植物生理學(xué)-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)2課件

1、第七章 植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的概念、特點(diǎn)研究內(nèi)容和意義植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程刺激與感受信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白質(zhì)可逆磷酸化細(xì)胞反應(yīng)信號（signal) 胞外刺激 第一信使first messenger胞外信號，外源：光照、溫度、重力、水分、風(fēng)、雨、氣體、觸摸、機(jī)械損傷、病原菌等胞間信號，內(nèi)源：激素、化學(xué)調(diào)節(jié)因子、電信號、水力學(xué)信號 第二信使second messenger次級信使，是指細(xì)胞感受胞外信號和胞間信號后產(chǎn)生的胞內(nèi)信號分子鈣離子Ca2+肌醇-1，4，5-三磷酸 IP3二酰甘油 GD環(huán)腺苷酸 cAMP環(huán)鳥苷酸 cGMPNOH2O2花生四稀酸環(huán)ADP核糖其它肌醇磷酸IP4 IP5IP6胞間信

2、號(第一信使)的傳遞易揮發(fā)性化學(xué)信號在體內(nèi)氣相的傳化學(xué)信號的韌皮部傳遞化學(xué)信號的木質(zhì)部傳遞(ABA) 電信號的共質(zhì)體和質(zhì)外體途徑，長距離維管束傳遞水力學(xué)信號的木質(zhì)部系統(tǒng)傳遞受體receptor，是細(xì)胞表面或亞細(xì)胞組分中的一種天然分子，可以并特異地與有生物活性的化學(xué)信號物質(zhì)結(jié)合，激活或啟動一系列生物化學(xué)反應(yīng)在，導(dǎo)致特定生物學(xué)效應(yīng)。配體ligand，可被受體識別的有生物活性的化學(xué)信號物質(zhì)。受體與配體的作用：特異性；飽和性；高度親和。目前研究接受外界信號必需的植物受體主要有三種：植物激素受體光信號受體（包括對紅光和遠(yuǎn)紅光敏感的光敏色素、對藍(lán)光敏感的藍(lán)光受體和對紫外敏感的紫外光受體）感病誘導(dǎo)因子受體。

3、三、植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究內(nèi)容與意義1971 E.W.Sutherland cAMP1992 Edmond H. Fischer & Edwin Gerhard Krebs 蛋白質(zhì)可逆磷酸化1994 Alfred Goodman Gilman & Martin Rodbell發(fā)現(xiàn)G蛋白及其在細(xì)胞中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用1998 Louis J. Ignarro NO1999 Gnter Blobel發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)具有內(nèi)在信號以控制其在細(xì)胞內(nèi)的傳遞和定位2000 Arvid Carlsson, Paul Greengard , Eric Richard Kandel發(fā)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)中的信號傳導(dǎo)2 植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

4、過程一.刺激與感受受體接受外來信號,啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程受體與配體的結(jié)合有特異性同一配體可能結(jié)合多種配體乙酰膽堿有2受體 煙堿型和毒蕈型腎上腺2種跨膜信號轉(zhuǎn)換機(jī)制受體信號轉(zhuǎn)換膜表面受體主要有三類(二)、胞內(nèi)信使系統(tǒng)第二信使：由胞外刺激信號激活或抑制的（或引起改變的）、具有生理調(diào)節(jié)活性的細(xì)胞內(nèi)因子稱為細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的次級信使或第二信使（second messenger）。植物中也發(fā)現(xiàn)了一些與動物細(xì)胞類似的第二信使，主要有鈣信號系統(tǒng)肌醇磷脂信號系統(tǒng)，cAMP信號系統(tǒng)?多胺類化合物、乙酰膽堿、ABA、乙烯、H+等植物體內(nèi)信息系統(tǒng)的錯綜復(fù)雜。1.鈣信使系統(tǒng)衡量鈣信使的標(biāo)準(zhǔn)（衡量第二信使的標(biāo)準(zhǔn)）：（1）

5、細(xì)胞質(zhì)的Ca2+（信使物質(zhì)）水平必須能對來自環(huán)境與鄰近細(xì)胞的刺激有所反應(yīng)；而且其變化應(yīng)早于該生理反應(yīng)；（2）在缺乏正常的外界刺激時，通過誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)Ca2+（信使物質(zhì)）濃度變化，可以引起相同生理反應(yīng)；（3）細(xì)胞必須具有感受細(xì)胞質(zhì)Ca2+（信使物質(zhì)）濃度變化、并將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N生理反應(yīng)的機(jī)制；（4）抑制第二信使感知系統(tǒng)的運(yùn)行，必定會抑制細(xì)胞對外界刺激的生理反應(yīng)。（2）Ca2+特性與細(xì)胞中Ca2+的平衡Ca2+是一種植物必需大量元素，但其本身又是一種細(xì)胞毒害劑，Ca2+與磷酸基團(tuán)反應(yīng)會形成沉淀擾亂以磷酸為基礎(chǔ)的能量代謝，因此細(xì)胞Ca2+主要集中在鈣庫（如液泡）中，這是植物細(xì)胞清除胞質(zhì)中Ca2+過

6、剩的手段之一，使得胞質(zhì)中Ca2+濃度非常低。這就要求植物細(xì)胞中必須存在一種機(jī)制將游離Ca2+排出，所以一般胞內(nèi)Ca2+濃度十分穩(wěn)定，即使有微小波動，也是短暫的，稱之為鈣穩(wěn)態(tài)。（3）細(xì)胞中Ca2+的轉(zhuǎn)移當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激信號時，Ca2+可從兩個方向與胞質(zhì)進(jìn)行Ca2+交換，即質(zhì)外體與胞質(zhì)的交換以及胞內(nèi)鈣庫與細(xì)胞質(zhì)液的Ca2+交換，其轉(zhuǎn)移過程包括兩種機(jī)制。A.被動擴(kuò)散：由于細(xì)胞內(nèi)外及細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞器之間存在著巨大的電化學(xué)勢梯度，Ca2+以被動擴(kuò)散的形式進(jìn)入，也包括通過Ca2+-channel（外界信號可刺激通道開啟）的協(xié)助擴(kuò)散，使胞內(nèi)Ca2+濃度迅速大幅度上升，這是Ca2+進(jìn)入胞質(zhì)的主要方式；B.主動

7、運(yùn)轉(zhuǎn)：質(zhì)膜和細(xì)胞器外膜上存在有依賴于ATP的鈣泵（Ca2+-ATPase）以及Ca2+/H+反向共轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，利用水解ATP提供能量，將胞質(zhì)中的連續(xù)不斷地排出胞質(zhì)，以維持細(xì)胞質(zhì)一定的低鈣水平。植物細(xì)胞內(nèi)Ca2+轉(zhuǎn)移系統(tǒng)模式圖鈣信使作用的分子基礎(chǔ)（1）鈣結(jié)合蛋白（CaBP）與鈣信號受體蛋白CaBP是一種與Ca2+有很高親和力和專一性的蛋白質(zhì)；即使當(dāng)細(xì)胞質(zhì)液中Mg2+濃度大于Ca2+濃度1000倍時，仍優(yōu)先與Ca2+結(jié)合。鈣信號蛋白是一種與Ca2+結(jié)合后能引發(fā)某種生理反應(yīng)的CaBP；目前生物界分布最廣、了解最多的鈣信號蛋白是鈣調(diào)素（Calmodulin，簡寫為CaM）。鈣依賴型蛋白激酶calcium

8、 dependent protein kinase CDPK（2）CaM的特點(diǎn)：CaM是一種保守性（Aa組成）很強(qiáng)的高熱穩(wěn)定小分子可溶性球蛋白，100半失活需7min；CaM由19種Aa組成，共148個Aa分子，單鏈，酸性，pI 3.94.3；CaM上有四個Ca2+結(jié)合位點(diǎn)，有Ca2+時MW 15,000，無Ca2+時MW 19,000。3.鈣信使作用的分子基礎(chǔ)(n=14，多為4）（m為活化靶酶所結(jié)合的CaM數(shù)）（3）CaM作用機(jī)制：作為細(xì)胞鈣信號的受體蛋白，CaM只有與Ca2+結(jié)合才有生理活性，進(jìn)一步與靶酶結(jié)合并將其激活，可用下式表示：（4）CaM命名的雙重含義CaM的靶酶也包括Ca2+-A

9、TPase，因此它又可以反饋性地泵出Ca2+到各個鈣庫，胞質(zhì)Ca2+水平降到CaM結(jié)合閾值以下，細(xì)胞質(zhì)中Ca2+恢復(fù)到靜息態(tài)水平。隨后Ca2+與CaM分離，CaME復(fù)合體也隨之解體，CaM、E均回到非活化狀態(tài)，因此CaM本身命名有雙重含義：A.其自身活性受Ca2+水平調(diào)節(jié)；B.它又可以調(diào)節(jié)胞質(zhì)中Ca2+濃度。目前研究Ca2+濃度變化常采用能與Ca2+結(jié)合的熒光指示劑作為“探針”，用激光共聚焦顯微鏡觀察，證明Ca2+濃度變化時間、幅度、趨勢、頻率、區(qū)域化分布均隨不同外界刺激表現(xiàn)出高度特異性：如： 赤霉素的作用常表現(xiàn)為一種適度而持久（min到h量級）的Ca2+增加，緩慢回落； 生長素作用則表現(xiàn)為C

10、a2+振蕩（即出現(xiàn)重復(fù)的Ca2+高峰）。2 肌醇磷脂信號系統(tǒng)肌醇磷脂包括三種：即 磷脂酰肌醇（PI） 磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP） 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）關(guān)于肌醇磷脂信號系統(tǒng)動物細(xì)胞中研究較多，植物細(xì)胞目前也有發(fā)現(xiàn)，但機(jī)制還不太清楚。以肌醇磷脂代謝為基礎(chǔ)的細(xì)胞信號系統(tǒng)，是在胞外信號為膜受體接受后，以G蛋白為中介，由質(zhì)膜中磷脂酶C（PLC） 水解PIP2產(chǎn)生產(chǎn)生肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）和二酯酰甘油（DAG）兩種胞內(nèi)信號，因此又稱雙信號系統(tǒng)，分別形成兩個信號傳遞途徑。感受器（受體）轉(zhuǎn)換器（G-Pr）效應(yīng)器（PLC）1.雙信號系統(tǒng)IP3作為信號分子，在植物中作用于液泡膜上

11、受體，可影響液泡膜上Ca2+通道，使Ca2+從鈣庫中釋放出來，引起胞內(nèi)Ca2+濃度提高，從而啟動胞內(nèi)Ca2+信號系統(tǒng)來調(diào)節(jié)和控制一系列生理反應(yīng)。DAG作為信號分子的功能是由于蛋白激酶C（PKC）的發(fā)現(xiàn)而闡明的，PKC的活性依賴于Ca2+和磷脂，它催化蛋白質(zhì)的磷酸化。DAG和Ca2+，促進(jìn)磷脂與PKC結(jié)合，激活PKC，磷酸化某些底物蛋白或酶，導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)；當(dāng)胞外刺激消失后，DG首先從復(fù)合物上解離下來使PKC鈍化，鈍化的PKC可繼續(xù)存在于質(zhì)膜上或進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)備用。2.雙信號的調(diào)節(jié)IP3與細(xì)胞內(nèi)鈣庫膜上的專一受體結(jié)合，促使Ca2從液泡終釋放出來，與CaM結(jié)合形成Ca2-CaM復(fù)合物；Ca2+CaME和

12、蛋白質(zhì)磷酸化導(dǎo)致細(xì)胞反應(yīng)。 IP3產(chǎn)生后很快被磷酸二酯酶水解，首先產(chǎn)生IP2，繼而是肌醇單磷酸（IP）及磷脂酰肌醇（PI）返回膜內(nèi)。3.肌醇磷脂信號系統(tǒng)和鈣信使的關(guān)系植物細(xì)胞中鈣信使和肌醇磷脂信號系統(tǒng)具有共轄性質(zhì)：一方面，Ca2+控制PLC的底物專一性，決定IP3和DG信號分子的生成；另一方面，IP3信使的量反過來又影響的Ca2+產(chǎn)生，而且DG信使的受體蛋白（PKC）也受到Ca2+的調(diào)節(jié)。磷酸肌醇代謝循環(huán)過程肌醇磷脂信號系統(tǒng)的幾個中心環(huán)節(jié)PLC及由它作用產(chǎn)生的信號物質(zhì)IP3和DG、IP3使鈣庫液泡釋放Ca2+的功能等都已在植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)；但迄今為止仍未證實(shí)植物細(xì)胞中有類似于動物細(xì)胞中PKC酶類

13、的存在。因此有關(guān)DAG在植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中的作用仍不清楚。（三）環(huán)核苷酸信號系統(tǒng)cAMP是最早發(fā)現(xiàn)的信號物質(zhì)，但目前只在動物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)：質(zhì)膜上的受體通過G-Pr介導(dǎo)，促進(jìn)或抑制膜內(nèi)側(cè)的腺苷酸環(huán)化酶，從而調(diào)節(jié)胞質(zhì)內(nèi)cAMP水平；cAMP激活蛋白激酶A（PKA），對某些底物和酶進(jìn)行磷酸化，引起細(xì)胞反應(yīng)。感受器轉(zhuǎn)換器效應(yīng)器 受體G-Pr腺苷酸環(huán)化酶（三）環(huán)核苷酸信號系統(tǒng)20世紀(jì)70年代人們開始研究植物細(xì)胞中的cAMP，但至今進(jìn)展緩慢，仍未證明它在植物細(xì)胞中的普遍存在及是否具有作為第二信使的作用?，F(xiàn)有試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ca2+-CaM和cGMP兩個信號系統(tǒng)在合成完整成熟葉綠體中協(xié)同起作用，光信號受體是光敏色

14、素。光誘導(dǎo)的花色素苷和葉綠體某組分的合成三、蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化植物體內(nèi)許多功能蛋白轉(zhuǎn)錄后需要共價修飾才能發(fā)揮其生理功能，由蛋白激酶（protein kinase，PK）/ 蛋白磷酸酯酶（protein phosphatases）所催化的磷酸化/去磷酸化就是進(jìn)行共價修飾的一個重要過程，它們也是大多數(shù)胞內(nèi)信使的靶酶，即胞內(nèi)信號通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的磷酸化或去磷酸化過程而進(jìn)一步轉(zhuǎn)導(dǎo)信號。胞內(nèi)信號（如cAMP）依賴蛋白質(zhì)中介、放大，最后完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程現(xiàn)已證明植物細(xì)胞中有一個CDPK家族（一）蛋白質(zhì)磷酸化蛋白質(zhì)磷酸化通過PK進(jìn)行，但PKC、PKA這兩種動物中最重要的蛋白激酶，在植物體內(nèi)都沒有發(fā)現(xiàn)。植物中

15、的PK，目前已知的有30多種，其中最為重要的是鈣依賴型PK（Ca2+-dependent protein kinase，CDPK）或稱鈣調(diào)素樣PK（Calmodulin-like domain protein kinase，CDPK）。CDPK在其氨基端有一個蛋白激酶活性區(qū)域，而在羧基端有一類似于CaM的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)區(qū)域（其中有4個Ca2+結(jié)合位點(diǎn)），在兩者之間存在一個由31個氨基酸組成的自身抑制區(qū)域。（一）蛋白質(zhì)磷酸化除CDPK類蛋白激酶外，還有與植物光敏色素密切相關(guān)的Ca2+依賴型蛋白激酶、同時受Ca2+和CaM調(diào)節(jié)的蛋白激酶、在水分脅迫下被激活的依賴Mg2+的Thr/Ser蛋白激酶等。當(dāng)Ca

16、2+與CDPK結(jié)合時，其自身抑制區(qū)域?qū)っ富钚缘囊种票唤獬珻DPK被活化。這類激酶的活性只依賴于Ca2+而不依賴于CaM?，F(xiàn)已知道，可被CDPK磷酸化的Pr包括細(xì)胞骨架成分、膜運(yùn)輸成分、質(zhì)膜H+-ATPase等。類受體蛋白激酶最早發(fā)現(xiàn)于動物中位于細(xì)胞膜上,感受刺激并參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)胞配體結(jié)合區(qū)跨膜區(qū)胞質(zhì)激酶區(qū)（二）蛋白質(zhì)的去磷酸化蛋白磷酸酯酶逆轉(zhuǎn)磷酸化作用，是終止信號或一種逆向調(diào)節(jié)，與蛋白激酶理論上有同等重要意義。目前已發(fā)現(xiàn)的蛋白磷酸酯酶有四類：Type1,2,3,4；植物上發(fā)現(xiàn)了Type1，Type2A，Type2C。蛋白質(zhì)磷酸化的可逆性為細(xì)胞的信息傳遞提供了一種開關(guān)作用；在有外來信號刺激的情

17、況下，通過去磷酸化（或磷酸化）能夠?qū)⒅P(guān)閉，使得細(xì)胞能夠有效而經(jīng)濟(jì)地調(diào)控對內(nèi)外信息的反應(yīng)。四、細(xì)胞反應(yīng)最后一步生理反應(yīng)短期生理效應(yīng)氣孔含羞草葉綠體長期生理效應(yīng)萌發(fā)春化光周期常見的植物信號反應(yīng)生理現(xiàn)象感受的刺激光誘導(dǎo)的種子萌發(fā)光氣孔運(yùn)動光暗A(chǔ)BA等植物向光性反應(yīng)光含羞草感震運(yùn)動機(jī)械根向地性生長重力光調(diào)控開花光春化反應(yīng)低溫植物葉片脫落光周期乙稀誘導(dǎo)果實(shí)成熟乙烯植物細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過途徑植物細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)小結(jié)植物體受到環(huán)境刺激后，產(chǎn)生胞間信號，被細(xì)胞膜上信號受體感受，接受后，通過G蛋白及效應(yīng)器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號（鈣信號、肌醇磷脂酶信號等），最后傳遞到胞內(nèi)特定效應(yīng)部位，通過蛋白質(zhì)的可逆磷酸化引起

18、生理生化反應(yīng)，從而調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育過程REVIEW(1) 細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能；(2) 功能與代謝生理，主要包括水分、礦質(zhì)、光合、呼吸、運(yùn)輸?shù)雀鞣N功能、機(jī)理與環(huán)境條件的影響；(3) 生長發(fā)育，它是各種功能與代謝活動的綜合反應(yīng)，包括生長、分化、發(fā)育與成熟、休眠、衰老(包括器官脫落)及其調(diào)控；(4) 逆境生理，包括植物在逆境條件下的生理反應(yīng)、抗逆性等。Chapter2. 植物的水分代謝1植物細(xì)胞對水分的吸收2根系吸收水分的方式與動力3蒸騰作用及其(氣孔)調(diào)控機(jī)理4水分運(yùn)輸?shù)耐緩脚c動力5植物水分平衡及其維持 1.植物生命活動中的必需元素及其研究方法 2. N、P、K、Ca 及 Fe、B、Zn生理功能及缺素癥 3.根系吸收礦質(zhì)的特點(diǎn) 4.細(xì)胞吸收礦質(zhì)的機(jī)理 5.合理施肥的理論依據(jù)Chapter3.植物的礦質(zhì)與氮素營養(yǎng) 1. 光合作用的重要意義 2. 葉綠體色素的光學(xué)性質(zhì)與生物合成 3. 光合作用的機(jī)理 植物光合作用碳同化的途徑及其特點(diǎn)光呼吸及其生理意義 4. 影響光合作用的因素 5. 作物的光能利用率 Cha