油菜素內(nèi)酯調(diào)控植物生長發(fā)育的研究進(jìn)展*

陳 晨 陳 虹 倪 銘 張子晗 喻方圓

(南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037)

油菜素內(nèi)酯(brassinolide，BR)又稱蕓苔素內(nèi)酯，是以甾醇類為基本結(jié)構(gòu)的具有生物活性的天然化合物，是赤霉素、細(xì)胞分裂素、生長素、脫落酸和乙烯之后的第6種植物激素(Sasse， 1997)。BR的發(fā)現(xiàn)是植物激素領(lǐng)域繼赤霉素后最重要的發(fā)現(xiàn)之一。多年來，農(nóng)學(xué)家、生物學(xué)家及有機(jī)化學(xué)家在植物生長發(fā)育研究中，期望尋找到高活性的植物生長激素以提高植物產(chǎn)量和品質(zhì)。BR因其廣譜、無毒、滲透強(qiáng)、內(nèi)吸快、微量高效等顯著特點，引起了研究者的廣泛關(guān)注(Zhuetal.， 2013； 肖瑞雪等， 2019)。BR是從植物花粉中分離和鑒定出來的、對植物生長有促進(jìn)作用的植物激素，參與調(diào)控植物種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長、生殖生長以及對外界環(huán)境脅迫的響應(yīng)等過程(Rozhonetal.， 2019； Zhengetal.， 2018)。筆者參閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，對BR調(diào)控植物營養(yǎng)生長和生殖生長、增強(qiáng)植物抗逆性、以及BR調(diào)控的分子機(jī)制等領(lǐng)域的研究成果進(jìn)行綜述，并對今后BR的研究方向及存在的一些問題進(jìn)行討論與展望，以期為相關(guān)科研工作提供參考。

1 油菜素內(nèi)酯在植物營養(yǎng)生長中的調(diào)控作用

1.1 油菜素內(nèi)酯促進(jìn)細(xì)胞伸長和分裂

楊照渠等(2007)認(rèn)為BR可使DNA、RNA聚合酶活性增加，從而促進(jìn)細(xì)胞DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成。另一方面，BR能刺激細(xì)胞質(zhì)膜上的ATP酶活性，使H+分泌到細(xì)胞壁，增加細(xì)胞壁的可塑性，使細(xì)胞伸長，生產(chǎn)上利用BR的這一特性來調(diào)節(jié)植物的營養(yǎng)生長。細(xì)胞壁的松弛與木葡聚糖轉(zhuǎn)糖苷酶(XET)有緊密聯(lián)系，而侯雷平等(2001)的研究表明，BR可提高編碼XET的轉(zhuǎn)錄水平，產(chǎn)生更多的活性XET，從而促進(jìn)細(xì)胞壁松弛、降低膨壓與細(xì)胞水勢，使細(xì)胞吸水而膨大； BR還能誘導(dǎo)微管蛋白基因的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞骨架的形成，從而促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂與伸長。Grove等(1979)以每株1 μg的BR處理菜豆(Phaseolusvulgaris)第2節(jié)間，結(jié)果節(jié)間伸長增加了20%； 若以每株10 μg以上濃度的BR處理，細(xì)胞分裂加快導(dǎo)致第2節(jié)間上部彎曲膨大，甚至出現(xiàn)開裂。BR生物合成抑制劑丙環(huán)唑處理毛竹(Phyllostachysedulis)后，毛竹幼苗生長受到抑制，而經(jīng)BR處理后植株株高和節(jié)間長度顯著增加，同時葉片伸長、葉夾角角度增大，轉(zhuǎn)錄組分析數(shù)據(jù)表明BR和丙環(huán)唑改變了幼苗芽和根中大量基因的表達(dá)，BR調(diào)控了細(xì)胞壁、過氧化氫代謝分解和生長素相關(guān)的基因(Zhangetal.， 2020)。據(jù)報道，BR能夠引起2年生鵝掌楸(Liriodendronchinense)植株莖中纖維和導(dǎo)管長度的增加，促進(jìn)細(xì)胞的分裂和伸長，導(dǎo)致木質(zhì)素合成相關(guān)基因的下調(diào)(Jinetal.， 2014)。

1.2 油菜素內(nèi)酯增強(qiáng)植物光合作用

有關(guān)BR對植物光合作用的影響研究很多，有報道表明施用BR可以提高植物葉片中葉綠素含量、凈光合速率、光化學(xué)效率及核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(rubisco)活性，提高植物光合機(jī)構(gòu)對CO2的利用效率，增強(qiáng)葉片的光合碳同化能力，增加有機(jī)物的合成，改善植物生長發(fā)育，進(jìn)而提高植物產(chǎn)量(Yamorietal.， 2006； Anderssonetal.， 2008； Whitneyetal.， 2011； 李蒙等， 2015)。張永平等(2012)在研究外源BR對網(wǎng)紋甜瓜(Cucumismelo)的影響時指出，BR提高了植株的凈光合速率，并推測可能的原因是BR能夠加強(qiáng)葉片對光能的捕獲，從而促進(jìn)了光系統(tǒng)Ⅱ活性與碳同化過程，改善了果實的品質(zhì)。李啟程等(2020)研究中發(fā)現(xiàn)，BR持續(xù)處理能夠顯著提高毛竹實生苗光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增強(qiáng)光合能力，促進(jìn)干物質(zhì)的積累，增加生物量，達(dá)到促進(jìn)毛竹實生苗營養(yǎng)生長的效果。張子晗(2018)采用1 μmol·L-1和10 μmol·L-1BR處理東京野茉莉(Styraxtonkinensis)果實，發(fā)現(xiàn)BR增強(qiáng)了果皮光合作用的能力，10 μmol·L-1BR處理后果皮中NADP-蘋果酸脫氫酶(NADP-MDH)活性遠(yuǎn)高于1 μmol·L-1BR處理。BR還可以促進(jìn)光合產(chǎn)物的運(yùn)輸，調(diào)節(jié)營養(yǎng)的分配，維持較高的可溶性蛋白含量，解除光對植物生長的抑制作用。張琳(2011)在研究中指出BR還可以增加光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心的開放程度，從而使光系統(tǒng)Ⅱ的光合電子傳遞量子效率有所提高。此外，外源BR還可通過氣孔因素和非氣孔因素提高植物光合作用(Fariduddinetal.， 2009； Xiaetal.， 2014； 李蒙等， 2015)。張鈺嫻等(2005)對蘋果(Maluspumila)噴施BR后，檢測到葉片內(nèi)的葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，BR處理后黃瓜(Cucumissativus)幼苗氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率提高，但胞間二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)卻無顯著變化，Yu等(2004)認(rèn)為氣孔因素和非氣孔因素有可能都是提升黃瓜幼苗光合能力的原因。王金平等(2017)研究發(fā)現(xiàn)，BR對樟樹(Cinnamomumcamphora)葉綠素含量積累和光合能力均有促進(jìn)作用。

1.3 油菜素內(nèi)酯影響根發(fā)育

BR在植物根發(fā)育過程中發(fā)揮了重要作用，如BR在維持植物根分生組織大小、調(diào)控側(cè)根發(fā)生和根的向地性等方面的機(jī)制已被揭示(Weietal.， 2016)。Chaiwanon等(2015)的研究結(jié)果顯示，由于細(xì)胞周期異?；蚣?xì)胞分裂水平降低，BR合成突變體dwf4表現(xiàn)出短根表型。但通過低濃度BR處理可恢復(fù)其根長，高濃度BR卻不能?？梢夿R濃度高低對細(xì)胞擴(kuò)增和伸長至關(guān)重要，并進(jìn)一步影響了根分生組織的大小(Gonzlez-Garciaetal.， 2011)。BR濃度同樣與側(cè)根的發(fā)生密切相關(guān)，并與葡萄糖、生長素、細(xì)胞分裂素等信號協(xié)同作用，調(diào)控側(cè)根形成。Bao等(2004)闡明BR是通過影響生長素的極性運(yùn)輸來調(diào)控側(cè)根生成的，低濃度BR有利于這一過程的發(fā)生； 低濃度BR促進(jìn)了生長素的運(yùn)輸，在葡萄糖通路的下游起作用，最終導(dǎo)致側(cè)根發(fā)生(Guptaetal.， 2015)。Bergonci等(2014)和Mao等(2017)的研究表明，噴施BR有利于蘋果側(cè)根的形成，這一積極作用是由于BR促進(jìn)了與側(cè)根形成相關(guān)基因的表達(dá)。植物根的向地性對水和養(yǎng)分的吸收、根的固定具有重要作用，噴施BR能夠強(qiáng)化不同植物主根的向地性(Blilouetal.， 2005)。此外，BR還在調(diào)控根毛的形成、根細(xì)胞伸長等方面發(fā)揮重要作用(Chengetal.， 2014； Vuka?inovietal.， 2021)。

2 油菜素內(nèi)酯在植物生殖生長中的調(diào)控作用

2.1 油菜素內(nèi)酯調(diào)控開花

Swamy等(2011)指出，噴施BR會對花粉萌發(fā)和花粉管的生長產(chǎn)生重要影響。BR能夠增強(qiáng)花粉管進(jìn)入胚珠的穿透能力，并且延緩胚珠的衰老(Divietal.， 2009)，Gomes等(2006)認(rèn)為BR是通過提高胚珠活力和延長授粉時間起作用的。50 μg·L-1BR有利于辣椒(Capsicumannuum)開花，同時提高了花粉活力和花粉的萌發(fā)率(胡文海等， 2011)。劉海英等(2014)將菊花(Chrysanthemummorifolium)開花進(jìn)程劃分為4個單獨的時期和這4個時期綜合為一個總的時期，共5個時期，在每個時期采用50 μg·L-1的BR葉面噴施，并測定初花時間、花期、葉片中葉綠素含量、花瓣中花青素和丙二醛(MDA)含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BR處理后初花時間較對照推遲1～3天，花期延長1～4天，說明BR對菊花花期有推遲效應(yīng)； BR還增加了葉片中葉綠素含量，這有助于改善菊花的葉色以及光合性能； 花瓣中積累較多的花青素、低含量的MDA，延緩了花瓣細(xì)胞的衰老，改善了花色。李計紅(2011)的研究表明BR可以使擬南芥(Arabidopsisthaliana)開花提前，并且可以不通過春化和自主途徑誘導(dǎo)植株開花。BR對荷花(Nelumbonucifera)開花具有正向調(diào)控作用，主要體現(xiàn)在BR延長了其開花天數(shù)并且減少了花敗育(Shengetal.， 2021)。BR處理提高了油茶(Camelliaoleifera)葉片中礦質(zhì)元素及開花數(shù)量(周裕新等， 2013)。也有報道證實BR對開花起抑制作用，如胡嘉琪(2017)研究了高溫和低溫誘導(dǎo)下BR對荔枝(Litchichinensis)開花的影響，結(jié)果顯示在低溫下，處理組各項生理指標(biāo)均顯著低于對照組，且成花基因LcFT1表達(dá)量也遠(yuǎn)低于對照組，表明BR在一定程度上對荔枝開花起抑制作用。

2.2 油菜素內(nèi)酯提高植物產(chǎn)量

Huang等(2013)和Jiang等(2013)采用外源BR處理擬南芥，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬南芥籽粒數(shù)和籽粒質(zhì)量顯著提高，他們還指出，BR提高了磷酸蔗糖合成酶的活性，使蔗糖含量得到大幅提高，實現(xiàn)植物高產(chǎn)。Gao等(2017)在玉米(Zeamays)抽雄期進(jìn)行外源BR噴施，試驗數(shù)據(jù)表明，處理組玉米葉片衰老減緩，光合作用能力加強(qiáng)，胚乳細(xì)胞數(shù)量顯著增加，玉米籽粒充實率、籽粒質(zhì)量、產(chǎn)量都大大提高。馮韜等(2019)比較了全生育期施用BR、盛花期后停止施用BR 2種處理對XY881和XY883 2個油菜(Brassicanapus)品系的影響，數(shù)據(jù)顯示處理組油菜各生長性狀均優(yōu)于對照組，處理組油菜結(jié)實量大幅增加，實現(xiàn)增產(chǎn)； 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，可能的增產(chǎn)原因是BR提高了油菜光合器官中Rubisco活性，光合作用增強(qiáng)，為增產(chǎn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。采用0.5 mg·L-1的BR對元寶楓(Acertruncatum)葉面進(jìn)行噴施，可顯著增加其種子寬度、厚度、百粒重和單枝產(chǎn)量，BR通過增大種子庫容，促進(jìn)同化產(chǎn)物向庫器官的運(yùn)輸，有利于營養(yǎng)物質(zhì)在種子中的積累(謝云燦等， 2017； 張晨晨等， 2021)。Pakkish等(2019)連續(xù)2年采用不同濃度BR處理開心果(Pistaciavera)，結(jié)果顯示BR處理顯著地降低了果實脫落率，0.75 mg·L-1的BR處理結(jié)實量最高，發(fā)生這一現(xiàn)象的可能原因是BR刺激了花粉管的生長以及生殖發(fā)育。有報道指出，BR處理后無單性結(jié)實能力的黃瓜子房細(xì)胞開始分裂，其果實與經(jīng)過正常受精作用的果實無明顯差異； BR合成抑制劑導(dǎo)致可單性結(jié)實的黃瓜無法正常座果，而施用BR后其單性結(jié)實能力得到恢復(fù)(Fuetal.， 2008)。外源BR處理還提高了扁桃(Prunusdulcis)的座果率及結(jié)實量(Maitaetal.， 2015)。此外，BR還可以通過提高硝酸還原酶活性、糖類物質(zhì)含量和光合作用效率等改善辣椒、番茄(Solanumlycopersicum)、黃瓜等的產(chǎn)量和品質(zhì)(Sernaetal.， 2012； Yaoetal.， 2017)。

3 油菜素內(nèi)酯對植物抗逆性的調(diào)控作用

3.1 油菜素內(nèi)酯與鹽脅迫

BR處理可提高NaCl脅迫下植物葉片中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)的活性，降低葉片超氧陰離子(O2·-)產(chǎn)生速率、過氧化氫(H2O2)含量、MDA含量和細(xì)胞膜透性，使葉片保持較高的光合速率，有效緩解NaCl脅迫對植物的危害，從而促進(jìn)幼苗生長(陸曉民等， 2013)。岳健敏(2019)的研究指出，外施BR可調(diào)節(jié)抗氧化功能蛋白的表達(dá)，從而緩解因鹽脅迫而導(dǎo)致的氧化損傷，保護(hù)光合器官的功能穩(wěn)定性，提升了抗氧化能力，減輕了離子毒害作用，最終增強(qiáng)了刺槐(Robiniapseudoacacia)和香樟的耐鹽性。此外，BR還能夠改善垂絲海棠(Malushalliana)的光合能力、提高葉片抗氧化酶活性和增強(qiáng)生物膜穩(wěn)定性，從而緩解鹽脅迫對幼苗的危害(王晚霞等， 2021)。150 mmol·L-1NaCl脅迫下，2個品種紫花苜蓿(Medicagosativa)幼苗株高、地上部分生物量顯著降低，葉片中可溶性蛋白含量和CAT活性較低，活性氧大量積累，MDA含量升高； 而經(jīng)0.1 μmol·L-1BR處理后，各項指標(biāo)的變化都得到顯著緩解，可見外源BR處理對于提高紫花苜蓿苗期耐鹽性有積極作用(寇江濤， 2020)。在王文靜等(2021)的研究中，150 mmol·L-1NaCl同樣抑制了紫花苜蓿的生長，盡管噴施0.6 μmol·L-1BR后，植株莖粗和芽長并非最大，但葉片內(nèi)抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量大大升高，MDA含量和電解質(zhì)滲透率明顯降低，Na+的毒害作用顯著減輕。

3.2 油菜素內(nèi)酯與高、低溫脅迫

劉良松等(2020)采用4種濃度的BR處理低溫脅迫下的華山松(Pinusarmandii)幼苗，結(jié)果表明，與對照組相比所有濃度的BR均可提高幼苗葉片中光合色素含量、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，大幅降低了MDA含量，得出BR處理能夠提高華山松幼苗抗寒能力的結(jié)論，且以0.25 mg·L-1BR處理效果最佳。10 μmol·L-1BR處理還能夠明顯減輕低溫脅迫對芒果(Mangiferaindica)生長的抑制作用，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜蛋白穩(wěn)定性增加了其低溫耐受能力(Lietal.， 2012)。曹云英等(2007)指出BR可以通過提高SOD、POD活性，增加其同工酶的表達(dá)，清除高溫環(huán)境下細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的自由基，穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)，使電解質(zhì)外滲率降低，增加體內(nèi)蛋白質(zhì)含量等，實現(xiàn)植物在高溫逆境下的正常生長。Jin等(2015)以28 ℃(非脅迫)、35 ℃(中度脅迫)和40 ℃(重度脅迫)下生長的榕樹(Ficusconcinna)苗為對照組，以BR處理的幼苗為處理組，比較了SOD、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)活性、MDA含量、H2O2和O2·-產(chǎn)生速率，結(jié)果表明，在同樣溫度條件下BR處理提高了抗氧化酶的活性，并降低H2O2和O2·-產(chǎn)生速率，從而緩解了高溫脅迫造成的傷害。楊超臣等(2019)的研究還表明，BR處理顯著促進(jìn)了香椿(Toonasinensis)幼苗生物量的增加和干物質(zhì)的積累，葉片的光合作用大幅提高，緩解了高溫脅迫對幼苗生長的抑制作用。高溫造成植物減產(chǎn)、品質(zhì)下降，施用BR通過提高發(fā)芽率、花粉發(fā)育和萌發(fā)、碳同化效率等來保證植物的正常生長，增強(qiáng)植物對高溫的適應(yīng)性(Tanveer， 2019)。

3.3 油菜素內(nèi)酯與干旱脅迫

BR一方面能夠增強(qiáng)葉綠體和線粒體能量代謝平衡，誘導(dǎo)光合相關(guān)基因的表達(dá)，增加光合效率來緩解干旱對植物生長的抑制作用(Xiaetal.， 2009； Ahammedetal.， 2012a； Lietal.， 2016)； 另一方面則可以提高CAT、POD、SOD等抗氧化酶的活性，降低MDA含量，并且清除過多的活性氧，增強(qiáng)干旱脅迫下植物的抵御能力(Sharmaetal.， 2011； Ahammedetal.， 2012b)。胡文海等(2020)研究了干旱脅迫下辣椒葉片光合能力的變化，發(fā)現(xiàn)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、潛在光化學(xué)效率(Fv/Fo)和光合性能指數(shù)(PIABS)等光合參數(shù)下降，而施用BR后這些參數(shù)下降幅度減緩，可見，BR處理緩解了干旱脅迫導(dǎo)致的光化學(xué)效率和光合性能的降低，對葉片光合機(jī)構(gòu)有保護(hù)作用，并可以緩解逆境脅迫對光合作用的傷害(Krishna， 2003； Yuetal.， 2004)。Tanveer等(2019)指出BR可作為信號化合物參與到不同生理過程中，來促進(jìn)植物在干旱脅迫下的生長發(fā)育。外源BR能夠提高烤煙(Nicotianatabacum)幼苗的抗氧化酶活性，減輕細(xì)胞膜的氧化損傷，從而增強(qiáng)了烤煙幼苗的耐干旱能力(王麗君等， 2020)； 而樊玉花(2019)發(fā)現(xiàn)BR是通過提高其光合能力、降低活性氧積累和膜質(zhì)過氧化水平來增強(qiáng)馬纓杜鵑(Rhododendrondelavayi)的抗旱能力。

3.4 油菜素內(nèi)酯與弱光脅迫

李蒙等(2019)以黃心菜(Brassicapekinensis)為材料，設(shè)置了自然光照、自然光照(830～980 μmol·m-2·s-1)+BR(0.1 mg·L-1)、弱光脅迫、弱光脅迫(190～260 μmol·m-2·s-1)+BR(0.1 mg·L-1)共4個處理，試驗結(jié)果表明，弱光脅迫處理下黃心菜株高、根長、干鮮質(zhì)量降低，而葉面噴施BR有效地緩解了弱光脅迫造成的生長抑制作用。此外，BR處理還增加了葉片中POD、SOD、CAT和APX活性，降低了O2·-產(chǎn)生速率以及MDA積累，減輕了弱光脅迫對光合器官膜系統(tǒng)的傷害，提高了葉片光合性能(Kangetal.， 2007)。弱光脅迫降低了番茄幼苗葉片中可溶性蛋白含量及光合碳同化相關(guān)的酶活性，如Rubisco、Rubisco活化酶(RCA)、果糖-1,6-二磷酸脂酶(FBPase)等，阻礙了卡爾文循環(huán)的進(jìn)行。而經(jīng)BR處理后，可溶性蛋白含量、Rubisco、RCA和FBPase活性均得到顯著提高，且加速了卡爾文循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)(李翔， 2016)。Zhang等(2018)采用1層或3層黑色無紡布袋罩住東京野茉莉果序以及1 μmol·L-1或10 μmol·L-1BR噴施果序，比較4種處理對東京野茉莉果實發(fā)育的影響，研究結(jié)果顯示，弱光環(huán)境下果實體積較小，果皮和種子干質(zhì)量較低； 而10 μmol·L-1BR處理增加了干物質(zhì)的積累，大幅提高了果皮中NADP-MDH和Rubisco活性，改善了果實發(fā)育狀況。李翔(2016)發(fā)現(xiàn)BR處理顯著上調(diào)了弱光脅迫下這些酶的mRNA表達(dá)，促進(jìn)碳同化作用，有效緩解了弱光對番茄光合作用的傷害。

3.5 油菜素內(nèi)酯與重金屬脅迫

研究表明，外源噴施BR可以顯著降低番茄葉片和根中的鎘殘留，同時促進(jìn)了逆境下番茄生長(Ahammedetal.， 2013)； 高會玲等(2013)認(rèn)為外源BR是通過提高植株光合色素含量，促進(jìn)光合作用，改善植株的氣孔限制，提高植株的水分利用效率，緩解鎘脅迫造成的傷害。鎘脅迫下，番茄幼苗生物量、葉綠素含量和相關(guān)抗氧化酶活性均降低，MDA和相對電導(dǎo)率升高，施用0.5 mg·L-1BR后，幼苗對鎘脅迫的耐受性增強(qiáng)(俞明宏等， 2020)。單一鎘、單一銅以及鎘+銅的復(fù)合處理均顯著抑制了油菜的生長，表現(xiàn)為生物量下降、H2O2、O2·-和MDA積累； 而經(jīng)BR處理的油菜幼苗葉片和根系的干、鮮質(zhì)量大幅增加，O2·-和MDA積累顯著降低，SOD、POD、CAT和APX活性上升，可見外源BR噴施有效增強(qiáng)了植株對重金屬的耐性(李蘭， 2019)。李洋等(2015)通過研究指出，外源BR處理能夠提高葉片和根部SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性，降低膜脂過氧化程度，從而減輕鎘脅迫對龍葵(Solanumnigrum)的傷害。鎳脅迫下，龍葵枝條和根的鮮質(zhì)量及長度下降，而BR處理后這一現(xiàn)象得到改善(Soaresetal.， 2016)。葉面噴施BR還可以促進(jìn)番茄在鎳脅迫下、擬南芥在銻脅迫下的生長，主要是通過提高抗氧化酶類活性、葉綠素和脯氨酸等的含量實現(xiàn)的(Naziretal.， 2019； Wuetal.， 2019)。

4 油菜素內(nèi)酯調(diào)控的分子機(jī)制研究

4.1 BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制研究

BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑由激酶、受體蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等一系列元件組成(Sunetal.， 2010)。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)結(jié)合成的復(fù)合物識別BR分子； 接著，BR信號途徑通過BSK1(BR-signaling kinase 1)、BSU1(BRI1 suppressors 1)、BIN2(Brassinosteroid insensitive 2)和CDG1(Constitutive differential growth 1)等信號組分激活BZR1(Brassinozole-resistant 1)和BES1(BRI1-ems-suppressor 1)等轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控BR應(yīng)答基因的表達(dá)(Lietal.， 2010)。

4.1.1 細(xì)胞膜上BR信號的識別 已有的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞膜上的LRR(Leucine-rich repeat)受體激酶BRI1是BR識別的關(guān)鍵組分，但往往需要輔助受體BAK1的協(xié)助(Kinoshitaetal.， 2005； Wangetal.， 2008)。BRI1可以正向調(diào)控BAK1的磷酸化，而BAK1也可以磷酸化BRI1，最終提高BRI1激酶對特定底物的活性(Wangetal.， 2008)。BRI1和BAK1互作形成的復(fù)合物能夠識別BR信號(Sheetal.， 2011)。BKI1是BRI1的負(fù)調(diào)控蛋白，BKI1(BRI1 kinase inhibitor 1)阻止了正調(diào)控蛋白BAK1與BRI1的結(jié)合，使兩者無法形成有活性的復(fù)合物，最終抑制了BR的信號傳遞(Jaillaisetal.， 2011)。

4.1.2 細(xì)胞質(zhì)中BR信號的傳導(dǎo) BSK1是一種在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起重要作用的蛋白激酶(Tangetal.， 2008)。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和BSU1磷酸酶結(jié)合并激活磷酸酶(Renetal., 2019)。CDG1正向調(diào)節(jié)BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，CDG1通過獨立途徑磷酸化激活BSU1(Kimetal.， 2009)。BIN2是BR信號途徑的關(guān)鍵信號元件，負(fù)調(diào)控BR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(肖瑤， 2014)。BIN2通過磷酸化作用使BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的正向調(diào)控因子失活，抑制了BR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。王鳳茹等(2008)推測，當(dāng)BR信號被感知時，BIN2的激酶活性下降，這就解除了BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的抑制。外源BR處理降低了BIN2的積累，而外源施加BR合成抑制劑則會增加其積累(Pengetal.， 2008)。

4.1.3 細(xì)胞核內(nèi)BR信號的傳導(dǎo) 細(xì)胞核內(nèi)BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)主要包括BZR家族轉(zhuǎn)錄因子去磷酸化、通過BZR與BR途徑反應(yīng)基因的啟動子結(jié)合來激活或抑制BR途徑相關(guān)基因(Ahammedetal.， 2020)。作為細(xì)胞核內(nèi)BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要組分，BZR1直接與細(xì)胞核DNA結(jié)合調(diào)控BR途徑相關(guān)靶基因的表達(dá)(Yuetal.， 2011)，同時BZR1通常被認(rèn)為在BR合成中起負(fù)作用。細(xì)胞核內(nèi)去磷酸化的BZR1和BES1/BZR1特異性結(jié)合下游基因的啟動子，調(diào)控BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中應(yīng)答基因的表達(dá)(Yangetal.， 2016； Qiaoetal.， 2017)。BZR1蛋白的磷酸化狀態(tài)影響B(tài)ZR1在植物細(xì)胞內(nèi)的空間分布，并且調(diào)控BZR1蛋白在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核間的穿梭(Ryuetal.， 2007)。

4.2 BR合成與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因?qū)χ参锷L發(fā)育的影響

徐偉君等(2020)將“西伯利亞”百合(Liliumhybrids‘Siberia’)轉(zhuǎn)錄組獲得的數(shù)據(jù)注釋到Nt、GO、KEGG、Nr和KOG數(shù)據(jù)庫中，共獲得94 345條unigene，5個數(shù)據(jù)庫共同注釋的基因有5 396條，共有10條基因參與了BR的合成與信號傳導(dǎo)，其中DWF4和CYP85A1在花藥中高表達(dá)，CPD在葉片中表達(dá)量較高，而PP2A在葉片中的表達(dá)量要高于花瓣和花藥。近年來，許多與BR生物合成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的基因，如DAS5、DET2、DWF4、CPD和BAK1等被證實可以催化植物體內(nèi)的BR合成，導(dǎo)致幼苗下胚軸、植株葉片和葉柄等組織部位增長，增加轉(zhuǎn)基因植株的生長量(Chungetal.， 2012)。王沛雅等(2014)利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將DAS5導(dǎo)入河北楊(Populushopeiensis)，研究轉(zhuǎn)基因植株與野生型植株的生長表現(xiàn)及應(yīng)對干旱脅迫能力的差異，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因河北楊的地徑、生物量和葉片長度明顯高于野生型，根系更為發(fā)達(dá)； 在干旱脅迫下，轉(zhuǎn)基因植株相對生長速率較高，且葉片內(nèi)可溶性糖、游離脯氨酸含量、CAT和SOD活性也明顯高于野生型，可見DAS5可以增加河北楊的生長量，并增強(qiáng)植株抵御干旱的能力。DET2是BR合成中的關(guān)鍵限速基因。李澤華等(2020)從銀腺楊84K(P.alba×P.glandulosa‘84K’)克隆得到擬南芥AtDET2同源基因PagDET2，通過RT-PCR分析了PagDET2基因的表達(dá)模式，并構(gòu)建過表達(dá)載體，利用葉盤法轉(zhuǎn)化進(jìn)銀腺楊84K，得到PagDET2-OE的轉(zhuǎn)基因植株； 試驗結(jié)果表明，在銀腺楊84K的不同組織中均檢測到PagDET2表達(dá)，過表達(dá)DET2顯著提高了BR含量，并促進(jìn)了植株高生長。此外，采用BR和丙環(huán)唑處理銀腺楊84K后，其木質(zhì)部和樹皮中編碼木質(zhì)部分化調(diào)控因子XND1，LBD38和CLE14的同源基因表達(dá)發(fā)生改變，其中XND1負(fù)調(diào)控木質(zhì)部分化，在BR處理下顯著下調(diào)(Duetal.， 2020)。BZR是BR信號通路中特有的一類轉(zhuǎn)錄因子，在該通路中發(fā)揮重要作用。Manoli等(2018)對11個來自于玉米BZR家族的成員進(jìn)行時空表達(dá)分析和逆境脅迫條件下的表達(dá)分析，試驗數(shù)據(jù)顯示有6個ZmBZR基因在植株生長發(fā)育全過程中均有表達(dá)，暗示了這些基因調(diào)控了玉米的生長發(fā)育過程； 不同脅迫條件下，ZmBZR基因差異表達(dá)，以ZmBZR9和ZmBZR11對鹽脅迫的響應(yīng)最為明顯，以上結(jié)果說明BZR不僅對玉米的形態(tài)和生理有著顯著的調(diào)控作用，還在抵抗脅迫方面發(fā)揮了重要功能。

4.3 BR促進(jìn)功能基因表達(dá)，影響植物生長發(fā)育

BES1是BR信號通路下游的轉(zhuǎn)錄因子，通過介導(dǎo)BR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)，對植物生長發(fā)育至關(guān)重要。BES1受BR的誘導(dǎo)表達(dá)，10μmol·L-1的BR處理促進(jìn)了BES1在甘薯(Ipomoeabatatas)塊根中的表達(dá)，試驗結(jié)果為甘薯BES1基因功能的深入研究奠定基礎(chǔ)(周安琪等， 2019)。BRI1基因在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中至關(guān)重要，李曉丹等(2019)以巨桉(Eucalyptusgrandis)為研究對象，采用PCR技術(shù)克隆出EgrBRI1基因，研究其對外源激素(茉莉酸甲酯、油菜素內(nèi)酯、水楊酸)的響應(yīng)情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，BR處理后巨桉葉片中EgrBRI1基因表達(dá)量上升，他們推測是通過對BR信號的響應(yīng)來實現(xiàn)的。楊博智等(2021)對辣椒BRI1基因結(jié)構(gòu)特征及功能進(jìn)行分析，結(jié)果表明CaBRI1編碼區(qū)序列長3 642 bp，編碼1 213個氨基酸，同一發(fā)育時期莖尖中CaBRI1表達(dá)量最高，而當(dāng)沉默該基因后，植株變矮、發(fā)育變得遲緩，CaBRI1表達(dá)量顯著下降，研究結(jié)果可為探究〗BRI1基因更廣泛的生物學(xué)功能提供參考。張娟等(2021)以不同濃度的BR處理煙草葉片，研究其對煙草幼苗生長及調(diào)控細(xì)胞分裂和細(xì)胞大小相關(guān)基因、BR、IAA和GA合成相關(guān)基因表達(dá)量的影響，試驗數(shù)據(jù)顯示，BR處理后植株節(jié)距和株高顯著增加，細(xì)胞分裂調(diào)控基因NtCYCD3表達(dá)上調(diào)，細(xì)胞大小調(diào)控基因NtARF6和NtARF16表達(dá)下調(diào)，BR、IAA和GA合成相關(guān)基因表達(dá)量均提高，說明BR處理提高了內(nèi)源BR、IAA和GA合成基因的表達(dá)，并通過促進(jìn)節(jié)間細(xì)胞分裂、抑制細(xì)胞大小促進(jìn)煙草幼苗莖的生長。

5 討論與展望

作為一種微量高效、廣譜、無公害的植物激素，BR廣泛分布于裸子植物和被子植物中，目前已知的天然BR類化合物超過60種。BR是迄今為止國際上公認(rèn)的活性最高的植物生長激素之一，盡管BR在植物體內(nèi)含量很低，但低濃度的BR處理能引起顯著的生理效應(yīng)，因此在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)上得到了廣泛的應(yīng)用，比如BR能夠促進(jìn)植物細(xì)胞的伸長與分裂、增強(qiáng)植物的光合作用、調(diào)控植物根發(fā)育、影響植物開花結(jié)實、提高逆境下植物的抗性等。近些年來，隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，研究者們利用高通量測序、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、超高效液相色譜等技術(shù)進(jìn)一步揭示了BR合成、代謝途徑和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等的分子機(jī)理，為實現(xiàn)BR對植物生長發(fā)育的精細(xì)調(diào)控提供了科學(xué)指導(dǎo)。

可以說BR的應(yīng)用為促進(jìn)植物生長發(fā)育提供了一條簡便、高效的途徑，前景十分廣闊。然而，要實現(xiàn)BR在生產(chǎn)實際中的合理、高效和廣泛應(yīng)用，仍有許多尚待解決的問題： 1)BR與其他植物激素交叉重疊的生理功能尚不明晰，已知BR信號通路中多個重要元件介導(dǎo)了BR與其他植物激素的互作，那么BR與ABA、GA等激素是如何通過協(xié)調(diào)多種分子調(diào)控模式來響應(yīng)內(nèi)外信號的刺激以最終調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的，還需要借助分子生物學(xué)手段進(jìn)一步闡明； 2)有關(guān)BR信號傳導(dǎo)途徑的研究大多為模式植物擬南芥信號傳導(dǎo)途徑組分的同源基因克隆及相應(yīng)突變體的分析，那么在其他植物中這一信號傳導(dǎo)機(jī)制與擬南芥中有何異同、信號傳導(dǎo)組分是否相似，都有待于深入研究； 3)BR合成步驟復(fù)雜，需要許多酶的參與，但合成過程中各個環(huán)節(jié)的酶未完全確定，這就需要篩選出新的BR合成和代謝突變體，分離并鑒定BR合成和代謝過程中新的基因和酶，分析這些酶的功能，揭示它們所起的作用； 4)針對植物和應(yīng)用目的的不同，BR應(yīng)用的時機(jī)、濃度和方法需要廣泛而深入的研究，但外源BR價格高，人工合成技術(shù)非常有限，因此亟需深入研究BR的合成途徑和調(diào)控機(jī)制，以此來指導(dǎo)人工合成和改造BR化合物，降低BR生產(chǎn)成本； 5)目前已知的BR合成途徑有C-22氧化途徑、C-6氧化途徑和C-23羥基化途徑3種，但在植物中可能還有其他未知的BR合成途徑，需要更全面的探索。

因此，今后的工作應(yīng)集中于： 1) 加強(qiáng)對BR敏感和不敏感突變體的研究，分離出更多與BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和調(diào)控相關(guān)的編碼基因，通過對突變體和調(diào)控基因的研究提升人們對BR信號傳導(dǎo)途徑的認(rèn)識； 2) BR參與植物維管束的發(fā)育，維管束的形成是植物進(jìn)化過程中的標(biāo)志性事件，因此，結(jié)合植物進(jìn)化歷程，利用分子進(jìn)化的研究方法探討不同階段植物中BR信號和受體的結(jié)構(gòu)及功能上的變化，明確BR與植物進(jìn)化的關(guān)系將成為未來研究的重點之一； 3) 光照能夠調(diào)控BR的合成和代謝，但其中涉及到的多個調(diào)控因子、作用機(jī)理尚不明確，今后應(yīng)分離、鑒定新的調(diào)控因子，從而闡明光對BR代謝的調(diào)控機(jī)理； 4) BR在植物體內(nèi)含量極低，但生產(chǎn)成本很高，因此在生產(chǎn)上應(yīng)用受限，未來可利用基因工程的方法，在植物體內(nèi)過表達(dá)BR合成相關(guān)基因，提高內(nèi)源BR含量，達(dá)到提高植物產(chǎn)量的目的。