瓜產(chǎn)量，改善西瓜品質(zhì)，尤其是可以提高西瓜可溶性總糖和番茄紅素的含量[15]。從天竺葵中提煉出的精油具有殺蟲、抗菌等藥理學(xué)活性，噴施3 μmol/L 28-高油菜素內(nèi)酯能顯著增加精油的含量，還能促進天竺葵生長[16]。此外，BRs還能調(diào)控一些菌類物質(zhì)的生長，古巴裸蓋菇噴施 0.01 mg/L（22S，23S）-28-高油菜素內(nèi)酯后菌絲生長速率增加了2～3倍，一些BRs在雙孢蘑菇和平菇（糙皮側(cè)耳）工業(yè)生產(chǎn)中有應(yīng)用前景[17]。

1.2 提高抗逆性

BRs除了能調(diào)控植物生長以外，還在植物逆境脅迫下發(fā)揮著重要的作用。研究表明，BRs能夠促進植物DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成，從而增強酶的活性，提高植物的抗旱性、抗寒性、抗鹽性、抗病性以及增強植物的耐高溫能力。

1.2.1 抗旱性。研究表明：用一年生刺槐根部浸蘸BRs，可有效提高幼苗移栽至大田的存活率，以濃度為0.2 mg/L時處理效果最好；待到幼苗葉片長出后葉面噴施BRs，可降低干旱脅迫下葉片蒸騰速率，并通過提高葉片含水量、清晨水勢、可溶性糖含量、脯氨酸含量及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）的活性來增強幼苗耐逆性[18]。因此，施用BRs對于干旱半干旱地區(qū)造林具有重要的現(xiàn)實意義。DI-31（BRs類似物）可誘導(dǎo)植物的氧化迸發(fā)，通過增強干旱脅迫下植物的生物量和葉面積阻礙相對水含量的下降，還可通過調(diào)節(jié)AREB/ABF轉(zhuǎn)錄因子控制的逆境應(yīng)答基因來控制氣孔的開閉，進而增強植物在干旱條件下的適應(yīng)性[19]。

土壤鹽漬化屬于非生物脅迫之一，可使作物減產(chǎn)44.4%～65.4%。24-表油菜素內(nèi)酯可使鹽脅迫下豌豆豆莢種子數(shù)量增加28%～38%，千粒重增加18%～35%[20]。 董亞茹等[21]研究發(fā)現(xiàn)，0.01 μmol/L 24-表油菜素內(nèi)酯處理可緩解鹽脅迫下桑樹葉片和根系的過氧化損傷，提高桑樹的抗鹽性。高濃度的NaCl處理可以延遲植物根尖細胞的有絲分裂，引起染色體異常。24-表油菜素內(nèi)酯無脅迫條件下會促進細胞分裂，也會引起染色體異常。然而，在鹽脅迫下，其作用于植物，可克服染色體畸變[22]。高溫脅迫下植物生物量的積累速度降低，0.05 μmol/L 2，4-表油菜素內(nèi)酯處理可提高水稻種子萌發(fā)效果，實現(xiàn)干物質(zhì)的快速積累，且能通過調(diào)節(jié)抗氧化物酶（SOD、POD、CAT）的活性緩解高溫傷害[23]。

1.2.2 耐溫性。BRs可提高植物的耐熱性和耐冷性。將24-表油菜素內(nèi)酯水溶液施于生長12 d的大麥第1片和第2片葉上，3 d后將其置于高溫環(huán)境（42℃持續(xù)3 h）下，結(jié)果表明，24-表油菜素內(nèi)酯處理能改善葉片光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）的功能，起到一定的保護作用[24]。芒果果實經(jīng)10 μmol/L BL處理后，對5℃低溫表現(xiàn)出更高的耐受性[25]。

1.2.3 抗病性及耐藥性。BL表現(xiàn)出了一定的抗病性，可以抵抗煙草上的花葉病毒（TMV）、細菌病原體丁香假單胞菌（Pst）以及真菌病原菌，增強水稻對稻瘟病和水稻黃單胞菌的抵抗能力，還可以預(yù)防黃瓜枯萎病[26]。油菜素內(nèi)酯能夠緩解由于過量使用農(nóng)藥而產(chǎn)生的藥害。噴施BRs后，作物蒸騰量下降，減少藥劑的進入量，從而緩解殺蟲劑、除草劑等農(nóng)藥引起的藥害[27]。于高波[28]研究發(fā)現(xiàn)，BRs能夠誘導(dǎo)谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶基因的表達，加速谷胱甘肽途徑對作物體內(nèi)百菌清的降解。

1.2.4 緩解重金屬毒害。目前，緩解和抑制重金屬對植物的毒害作用已經(jīng)成為研究熱點。研究發(fā)現(xiàn)，外施低濃度的BRs能夠顯著增加鋁脅迫下綠豆根系干重和葉片葉綠素含量，降低綠豆葉片丙二醛含量，從而增強植物對重金屬脅迫的耐受性[29]。尹 博等[30]研究表明，外施24-表油菜素內(nèi)酯可以調(diào)控番茄體內(nèi)銅、鐵、鋅的化學(xué)形態(tài)和亞細胞分布水平，降低銅對番茄的生物毒性，從而保證番茄在銅脅迫下正常進行生理生化代謝活動。

1.3 調(diào)節(jié)激素的平衡

擬南芥突變體是研究基因功能的重要工具。赤霉素矮化擬南芥突變體試驗結(jié)果表明，油菜素內(nèi)酯可通過GPA1基因調(diào)控赤霉素的合成，可通過促進β-1，3-葡聚糖酶的釋放來促進赤霉素矮化擬南芥突變體種子的萌發(fā)[31]。Clouse和Kauschmann從擬南芥矮化突變體（cbb1，cbb2和cbb3）中發(fā)現(xiàn)油菜素內(nèi)酯通過調(diào)控meri5和TCH4基因的表達，在植物細胞伸長的過程中發(fā)揮著重要作用。種子成熟過程伴隨著淀粉、蛋白質(zhì)和油脂等物質(zhì)的合成積累，種子脫水干燥后生命活動減弱[32]。遺傳分析發(fā)現(xiàn)，BRs作為信號物質(zhì)可下調(diào)AGL15轉(zhuǎn)錄因子的表達，抑制擬南芥種子的成熟[33]。

BRs作為重要的植物激素，與其他激素交叉協(xié)調(diào)著植物的生長發(fā)育過程，其誘導(dǎo)的生理現(xiàn)象也同時受到其他激素相似或者相反的調(diào)控。BRs與赤霉素在細胞伸長的響應(yīng)中具有類似的作用，與生長素在調(diào)控植物生長上具有協(xié)同作用，與脫落酸和細胞分裂素在多種生理過程中具有相反或拮抗的效果。

一直以來，赤霉素與BRs對植物下胚軸伸長的促進效應(yīng)被認為是相互獨立的。但是，最近的研究證實，赤霉素的這種效應(yīng)依賴于BRs激活的BZR1轉(zhuǎn)錄因子。生長素與BRs之間的關(guān)系研究較多，兩者能協(xié)同調(diào)控植物的生長，這可能與同一個目的基因調(diào)控信號傳導(dǎo)途徑有關(guān)。BRs促進植物胚軸伸長的啟動較生長素緩慢，但在后期的生長中會比生長素更有效。植物的生長往往伴隨著植物內(nèi)源激素的顯著變化，不同激素在光照或黑暗下的作用機理也不盡相同[34]。在胚軸伸長試驗中，BL表現(xiàn)出很強的活性，而生長素表現(xiàn)的促進作用并不明顯；但是將溫度提高7℃后，生長素的促進效應(yīng)是原先的1.8倍。這主要與兩者調(diào)控路徑中的基因有關(guān)。溫度升高后，bri1突變體的缺陷使得生長素的反應(yīng)依賴于BL的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[35]。低濃度下，BL能夠促進主根的生長和根的向地性彎曲，這種效應(yīng)是由于BL加強了生長素中轉(zhuǎn)運突變體auxl-7和pin2的活性，從而加強了根對重力的敏感性[36]。此外，外源施加BL可以促進植物下胚軸生長素的極性運輸，但并不能在整體上提高生長素的含量。

BRs促進植物生長的特性與生長素相似，大豆第二節(jié)間法（BSIB）中，菜豆幼苗噴施BRs后再噴施生長素可以協(xié)同促進乙烯的產(chǎn)生；施用順序顛倒后，這種效應(yīng)有所加強。BRs還能誘導(dǎo)生長素協(xié)調(diào)基因AuxIAA、GH3和SAUR-AC的表達。由此可知，BRs能調(diào)控自身信號傳導(dǎo)途徑以及其他激素的生物合成，例如擬南芥中頂端鉤的形成[37]。

乙烯與BL在根向地性生長中也表現(xiàn)出一定的協(xié)同效應(yīng)。高濃度的乙烯能夠促進根向地性生長，而BL能夠增強ACC合酶的活性，進而提高乙烯的生物合成。同時，乙烯還能加強BL條件下根向地性的響應(yīng)能力[38]。

BRs與脫落酸之間有一定的拮抗關(guān)系。長時間的脫落酸處理能增加BZR2/BESI的磷酸化程度，進而影響B(tài)Rs的信號傳導(dǎo)。研究表明，細胞分裂素能促進光形態(tài)建成和葉綠體發(fā)育，與BRs調(diào)控相反，但是均能促進細胞分裂，兩者在分子水平上的關(guān)系尚需更進一步研究[39]。

2 保鮮作用

BRs能夠延長保鮮時間，提高果品質(zhì)量。無核小蜜橘外施5 mg/L 24-表油菜素內(nèi)酯后貯藏在溫度為12～16℃、濕度為90%～95%的條件下，果品病害的發(fā)生率可由18.7%降至4.0%，這可能與H2O2含量的增加和應(yīng)激相關(guān)代謝產(chǎn)物的積累有關(guān)[40]。

3 藥理活性

BRs除了在植物上具有調(diào)節(jié)作用外，還被證實對動物具有一定生理活性作用。研究表明，24-表油菜素內(nèi)酯可顯著緩解有毒物質(zhì)對鱘魚、黑海鮭魚、鯉魚、歐洲鯽魚和美國銀鯉等魚類的傷害[17]。低濃度的24-表油菜素內(nèi)酯還能有效增加梨形四膜蟲的數(shù)量和提高其對外界的適應(yīng)度。

Khripach等研究發(fā)現(xiàn)，用24-表油菜素內(nèi)酯飼喂小鼠不僅可以降低正常小鼠體內(nèi)的膽固醇含量，而且可以顯著降低高膽固醇小鼠血液中的甘油三酯含量。BRs具有一定降低膽固醇、抗癌以及抗病毒的作用，因而有望成為研制新型心腦血管疾病藥物的備選材料。

細胞試驗結(jié)果表明，BRs（化合物A和B）可以阻止人體前列腺癌細胞的增殖，同時還能促進癌細胞的凋亡[41]?；衔顲從褐藻中分離獲得，該化合物表現(xiàn)出一定的抗肝癌細胞和結(jié)腸癌細胞的作用（IC50為12.38 μmol/L）[17]。 化合物 E 和 F 具有消毒、殺菌、抗病毒的作用，可能成為治療角膜炎以及皰疹的新藥。此外，Ismaili等[42]還發(fā)現(xiàn)，BRs具有一定的保護神經(jīng)作用，可能會改善老年帕金森癥狀。具有藥理活性的BRs結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 具有藥理活性的BRs結(jié)構(gòu)

4 展望

2010—2016年，我國生長調(diào)節(jié)劑市場需求逐年遞增，年均用量為3.65萬t，若使用不規(guī)范會污染土壤，影響人們健康[43]。BRs作為國際上公認的新型、高效、環(huán)保的植物源生長調(diào)節(jié)劑，已經(jīng)被開發(fā)成多種產(chǎn)品并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可使作物增產(chǎn)20%～30%，如蕓苔素內(nèi)酯（brassinolide）、云大 120（28-homobrassinolide）、八仙豐產(chǎn)素（24-epibrassinolide）等。 它們在自然界中含量極低，雖然在花粉和未成熟的種子中含量高，但是也是納克級別。人工合成是快速獲得大量BRs的一個重要途徑，但6-氧-7-內(nèi)酯型BRs合成工藝過程復(fù)雜，合成步驟繁瑣，產(chǎn)率不高，生產(chǎn)成本極高，合成5 mg的24-表油菜素內(nèi)酯就需要耗費90美元；加之多羥基結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致其作用不穩(wěn)定，大田需要噴施4～5次才能發(fā)揮較好的效果。這些因素限制了BRs在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[1]。

基于BRs的構(gòu)效關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，一些化合物也表現(xiàn)出一定促進植物生長的活性。第一類化合物結(jié)構(gòu)特殊，含有芳香環(huán)，表現(xiàn)出了一定的BRs活性，可通過豆甾烷來制備。另一類是螺甾烷類化合物，其結(jié)構(gòu)類似于薯蕷皂苷元，不同的是C6位具有類似栗甾酮的活性官能團，在促進植物生長中表現(xiàn)出穩(wěn)定性和持效性，能促進生長，增加作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，提高耐逆性，還能阻礙昆蟲發(fā)育；此外，連接一些糖類物質(zhì)后還具有一定的抗癌性。最重要的是，該類化合物合成步驟簡單，生產(chǎn)成本遠遠低于6-氧-7-內(nèi)酯型BRs，有望成為繼BRs之后的新型環(huán)保植物生長調(diào)節(jié)劑。