異三聚體G蛋白調(diào)控植物生長發(fā)育功能研究進展

謝柳婷，汪 翔

(浙江農(nóng)林大學(xué) 園藝科學(xué)學(xué)院，杭州 311300)

異三聚體GTP結(jié)合蛋白(heterotrimeric GTP-binding proteins)是真核生物信號傳導(dǎo)的關(guān)鍵調(diào)控因子之一，由α、β、γ三個亞基組成。自20世紀(jì)70年代在動物細胞中發(fā)現(xiàn)G蛋白后，有關(guān)G蛋白的研究迅猛發(fā)展[1]。1990年，第一個植物異三聚體G蛋白的α亞基在模式植物擬南芥中被成功克隆[2]，豐富了人們對植物異三聚體G蛋白的功能認知?，F(xiàn)有研究表明，動植物異三聚體G蛋白的基本組成與生化性質(zhì)比較保守，但作用模式卻差異明顯[3]。本文將重點闡述植物G蛋白的基本結(jié)構(gòu)組成和作用模式，總結(jié)G蛋白在植物不同生長發(fā)育過程中的作用機理，以期為今后研究G蛋白調(diào)控植物生長發(fā)育機制提供參考。

1 G蛋白的結(jié)構(gòu)與作用模式

1.1 G蛋白的結(jié)構(gòu)及組成

植物中典型的Gα亞基由螺旋結(jié)構(gòu)域(helical domain)和Ras同源結(jié)構(gòu)域(Ras-like domain)組成[3]。Ras同源結(jié)構(gòu)域包含結(jié)合鳥嘌呤核苷酸(guanine nucleotide)、Gβγ二聚體、GPCRs(G-protein-coupled receptor)和效應(yīng)因子的基序。擬南芥Gα亞基GPA1的N端存在酰胺化(myristoylation)和?；?acylation)位點，這些位點決定了GPA1的質(zhì)膜定位[4]。除此之外，GPA1還有感知核苷酸結(jié)合狀態(tài)的3個分子開關(guān)結(jié)構(gòu)域，分別為分子開關(guān)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(switch Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ),當(dāng)Gα亞基與GTP結(jié)合時能改變蛋白構(gòu)象[3]。Gα的C端存在受體結(jié)合位點，能與下游效應(yīng)因子結(jié)合。此外Gα上還存在保守的、控制NTP結(jié)合的P-loop(G45AGESGKS)基序、調(diào)控GTP水解的DxxGQ基序(D218VGGQ)以及鳥嘌呤識別的NKxD基序(N287KFD)(圖1)[3]。動物中已有超過20種Gα亞基被發(fā)現(xiàn)，而大多數(shù)植物基因組只編碼一個典型的Gα亞基，如擬南芥、水稻、番茄基因組都僅編碼一個典型的Gα亞基，分別命名為GPA1、RGA1、TGA1[2, 5-7]。在一些多倍體植物基因組中則發(fā)現(xiàn)有多個Gα亞基，如異源四倍體大豆(GlycinemaxL.)編碼4個Gα亞基，GmGα1、GmGα2、GmGα3和GmGα4[8]。 除典型的Gα亞基外，擬南芥基因組還編碼3個非典型的Gα亞基，分別為XLG1(EXTRA-LARGE G PROTEIN 1)、XLG2和XLG3[9]。XLGs蛋白的C端有一個類似Gα的結(jié)構(gòu)域、N端延伸區(qū)域包含一個核定位信號及一個富含半胱氨酸區(qū)域[9]。XLGs蛋白也能結(jié)合并水解GTP[10]，且能與Gβ亞基在細胞核內(nèi)互作[11]。

圖1 G蛋白各亞基結(jié)構(gòu)Fig.1 The subunit structure of G proteins

擬南芥和水稻基因組都只編碼一個Gβ亞基，擬南芥中為AGB1(GTP BINDING PROTEIN BETA 1)，水稻中為RGB1[12]。擬南芥AGB1定位于質(zhì)膜上和細胞核內(nèi)[13-14]。AGB1的N端有一個coiled-coil基序，能與Gγ亞基形成二聚體，C端則有7個WD40結(jié)構(gòu)域，這些結(jié)構(gòu)域能與下游效應(yīng)因子以及Gα亞基結(jié)合[12]。

Gγ亞基結(jié)構(gòu)非常多樣，根據(jù)結(jié)構(gòu)和脂質(zhì)修飾位點可將其分為3類：1)Type A，N端有coiled-coil 螺旋結(jié)構(gòu)域，可與Gβ亞基形成二聚體，C端有異戊二烯化修飾基序(CaaX motif)，對于Gγ亞基的膜定位至關(guān)重要；2)Type B，只包含coiled-coil 螺旋結(jié)構(gòu)域，缺失異戊二烯化修飾位點；3)Type C，包含有coiled-coil 螺旋結(jié)構(gòu)域，含有一個跨膜螺旋區(qū)域，其C端胞外則含有一個富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域[1, 15-16]。擬南芥基因組不編碼type B型Gγ亞基，只編碼2個type A型Gγ亞基，AGG1(Guanine nucleotide-binding protein subunit gamma 1)和AGG2[17-18],一個type C型Gγ亞基，AGG3[19]。水稻基因組編碼1個type A型和1個type B型Gγ亞基，RGG1和RGG2[20]，以及3個type C型Gγ亞基，DEP1(DENSE AND ERECT PANICLE 1)、GGC2和GS3(Grain length protein)[1]。

1.2 動植物中G蛋白的不同作用模式

在哺乳動物中，當(dāng)G蛋白處于失活狀態(tài)時，Gα亞基與GDP緊密結(jié)合，與Gβγ亞基形成較為穩(wěn)定的無活性異三聚體形式(圖2)[21]。細胞膜上存在具有7重跨膜結(jié)構(gòu)的G蛋白偶聯(lián)受體GPCR(G-protein-coupled receptor)和鳥嘌呤核苷酸交換因子GEF(guanine nucleotide exchange factor)，能激活G蛋白[21]。當(dāng)外部同源配體(ligand)與GPCR結(jié)合后，促進Gα亞基與GDP解離，與GTP結(jié)合，Gα被激活[21]。當(dāng)Gα亞基與GTP結(jié)合后，構(gòu)象發(fā)生改變，與Gβγ亞基分離，此時Gα亞基處于激活狀態(tài)，可以與下游效應(yīng)因子結(jié)合，傳導(dǎo)胞外信號，解離后的Gβγ亞基亦能向下游效應(yīng)因子傳遞信號。隨后，G蛋白信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)蛋白RGS(regulator of G protein signaling)和GTP酶加速蛋白GAPs(GTPase accelerating protein)會促進Gα亞基中GTP的水解，Gα亞基重新與GDP結(jié)合，處于失活狀態(tài)，終止G蛋白信號傳導(dǎo)[1]。

圖2 動物(A)及植物(B)中G蛋白的不同作用模式Fig.2 G proteins act differently in animals (A) and plants (B)

與動物中不同，植物Gα亞基能自發(fā)釋放GDP，形成一個穩(wěn)定的GTP結(jié)合狀態(tài)，實現(xiàn)自我激活，進而傳遞下游信號(圖2，B)[22-24]。這種自我激活機制是區(qū)別植物與動物G蛋白信號傳導(dǎo)的最大特征。植物Gα亞基自身的GTP水解酶活性遠低于哺乳動物[25]，且植物中也未發(fā)現(xiàn)典型的GPCR[1]，但植物中存在一個在N端包含類似動物GPCR的7個跨膜結(jié)構(gòu)域，C端有一個與動物RGS蛋白類似的典型的RGS 結(jié)構(gòu)域的G蛋白信號傳導(dǎo)調(diào)節(jié)蛋白AtRGS1(regulator of G protein signaling protein)[23, 26]。AtRGS1在植物中扮演著動物GPCR和RGS的雙重角色。AtRGS1有GAP活性，能加速Gα亞基中GTP的水解[23, 27]。AtRGS1在受到配體，如D-葡萄糖(D-glucose)，刺激后，被AtWNK8(WITH NO LYSINE 8)等激酶磷酸化，引發(fā)內(nèi)吞作用(endocytosis)，從而解除對Gα亞基的抑制作用，使Gα亞基處于持續(xù)激活狀態(tài)[28]。茉莉酸(Jasmonic Acid, JA)也是RGS1的配體之一，能誘導(dǎo)AtRGS1被磷酸化，使其被內(nèi)吞，解除AtRGS1對AtGPA1的抑制作用[29]。

2 植物G蛋白的調(diào)控作用

植物生長發(fā)育通常經(jīng)歷種子萌發(fā)、營養(yǎng)生長和生殖生長3個時期(圖3)。在每個時期，植物為感知和適應(yīng)周圍環(huán)境已進化出完整的信號傳導(dǎo)機制。G蛋白介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)機制已被證實在植物各生長發(fā)育時期以及各組織的生長發(fā)育中扮演重要角色。以下主要總結(jié)G蛋白在不同生長發(fā)育過程中的功能。

箭頭代表促進作用，橫線代表抑制作用。實線代表已被證實的作用，虛線則是未被證實的圖3 G蛋白參與調(diào)控植物生長發(fā)育Arrows represent positive regulation, and the horizontal lines represent negative regulation. Solid lines represent proven functions, while dotted lines are unprovenFig.3 Roles of G proteins in the regulation of plant growth and development

2.1 G蛋白調(diào)控植物種子萌發(fā)

種子萌發(fā)受激素、光照、溫度和糖等復(fù)雜信號調(diào)控[30-31]。赤霉素(gibberellin, GA)能夠促進種子萌發(fā)[32]，擬南芥gpa1突變體種子休眠時間延長，種子對外源GA處理不敏感。而GPA1過量表達株系種子對GA超敏，但其萌發(fā)仍然需要GA的作用。油菜素內(nèi)酯(brassinolide, BR)合成突變體det2-1和BR響應(yīng)突變體bri5-1對GA的響應(yīng)與gpa1相似，且gpa1對BR的敏感性完全喪失。這說明GPA1可能通過BR信號途徑，間接調(diào)控GA信號傳導(dǎo)途徑，影響種子萌發(fā)(圖3)[33]。Lapik等[34]發(fā)現(xiàn)GPA1能與 AtPirin1直接互作。在種子萌發(fā)期，AtPirin1突變體表型與gpa1相似，對外源施加脫落酸(ABA)超敏。這說明GPA1與AtPirin1共同拮抗ABA信號途徑，正調(diào)控種子萌發(fā)和早期幼苗發(fā)育。

綜上所述，G蛋白已被證明在植物種子萌發(fā)期，通過整合BR信號影響GA信號途徑，與AtPirin1互作拮抗ABA信號途徑，正調(diào)控種子萌發(fā)。然而G蛋白如何整合BR信號途徑，如何調(diào)控GA信號途徑，與AtPirin1蛋白的互作如何影響ABA信號途徑還有待于進一步解析。

2.2 G蛋白調(diào)控植物營養(yǎng)生長和根系發(fā)育

2.2.1 G蛋白調(diào)控植物幼苗發(fā)育在gpa1突變體幼苗分生組織中，細胞分裂顯著減少[35]，這說明GPA1參與調(diào)控植物幼苗細胞分生組織中的細胞分裂。在黑暗條件下，擬南芥gpa1突變體的下胚軸比野生型短，水稻Gα亞基突變體d1有矮化表型[36]。但在光照條件下，因為細胞尺寸的增加，擬南芥gpa1幼苗的葉片大小和形態(tài)與野生型相似。BBX21(A B-BOX-LIKE ZINC-FINGER TRANSCRIPTION FACTOR)能整合光和ABA信號調(diào)控擬南芥下胚軸伸長。AGB1直接與BBX21互作，抑制其活性，促進植物下胚軸伸長[37]。

Zhang等[38]研究證明AGB1在細胞質(zhì)中與BR轉(zhuǎn)錄因子BES1(BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1)互作，促進磷酸化狀態(tài)下的BES1以蛋白酶體依賴的方式降解，導(dǎo)致去磷酸化的BES1與磷酸化的BES1的比值升高， AGB1與去磷酸化的BES1形成二聚體在細胞核內(nèi)積累。此時AGB1不僅能促進BES1結(jié)合BR靶標(biāo)基因，又能促進BES1的轉(zhuǎn)錄活性，調(diào)控下游基因表達，促進細胞伸長。

Peng等[39]研究發(fā)現(xiàn)BRI1(BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1)和BAK1(BRI1-ASSOCIATED KINASE 1)能與G蛋白直接互作調(diào)控糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。BRI1能磷酸化Gβ和Gγ亞基，BAK1能磷酸化Gγ亞基。遺傳互作實驗表明BRI1、BAK1與G蛋白亞基一起調(diào)控糖信號。但只有BR和糖調(diào)控的擬南芥暗發(fā)育階段的發(fā)育停滯依賴于G蛋白，下胚軸伸長則不依賴于G蛋白。

Fu等[28]研究表明，D-glucose能作為配體與RGS1結(jié)合，WNK8激酶磷酸化RGS1后使其被內(nèi)吞，從而解除RGS1對GPA1的抑制，使GPA1處于持續(xù)激活狀態(tài)，向下游效應(yīng)因子傳遞信號。同時G蛋白介導(dǎo)的糖信號傳導(dǎo)以及細胞增殖都需要RGS1的內(nèi)吞作用。Tunc-Ozdemir等[40]研究發(fā)現(xiàn)處于光形態(tài)建成的子葉中產(chǎn)生的糖，能通過長距離運輸?shù)较屡咻S，激活下胚軸上G蛋白信號傳導(dǎo)，影響下胚軸發(fā)育。

G蛋白調(diào)控植物幼苗生長發(fā)育分子機制研究進展相對深入，BRI1和BAK1對G蛋白的磷酸化調(diào)控糖信號，體現(xiàn)不同狀態(tài)的G蛋白在參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要性和復(fù)雜性。WNK8對RGS1的修飾釋放GPA1揭示G蛋白的互作蛋白對于G蛋白的功能行使具有重要作用。而挖掘G蛋白互作蛋白，揭示依賴于G蛋白潛在的修飾機制和互作機制應(yīng)當(dāng)作為今后研究G蛋白功能調(diào)控的重點。

2.2.2 G蛋白參與調(diào)控植物分生組織發(fā)育植物分生組織是一類具有持續(xù)和周期性分裂能力的細胞群，是產(chǎn)生和分化成其他各種器官組織的基礎(chǔ)。擬南芥agb1突變體以及agg1agg2雙突的莖尖分生組織(shoot apical meristem，SAM)與野生型相比顯著增大，與clv突變體相似。植物SAM組織中，轉(zhuǎn)錄因子WUS(WUSCHEL)促進CLV(CLAVATA)表達，同時CLV負反饋抑制WUS的表達來控制干細胞維持。RPK2(RECEPTOR-LIKE PROTEIN KINASE2)是CLV3肽激素的主要受體之一。AGB1與RPK2互作，協(xié)同作用于CLV信號傳導(dǎo)途徑，調(diào)控SAM組織中的細胞增殖活性。擬南芥Gγ亞基與Gβ亞基共同介導(dǎo)CLV信號傳導(dǎo)。但在clv2中缺失GPA1，不影響clv2突變體表型[41]。在玉米中，Gα亞基功能缺失后表現(xiàn)出SAM組織明顯增大的表型，且玉米Gα亞基調(diào)控CLV信號傳導(dǎo)，影響莖分生組織大小?？赡艿脑蚴怯捎贕PA1的switch Ⅰ 結(jié)構(gòu)域中的蘇氨酸(Threonine, Thr)殘基對于激活調(diào)節(jié)蛋白之間的相互作用非常重要，而玉米和其他一些單子葉植物中缺失這一個堿基[41-42]。單子葉植物中還未找到擬南芥RGS1的同源基因，擬南芥和玉米Gα亞基介導(dǎo)CLV信號傳導(dǎo)途徑功能不同，進一步說明單子葉和雙子葉植物中Gα亞基有不同的功能。

NDL(N-MYC DOWN-REGULATED-LIKE)蛋白定位于分生組織中，依賴于G蛋白正調(diào)控分生組織形成和芽側(cè)枝生長。AGB1與NDL互作，正調(diào)控花序中由上往下的生長素極性運輸，調(diào)控芽中MAX2的表達，而后MAX2通過建立和維持生長素梯度來調(diào)控器官和側(cè)分生組織的形成[43]。

Yan等[44]構(gòu)建了黃瓜Gα亞基CsGPA1過表達以及RNAi株系。CsGPA1過表達株系比野生型有更多的表皮和木質(zhì)部細胞，外韌皮部細胞更大，且組織更松散，而RNAi植株則相反。除此之外，過表達植株分生組織中細胞分裂比野生型更快，RNAi植株反之。這說明CsGPA1通過促進黃瓜下胚軸和根尖分生組織的細胞分裂，控制細胞大小，促進下胚軸的伸長及根的生長。

以上研究表明，G蛋白在植物分生組織的發(fā)育調(diào)控中起到重要作用，其功能也相對保守。但在不同的植物中，比如玉米和擬南芥中，G蛋白調(diào)控植物分生組織的分子機制卻有差異。G蛋白在調(diào)控玉米、黃瓜等農(nóng)作物分生組織發(fā)育的重要性表明，解析G蛋白參與調(diào)控植物分生組織的調(diào)控機制，并挖掘G蛋白在農(nóng)作物中的自然變異情況，對于利用G蛋白來進行品種改良具有重要意義。

2.2.3 G蛋白參與調(diào)控植物氣孔開度及氣孔運動在植物營養(yǎng)生長階段，葉片的氣孔發(fā)育與運動[45]對于植物適應(yīng)日周期的環(huán)境變化至關(guān)重要。在植物葉片中，GPA1功能缺失導(dǎo)致ABA喪失對保衛(wèi)細胞K+內(nèi)流通道(the inward K+channels)和pH依賴的ABA激活慢陰離子通道(slow anion channels)的抑制[46]。GPA1能夠與磷脂酶Dα1(PLDα1)和其產(chǎn)生的磷脂酸PA互作，介導(dǎo)ABA信號途徑抑制葉片氣孔打開。ABA能增加SphKs(sphingosine kinase)的活性，促進鞘氨酸-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate, SIP)的合成。在ABA信號傳導(dǎo)途徑中，GPA1作用于SIP的下游，通過激活內(nèi)向K+通道調(diào)控氣孔打開，通過激活慢陰離子通道調(diào)控氣孔關(guān)閉[47]。

在植物保衛(wèi)細胞中，胞外鈣離子(Ca0)和ABA都能誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。Jeon等[48]研究發(fā)現(xiàn)AGB1/AGG1/AGG3信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑對于Ca0調(diào)控的氣孔開閉至關(guān)重要。氣孔運動依賴于Gβγ與PLCs的互作，誘導(dǎo)InsP3(inositol1, 4, 5-trisphospate)的產(chǎn)生，從而誘導(dǎo)Ca2+釋放。

Wei等[49]研究發(fā)現(xiàn)植物褪黑素(phytomelatonin)受體CAND2/PMTR1(PHYTOMELATONIN RECEPTOR 1)與GPA1互作，調(diào)控H2O2和Ca2+信號級聯(lián)反應(yīng)信號調(diào)控氣孔關(guān)閉。

氣孔開閉常與植物逆境下失水有關(guān)，而G蛋白可通過鈣信號途徑調(diào)控植物氣孔開閉。這暗示G蛋白通過鈣信號途徑參與植物逆境脅迫響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，G蛋白可影響溫度脅迫下鈣信號的傳導(dǎo)，影響植物對溫度脅迫的抵抗能力。如水稻COLD1能與水稻Gα亞基RGA1互作，激活下游鈣離子信號途徑對冷響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控，提高水稻耐冷性[50]。水稻Gγ亞基TT2(THEROMOTOLERANCE2)影響水稻受熱脅迫后的鈣離子內(nèi)流，影響鈣離子感受轉(zhuǎn)錄因子SCT1對水稻蠟質(zhì)合成基因的調(diào)控，從而影響植物耐熱性[51]。這些研究說明，G蛋白信號途徑通過調(diào)控鈣離子信號途徑影響植物生長發(fā)育和逆境響應(yīng)。但到目前為止，G蛋白如何影響鈣離子信號傳導(dǎo)的分子機制尚不清楚。

2.2.4 G蛋白參與調(diào)節(jié)植物根發(fā)育植物根通常位于地表以下，負責(zé)吸收土壤中的水分、無機鹽及可溶性小分子有機質(zhì)。植物G蛋白各亞基以及RGS1在調(diào)控根細胞分裂中的功能已有較多研究。擬南芥agb1突變體中初生根(primary root)生長增加，側(cè)根(lateral root)增多；gpa1突變體中側(cè)根減少，但初生根無變化；rgs1突變體中初生根細胞分裂增加，但側(cè)根無影響；agg1、agg2、agg3單突及三突植株中側(cè)根均增加[20]。側(cè)根的產(chǎn)生需要中柱鞘起始細胞產(chǎn)生分生組織，Gβγ亞基獨立于Gα亞基，抑制中柱鞘起始細胞的分裂，影響初生根的生長。在野生型中過表達GPA1減弱了根中的細胞增殖，但在agb1中過量表達GPA1時，這種減弱作用則消失，說明GPA1在調(diào)控細胞增殖中依賴于AGB1。G蛋白異三聚體形式在根尖分生組織中起負調(diào)控細胞增殖的作用[20]。當(dāng)rgs1中缺失GPA1時，rgs1中初生根細胞分裂增加消失，因此 RGS1依賴于GPA1調(diào)控初生根細胞分裂。

當(dāng)擬南芥Gβ亞基功能缺失后，根中糖分配發(fā)生改變。agb1主要以葡萄糖、果糖和蔗糖三種形式固定更多的糖，促進側(cè)根產(chǎn)生[52]。研究表明agb1同時影響PIN2(PIN FORMED 2)的定位。添加蔗糖后，有更多的PIN2蛋白從膜上移至細胞質(zhì)內(nèi)，說明AGB1減弱了蔗糖介導(dǎo)的PIN2定位[52]。

G蛋白功能缺失后，植物對D-葡萄糖(D-glucose)的敏感性改變，說明G蛋白能介導(dǎo)糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[33]。Huang等[53]通過酵母篩庫實驗找到了一個定位在質(zhì)體膜上與GPA1互作的蛋白質(zhì)THF1(THYLAKOID FORMATION1)。thf1-1功能缺失型突變體根的生長對高濃度D-葡萄糖超敏，過表達THF1植株根的生長對高濃度D-葡萄糖不敏感。D-葡萄糖能引起THF1表達量迅速降低。在正常濃度或高濃度D-葡萄糖處理后，gpa1-4thf1-1雙突的根發(fā)育表型與thf1-1一致，說明THF1作用于GPA1下游，介導(dǎo)質(zhì)體與質(zhì)膜間的糖信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控根發(fā)育。

以上研究表明G蛋白在調(diào)控植物根發(fā)育的過程中，既相互獨立又相互依賴。雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同G蛋白亞基對根發(fā)育有不同的影響，且也找到了一些直接作用的下游效應(yīng)因子，但G蛋白調(diào)控根發(fā)育的具體通路仍需要進一步解析。

2.3 G蛋白參與調(diào)控植物生殖生長

種子大小是重要的產(chǎn)量性狀。Sun等[54]發(fā)現(xiàn)水稻G蛋白5個亞基均參與調(diào)控種子大小。在調(diào)控水稻種子大小中，水稻Gα亞基RGA1處于最下游。3個Gγ亞基拮抗調(diào)控種子大小。DEP1和GGC2單獨或一起與Gβ形成復(fù)合物增加種子長度。而GS3在其單獨作用時對種子大小沒有影響，在與DEP1和GGC2競爭性與Gβ互作后減少種子長度。Gβ缺失導(dǎo)致胚胎致死，說明水稻Gβ亞基對其生存和生長是必要的。

Liu等[55]發(fā)現(xiàn)OsMADS1(a MADS-domain transcription factor)是Gβγ二聚體下游的關(guān)鍵效應(yīng)因子。GS3和DEP1能與MADS轉(zhuǎn)錄因子的角蛋白樣結(jié)構(gòu)域(keratin-like domain)直接作用，進而增強OsMADS1的轉(zhuǎn)錄活性，促進靶基因的轉(zhuǎn)錄激活，調(diào)控谷粒尺寸和形態(tài)。

水稻type B型Gγ亞基RGG2也參與調(diào)控谷粒大小及產(chǎn)量。RGG2在所有組織中表達量均高于其他Gγ亞基，說明RGG2在水稻生長發(fā)育中起重要的調(diào)控作用。過表達RGG2使植株高度降低，種子大小減小。相反，RGG2功能缺失型突變體則表現(xiàn)為節(jié)間伸長，谷粒千粒重、生物量及產(chǎn)量增加。除此之外，RGG2過表達植株葉鞘對GA3的敏感性降低，RGG2功能缺失型突變體對GA3的敏感性則增加。因此，說明RGG2參與GA信號傳導(dǎo)，并且RGG2可能通過GA途徑負調(diào)控水稻生長及器官大小[56]。

2.4 G蛋白參與調(diào)控植物逆境響應(yīng)

干旱、低溫和高溫脅迫等逆境均會對植物生長發(fā)育造成不可逆損傷，直接影響作物產(chǎn)量。當(dāng)植物遭受逆境時，會通過一系列信號傳導(dǎo)途徑，激活下游脅迫響應(yīng)基因表達，減少逆境對植物生長發(fā)育的傷害。研究表明，植物異三聚體G蛋白在調(diào)控植物逆境響應(yīng)中扮演重要角色。

2.4.1 G蛋白調(diào)控植物干旱脅迫在擬南芥中，α亞基GPA1、β亞基AGB1、γ亞基AGG3均已被證明通過ABA介導(dǎo)的保衛(wèi)細胞氣孔關(guān)閉，調(diào)控植物干旱脅迫[19, 47, 57, 58]。GPA1作用于ABA激活的S1P下游，通過調(diào)控保衛(wèi)細胞離子通道活性來啟動氣孔關(guān)閉，進而調(diào)控植物干旱脅迫響應(yīng)[47]。gpa1、agb1、agg3和gpa1agb1突變體對ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉的敏感性均明顯弱于野生型植株[19, 47, 57]，且AGB1-AGG3二聚體與GPA1存在蛋白互作，表明3個G蛋白處在ABA介導(dǎo)的相同信號途徑中，正調(diào)控擬南芥干旱脅迫響應(yīng)。然而又有研究表明，AGB1能夠下調(diào)ABA響應(yīng)基因AtMPK6、AtVIP1、AtMYB44的表達，負調(diào)控ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和抗旱能力[58]。這說明，AGB1在植物干旱脅迫響應(yīng)調(diào)控中具有不同的調(diào)控機制，且該調(diào)控機制可能依賴于不同的效應(yīng)蛋白或特定細胞類型。在水稻中，Gα亞基的功能缺失型突變體與野生型相比，葉肉導(dǎo)度增加，促進光合作用，且固有水分利用效率和抗旱能力均增加。表明在水稻中，GPA1負調(diào)控植物抗旱性，且在不同物種中，G蛋白調(diào)控植物抗旱性的功能和分子機制具有明顯差異[59]。

2.4.2 G蛋白調(diào)控植物溫度脅迫溫度脅迫主要有低溫和高溫，影響植物生長發(fā)育，限制植物生長地理分布。Ma等[50]發(fā)現(xiàn)，水稻Gα亞基RGA1與定位在質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的COLD1互作，激活Ca2+通道感知低溫脅迫，同時促進G蛋白水解酶活性，增強水稻抗寒性。水稻中RGA1是GA和BR信號途徑的關(guān)鍵調(diào)控因子[60-61]，這說明COLD1表現(xiàn)的強耐冷表型可能依賴于多個信號途徑。這將為后續(xù)研究其具體調(diào)控機制增加難度。在擬南芥中，研究人員通過全基因組關(guān)聯(lián)分析方法研究發(fā)現(xiàn)擬南芥G蛋白γ亞基AGG3的自然變異與最冷月份的最低溫度相關(guān)。agg3以及agg1agg2agg3突變體相比野生型Col-0，在低溫下表現(xiàn)冷誘導(dǎo)葉片衰老缺失，凈光合速率增強和氣孔電導(dǎo)率增加等耐冷表型。這說明低溫環(huán)境與AGG3基因型的互作，使擬南芥可以在不同的溫度環(huán)境下正常生長發(fā)育。最新研究發(fā)現(xiàn)，水稻G蛋白γ亞基TT2(THERMOTOLERANCE 2)的自然變異與水稻耐熱性有關(guān)。TT2缺失導(dǎo)致熱誘導(dǎo)的鈣離子減少，進而削弱鈣調(diào)蛋白與鈣離子感受轉(zhuǎn)錄因子SCT1(Sensing Ca2+transcription factor 1)的互作，從而削弱SCT1對蠟質(zhì)合成調(diào)控因子OsWR2(Waxsynthesisregulatory2)基因的抑制，增強水稻的耐熱性[51]。

溫度是植物馴化的重要環(huán)境因子，隨著當(dāng)前全球氣候變暖，極端溫度天氣經(jīng)常出現(xiàn)。對人類作物生產(chǎn)活動的挑戰(zhàn)性加劇。因此，研究植物適應(yīng)溫度脅迫的遺傳變異和分子調(diào)控機制，對于作物耐溫度脅迫的育種，提高作物適應(yīng)惡劣溫度天氣的能力至關(guān)重要。當(dāng)前在擬南芥和水稻中均已發(fā)現(xiàn)G蛋白的自然變異和溫度適應(yīng)性相關(guān)，揭示G蛋白對于植物溫度脅迫適應(yīng)性的重要性。今后應(yīng)以G蛋白作為切入點，深入研究其調(diào)控植物溫度脅迫的遺傳變異和分子機制。

2.4.3 G蛋白調(diào)控植物鹽脅迫高鹽土壤產(chǎn)生的鹽脅迫嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育。植物遭受鹽脅迫根部將經(jīng)受滲透脅迫產(chǎn)生的失水脅迫，同時產(chǎn)生的鈉離子脅迫將干擾植物對其他離子的吸收，進而影響植物生長甚至引起細胞死亡。已有多個研究證明G蛋白參與調(diào)控植物鹽脅迫。

擬南芥gpa1突變體表現(xiàn)高鹽抗性[62]，但是水稻和玉米的G蛋白α亞基突變體表現(xiàn)高鹽敏感性[63]。這說明G蛋白α亞基在物種進化中已出現(xiàn)明顯的功能分化。擬南芥G蛋白β亞基突變體表現(xiàn)高鹽敏感性，說明AGB1正調(diào)控鹽脅迫[64]。水稻中過表達G蛋白β亞基表現(xiàn)高鹽抗性[65]。這說明G蛋白β亞基在不同物種調(diào)控植物耐鹽性具有一定的保守性。在鹽脅迫下，G蛋白β亞基AGB1下游效應(yīng)器已被鑒定。AGB1與類受體激酶FER及其配體RALF1存在相互作用[66-67]，AGB1與FER在不同的鹽脅迫下表現(xiàn)上位性或協(xié)同作用，說明AGB1和FER信號途徑存在一定的重疊作用，但不是同一線性關(guān)系。除此以外，RALF1信號途徑似乎是獨立于AGB1[67]。最新的研究表明，N-MYC DOWNREGULATED-LIKE1 (NDL1)蛋白與AGB1物理互作，NDL1在鹽脅迫信號傳導(dǎo)作用中位于AGB1的下游[68]。然而，有趣的是，NDL1調(diào)控植物耐鹽性具有生長階段依賴性。在發(fā)芽期，NDL1與AGB1相似，正調(diào)控植物鹽脅迫，在苗期，NDL1負調(diào)控植物抗鹽性[68]。今后對于這種現(xiàn)象的分子機制研究，將增加我們對植物耐鹽性與生長發(fā)育階段之間關(guān)系的認知。G蛋白γ亞基與β亞基形成二聚體，因此，G蛋白γ亞基也參與調(diào)控植物抗鹽性。在水稻中，編碼G蛋白γ亞基的RGG1和RGG2基因，顯著受NaCl處理誘導(dǎo)。過量表達RGG1顯著增強水稻耐鹽性[69]。

以上結(jié)果表明，植物G蛋白在鹽脅迫響應(yīng)中扮演重要角色。然而在不同物種中，其不同功能依然值得探索。在調(diào)控機制上，G蛋白影響多個信號途徑，但是其具體調(diào)控機制依然不清楚。今后研究不同作物G蛋白調(diào)控鹽脅迫的功能，挖掘優(yōu)異變異等位基因，解析其分子調(diào)控機制，對于高鹽脅迫的作物育種以及對植物鹽脅迫響應(yīng)分子機制的認知至關(guān)重要。

3 展 望

本文重點介紹了植物異三聚體G蛋白的分子結(jié)構(gòu)及其在植物生長發(fā)育調(diào)控和主要逆境脅迫(干旱、溫度和鹽)響應(yīng)中的功能和研究進展。自20世紀(jì)70年代被發(fā)現(xiàn)后，大量的研究表明異三聚體G蛋白信號傳導(dǎo)途徑幾乎參與調(diào)控植物整個生長發(fā)育過程，然而其信號傳導(dǎo)途徑的具體分子機制還不清楚。雖然目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些G蛋白下游效應(yīng)因子，但對其上游類似GPCR受體因子的挖掘還相對缺乏。同時，G蛋白如何調(diào)控下游效應(yīng)因子活性以進一步調(diào)控植物生長發(fā)育的分子機制尚不清楚。今后可通過采用高通量酵母篩庫、免疫沉淀結(jié)合質(zhì)譜分析等手段挖掘G蛋白上下游調(diào)控因子，研究相關(guān)信號途徑的傳導(dǎo)機制。

G蛋白在植物不同的生長發(fā)育階段整合不同的激素來調(diào)控植物生長發(fā)育，如赤霉素(GA)、脫落酸(ABA)、生長素(Auxin)、油菜素內(nèi)酯(BR)、茉莉酸(JA)等，但G蛋白是如何感知以及如何整合這些植物激素信號的分子機制還有待于進一步深入研究。由于G蛋白主要有兩個獨立的功能性質(zhì)的亞基α和βγ復(fù)合體，并且G蛋白亞基α和βγ復(fù)合體存在相互作用，因此G蛋白能夠調(diào)控多種信號通路，獨立并協(xié)同調(diào)控多個生長發(fā)育過程。今后可通過分析比較G蛋白單突變體和多重突變體的表型，并結(jié)合基因組學(xué)和蛋白組學(xué)的分析方法，來建立G蛋白各亞基及其各組分調(diào)控的信號通路在調(diào)控植物生長發(fā)育過程中的功能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

逆境脅迫調(diào)控中已有足夠的證據(jù)證明G蛋白調(diào)控多個逆境脅迫。然而，這些研究都相對淺顯，只能說明G蛋白在遭受逆境脅迫時能夠減少過氧化氫的積累導(dǎo)致的細胞損傷以及限制ROS的積累。其具體分子調(diào)控機制依然不明確。比如在冷脅迫中，G蛋白如何感知和傳遞鈣信號進而激活下游冷響應(yīng)基因的表達。今后，針對G蛋白如何感知環(huán)境脅迫信號，如何傳導(dǎo)信號的研究，應(yīng)當(dāng)獲得更多研究。此外，對于G蛋白在經(jīng)濟作物中的研究需要加強。從對水稻的G蛋白γ亞基RGG1的研究中發(fā)現(xiàn)，過量表達RGG1能夠顯著增強水稻耐鹽性，然而在正常條件下，其并不影響水稻的產(chǎn)量性狀[69]。這說明，G蛋白在不影響產(chǎn)量的情況下能夠顯著增強作物抗逆性，良好地平衡了抗逆與產(chǎn)量的矛盾。因此，研究G蛋白在更多經(jīng)濟作物中的抗逆功能，能夠為培育抗逆經(jīng)濟作物品種提供重要基因資源。

水稻Gβ亞基功能缺失突變體表現(xiàn)為胚胎致死[54]，而擬南芥agb1突變體能正常完成生命周期。由此可見，不同科屬植物G蛋白的功能存在差異，意味著G蛋白在植物信號傳導(dǎo)機制調(diào)控中的角色具有多樣性。另外，RGS1在擬南芥G蛋白信號傳導(dǎo)中發(fā)揮重要調(diào)控作用，而水稻等單子葉植物基因組卻不編碼相應(yīng)的RGS1蛋白，因此，比較雙子葉和單子葉植物中基于RGS1和不基于RGS1的G蛋白上下游調(diào)控機制的研究顯得尤為重要。鑒于G蛋白在水稻、玉米等農(nóng)作物的重要產(chǎn)量性狀形成中所起的重要調(diào)控作用，因此合理利用G蛋白進行農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的品種改良意義重大。