植物生理專題 2015 激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo) (2)課件

1、第三節(jié)、細(xì)胞分裂素一、發(fā)現(xiàn)：植物細(xì)胞是由原生或次生分生組織細(xì)胞分裂而來的，經(jīng)擴大和分化發(fā)育成具有不同功能的細(xì)胞。一旦具有某種功能-運輸、光合、支撐、儲存或保護，通常不再進行分裂。但在一些情況下，已經(jīng)分化的植物細(xì)胞可恢復(fù)分裂功能，例如：皮層或韌皮部的成熟細(xì)胞恢復(fù)分裂形成維管形成層或栓皮形成層等次生分生組織;葉柄基部離層的出現(xiàn): 成熟的薄壁細(xì)胞重新開始分裂，形成一層具有較弱細(xì)胞壁的細(xì)胞;形成腫瘤或冠癭的病害(如農(nóng)桿菌侵染)和叢枝的出現(xiàn)。如果沒有Agrobacterium 侵染, 受傷引發(fā)的細(xì)胞分裂將在幾天后逐漸消退，一些新細(xì)胞將分化成栓皮細(xì)胞或維管組織的保護層。Agrobacterium chan

2、ges the character of the cells that divide in response to the wound, making them tumorlike. They dont stop dividing; rather they continue to divide throughout the life of the plant to produce an unorganized mass of tumorlike tissue.Corynebacterium fascians (棒狀桿菌) may stimulate balsam fir （冷杉）cells t

3、o divide思考: Why do mature plant cells stop dividing?因為它們長時間沒有接收到一種特別的信號，而這種信號對于細(xì)胞分裂的啟動是必需的，因此：細(xì)胞分裂可能通過一種可以擴散的因子被啟動。二、細(xì)胞分裂素的合成和運輸1.合成部位：根尖頂端分生組織是合成的主要部位; 根系合成的細(xì)胞分裂素可以經(jīng)木質(zhì)部隨水分和礦質(zhì)一起運往地上部分；莖頂端分生組織、發(fā)育中的果實和種子也是合成部位;一些植物病原菌、昆蟲和線蟲可以分泌游離的細(xì)胞分裂素;2. 存在形式：在植物體內(nèi)以游離的形式存在；或者與果糖、氨基酸等結(jié)合以結(jié)合態(tài)存在。三、細(xì)胞分裂素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程細(xì)胞分裂素對于植物生長

4、發(fā)育的作用是多效的，它們的作用機制在不同的組織中可能是不一樣的。細(xì)胞分裂素在靶細(xì)胞中首先與受體蛋白結(jié)合引起一個原初反應(yīng)，然后根據(jù)靶細(xì)胞的生理狀況，引起一系列的次級反應(yīng)，把原初反應(yīng)的信號放大，最后導(dǎo)致一系列的生理生化變化。1. 細(xì)胞分裂素(Cytokinin, CK)的受體對其受體的了解來自CKI基因的發(fā)現(xiàn)。培養(yǎng)植物時，需要加入CK才能使細(xì)胞分裂、分化成苗。經(jīng)過篩選，發(fā)現(xiàn)一些在沒有CK時也可以正常生長分裂的突變體，其中一種命名為細(xì)胞分裂素獨立基因(cytokinin independent 1，CKI1).CKI基因編碼的蛋白與細(xì)菌二元組分的組氨酸蛋白激酶(HPK)序列相似。后來發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞分裂素

5、受體1（cytokinin receptor 1，CRE1）基因，它與CKI 1一樣，編碼HPK類似蛋白，它們都是細(xì)胞分裂素的受體。擬南芥反應(yīng)調(diào)節(jié)因子（Arabidopsis response regulator, ARR）細(xì)胞分裂素通過激活B型ARR基因而增強A型ARR基因的表達(dá)。A型ARR僅有包含天冬氨酸的接受域，而B型ARR是A型ARR的羧基端又結(jié)合了一個輸出域（轉(zhuǎn)錄因子）。2. 擬南芥中細(xì)胞分裂素信號傳遞途徑 與CK結(jié)合后，激活受體CRE1的激酶活性，HPK將磷酸基團從H傳遞給區(qū)域D的天冬氨酸殘基，再通過His磷酸基團轉(zhuǎn)移蛋白(AHP)傳遞到細(xì)胞核里。核中存在類似二元組分系統(tǒng)的反應(yīng)調(diào)節(jié)

6、蛋白(ARR)，接收磷酸基團輸出的信號。擬南芥中ARR分為A型-ARR和B型-ARR。AHK-雜合感應(yīng)激酶捕獲區(qū)活化的AHP進入細(xì)胞核后，將磷酸基團傳給B型-ARR基因，后者誘導(dǎo)A型-ARR基因表達(dá)；同時，AHP直接使A型-ARR磷酸化而進一步傳遞刺激。兩種ARR與各種效應(yīng)物相互作用，導(dǎo)致細(xì)胞功能的改變。二、ABA在植物中的分布與運輸1.分布：存在于全部維管植物(被、裸子植物、蕨類)中。各個器官都有；將要脫落或進入休眠的器官和組織中較多。根、莖、葉、果實、種子都可以合成, 根冠和老葉是主要場所。在逆境條件下含量會迅速增多。2.運輸：ABA在木質(zhì)部和韌皮部中被運輸。根系中合成的ABA也可以經(jīng)木質(zhì)

7、部運往地上部分。3. ABA水平的調(diào)節(jié) - 植物組織中 ABA 濃度是高度變異的發(fā)育種子中可能在幾天內(nèi)增加上百倍，成熟時降低到微量水平；在水分脅迫下，葉子ABA水平可以在4-8小時內(nèi)增加50倍。ABA的水平可以通過降解、區(qū)域化、螯合和運輸調(diào)節(jié)。通過氧化或螯合轉(zhuǎn)變成沒有生理活性的ABA；通常，葉肉細(xì)胞中90%以上ABA被蛋白質(zhì)等大分子吸附，存在于葉綠體被膜內(nèi)，呈束縛態(tài)。極少數(shù)以游離態(tài)在細(xì)胞質(zhì)中。干旱等逆境下，大量的束縛態(tài)ABA被釋放到葉綠體外成為游離態(tài)。脅迫解除后，一部分游離態(tài)ABA變成束縛態(tài)，一部分則降解或與葡萄糖等結(jié)合為結(jié)合態(tài)。2）ABA調(diào)控細(xì)胞氣孔運動的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 與受體結(jié)合后誘導(dǎo)產(chǎn)生活

8、性氧(H2O2和O2-)，激活質(zhì)膜的Ca2+通道，胞外Ca2+流入胞內(nèi)；ABA也可使胞內(nèi)環(huán)化ADP核糖(cADPR)和IP3水平升高，激活液泡膜上Ca2+通道釋放Ca2+。Ca2+流入可啟動胞內(nèi)鈣震蕩并促進液泡中Ca2+的釋放；ABA調(diào)控細(xì)胞氣孔運動的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 Ca2+的升高（1）阻斷K+流入，促進質(zhì)膜Cl-流出而使質(zhì)膜產(chǎn)生去極化,（2）抑制質(zhì)膜質(zhì)子泵，細(xì)胞內(nèi)pH升高，發(fā)生去極化作用，進而導(dǎo)致K+外流；K+和Cl-從液泡釋放到胞質(zhì), 又通過質(zhì)膜上K+和陰離子通道向胞外釋放，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。保衛(wèi)細(xì)胞可同時響應(yīng)多種信號而發(fā)生氣孔關(guān)閉，說明有多種受體和重疊交叉的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，蛋白

9、磷酸化和去磷酸化作用起著重要的作用。ABA對基因表達(dá)的調(diào)控目前已知150余種植物基因可受外源ABA的誘導(dǎo), 其中大部分在種子發(fā)育晚期和/或受環(huán)境脅迫的營養(yǎng)組織中表達(dá)。例如，在種子發(fā)育的中期到晚期，隨著內(nèi)源ABA水平的上升，某些mRNAs大量積累。其翻譯產(chǎn)物包括植物凝聚素、 酶抑制劑、脂質(zhì)體蛋白質(zhì)、貯藏蛋白等。ABA可能在轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄后、翻譯等水平上調(diào)節(jié)著特異基因的表達(dá)。第五節(jié)、乙烯 the gaseous hormone一、發(fā)現(xiàn): 中國熏煙和燒香對果實催熟；德國19世紀(jì)照明氣從管中泄露造成邊道樹落葉；俄國1901年發(fā)現(xiàn)照明氣中含有乙烯，并且證明乙烯引起豌豆幼苗的三重反應(yīng)：抑制莖伸長，促進莖加粗和

10、水平生長。二、乙烯的分布與運輸所有器官都可以產(chǎn)生乙烯，但不同組織、器官和發(fā)育時期的釋放量不同；形成層和莖節(jié)區(qū)域是合成最旺盛部位；在葉片脫落、花器官衰老或果實成熟時，大幅增加。環(huán)境脅迫和生長素可以促進乙烯的生物合成;乙烯是氣態(tài)激素，在植物體內(nèi)運輸性較差。ACC是主要形式。根據(jù)對乙烯的三重反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)擬南芥兩類突變體：一類是乙烯不敏感型突變體，對外源乙烯及其前體ACC沒有反應(yīng)；包括：etr1 (ethylene resistant1)、etr2、ein2(ethylene insensitive2)、ein3、ein4、ein5、ein6、hls1(hookless1)、eir1(ethylene

11、insensitive root1)。其中乙烯不敏感型突變體etr1是一種顯性突變，它編碼的蛋白質(zhì)ETR1是乙烯受體之一。另一類是組成型三重反應(yīng)突變體（包括乙烯過量產(chǎn)生突變體），在沒有外源乙烯時也有三重反應(yīng)。如：eto1 (ethylene overexproduction1)、eto2、eto3。1. 乙烯的受體ETR1發(fā)現(xiàn)的第一個組氨酸激酶ETR1位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，另外有4個與ETR1類似的蛋白質(zhì)，也具有乙烯受體功能。其共同特征：N端跨膜3次，并具有乙烯結(jié)合位點；具有與細(xì)菌和真菌二元組分相似的組氨酸激酶催化區(qū)域。GAF結(jié)構(gòu)域是保守的cGMP結(jié)合結(jié)構(gòu)域，作為小分子結(jié)合調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域其作用；H和D是參與

12、磷酸化的組氨酸和天冬氨酸殘基。組氨酸結(jié)構(gòu)域退化意味著失去了組氨酸激酶催化活性所必需的氨基酸2. 乙烯的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程乙烯在輔助因子銅的作用下可與定位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的乙烯受體家族成員包括ETR1、ETR2、ERS1、ERS2和EIN4結(jié)合。缺乏乙烯時，活化的受體激活下游類似于Raf的絲/蘇蛋白激酶CTR1(組成型三重反應(yīng))，導(dǎo)致乙烯響應(yīng)途徑被阻碣。乙烯與ETR1二聚體結(jié)合，使CTR1變?yōu)椴换罨M而使跨膜蛋白活化。CTR1的存在暗示了MAPK級聯(lián)參與乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程, 且可能是作為乙烯信號途徑的負(fù)調(diào)控因子。EIN2、EIN3/EILs、EIN5 和EIN6 位于CTR1下游, 是乙烯信號途徑的正調(diào)控

13、因子。按照受體突變體所做的乙烯受體作用模型的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)野生型植株中乙烯與受體結(jié)合后使受體失活，出現(xiàn)乙烯反應(yīng)。無乙烯時，受體作為反應(yīng)的負(fù)調(diào)控因子發(fā)揮作用錯義突變干擾乙烯與受體結(jié)合，但調(diào)控位點處于活化狀態(tài)，突變體出現(xiàn)顯性負(fù)控制表型。突變破壞調(diào)節(jié)位點，出現(xiàn)組成型的乙烯反應(yīng)。擬南芥乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模式EIN2-類似于通道跨膜蛋白RAN1responsiveto-antagonist生長素誘導(dǎo)下，Aux/IAA蛋白被泛素連接酶泛素化The auxin receptor is F-box proteins, part of an SCF ubiquitin ligase complexUbiquitin is ligated to the targetTIR1AuxinF-box蛋白是一類含有F-box結(jié)構(gòu)域、在泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)水解過程中具有底物識別特性的蛋白質(zhì)家族，在細(xì)胞循環(huán)、信號傳導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、雄性不育和細(xì)胞程序化死亡等生理過程中發(fā)揮重要作用。泛素化的蛋白被蛋白酶體降解26S proteasome泛素化蛋白質(zhì)降解途徑的研究，2004年獲諾貝爾化學(xué)獎。GA第二信使系統(tǒng)途徑存在的證明a. cGMP是激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的中間體。用赤霉素處理糊粉層細(xì)胞約1h后，cGMP水平顯著升高。b. Ca2-鈣調(diào)蛋白和蛋白激酶也可能是激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的中間體。GA處理在1-4h內(nèi)提高糊粉層細(xì)胞Ca