植物脫落酸信號傳導(dǎo)研究進展

植物脫落酸信號傳導(dǎo)研究進展

1973年，研究了棉花果實的脫落和楓葉芽的失眠，發(fā)現(xiàn)了脫落酸（aba）。例如，脫落酸可以發(fā)揮芽和種子的失眠、生長調(diào)節(jié)、葉片的衰老和掉落、空氣測試、抗旱性和寒冷性等作用。對脫落酸信號傳導(dǎo)的研究主要集中在種子成熟和休眠、氣孔的運動上。最近BrigitteMauch-Mani等的研究報道ABA還可以通過胼胝質(zhì)的沉積增強植物對病原微生物的抗性。植物在生長和發(fā)育過程中，不可避免地會受到各種不利環(huán)境的干擾，于是演化出一套適應(yīng)和對付各種逆境的機制，很多研究表明ABA對于植物適應(yīng)逆境起著極其重要的作用。我國西部很多地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有干旱、鹽堿、寒冷等特征，因此研究ABA的作用機理具有重要的理論意義和實踐意義。ABA受體是研究ABA作用機理的重要環(huán)節(jié)。在探索ABA作用機理的起始過程中，尋找ABA受體一直都是研究的焦點之一。ABA受體是感受和傳遞ABA信號的起始，在整個ABA信號傳遞過程中，ABA受體是唯一直接感受ABA信號的元件，是傳遞ABA信號的起始，起到一個開關(guān)的作用。近年來一直都是研究ABA信號傳導(dǎo)的熱點。1aba的受體ABA結(jié)合位點的定位一直是研究的焦點，關(guān)于ABA結(jié)合位點的定位有兩種看法，一種認(rèn)為ABA結(jié)合位點在細(xì)胞膜外側(cè)，一種認(rèn)為ABA結(jié)合位點在細(xì)胞膜內(nèi)。有很多實驗可以證明。Hocking等首次用放射配基結(jié)合分析法證明蠶豆葉片亞細(xì)胞組分中存在ABA的特異結(jié)合活性。其后人們對ABA的結(jié)合位點作了大量的研究。得出了很多研究成果。Anderson等用微注射法注射ABA到鴨跖草保衛(wèi)細(xì)胞中，使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)ABA的濃度達到50到200μM，對照的ABA濃度大約為1μM。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對照和處理的氣孔開合狀態(tài)類似。而在細(xì)胞外用10μM濃度的ABA在pH6.15的時候?qū)饪状蜷_的抑制程度為98%，在pH8.0的時候?qū)饪状蜷_的抑制程度為57%。依賴pH的細(xì)胞外ABA活性可能暗示了有一個調(diào)節(jié)氣孔開合的細(xì)胞內(nèi)ABA受體。但微注射到細(xì)胞內(nèi)ABA不能充分抑制氣孔的打開，結(jié)果證明抑制氣孔打開的ABA結(jié)合位點在保衛(wèi)細(xì)胞的膜外側(cè)。AllanAC等ABA能很快的使鴨跖草的保衛(wèi)細(xì)胞關(guān)閉，通常認(rèn)為這是和保衛(wèi)細(xì)胞中鈣離子濃度的升高相關(guān)的。然而當(dāng)鴨跖草生長在10℃～17℃時，即使使用ABA也不會使保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度升高，但氣孔仍然會關(guān)閉。在25℃或25℃以上的，氣孔的關(guān)閉總是和保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度升高所偶聯(lián)的。這說明可能有兩條不同的ABA參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑控制氣孔的關(guān)閉。由于ABA的吸收和轉(zhuǎn)運可能和溫度相關(guān)，AllanAC等用微注射法注射cagedABA到保衛(wèi)細(xì)胞中。然后用紫外線把cagedABA分解，釋放出ABA，結(jié)果氣孔關(guān)閉。這說明在細(xì)胞內(nèi)可能有一個ABA受體位點。EmmanuelleJeannette等通過對ABA嚴(yán)格特異表達的RAB18基因轉(zhuǎn)錄物的檢測，巧妙的證明了在擬南芥懸浮細(xì)胞的外部有ABA的感受位點。由于ABA參與調(diào)節(jié)控制多種生理過程，細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外有多種不同的感受位點，也暗示了可能存在多種ABA受體。2aba信號傳導(dǎo)下游的分子近年來發(fā)現(xiàn)了一系列和ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的信號分子和ABA合成代謝相關(guān)的基因。DesikanR等在很多植物中，發(fā)現(xiàn)過氧化氫、NO是ABA調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的信號途徑中的關(guān)鍵分子。Ross等報道AtBG1基因（編碼β葡萄糖苷酶，水解偶聯(lián)葡萄糖）使無活性的ABA轉(zhuǎn)化成有活性的ABA。缺失AtBG1導(dǎo)致氣孔運動和早期萌發(fā)的缺陷、非生物壓力敏感表型和低的ABA含量。過表達AtBG1導(dǎo)致較高的ABA含量，和增強對非生物壓力的耐受。YangCY等對LLA23蛋白的研究發(fā)現(xiàn)，LLA23可被ABA、NaCl、干旱誘導(dǎo)表達。通過構(gòu)建LLA23的過表達擬南芥植株，發(fā)現(xiàn)種子可在抑制濃度的NaCl和甘露醇下發(fā)芽。而且更加有趣的結(jié)果是在干旱的情況下，氣孔仍保持打開，但水分喪失率卻減少了，而且還增強了抗旱和抗鹽堿的能力。這說明有可能新的植物抗旱的分子機制。ChenJG等的研究發(fā)現(xiàn)RACK1參與了擬南芥中多種植物激素的信號傳導(dǎo)很多的信號傳導(dǎo)的下游元件都參與了多種植物激素的下游信號傳導(dǎo)。ABA的信號傳導(dǎo)和G蛋白復(fù)合體是密切相關(guān)的。SonaPandey等的研究證明GCR1和GPA1有相互作用。隨后的研究表明G蛋白復(fù)合體中，GPA1(G蛋白α亞基），AGB1(G蛋白β亞基），和GCR1(G蛋白偶聯(lián)的候選受體蛋白）在種子的萌發(fā)和早期的幼苗發(fā)育過程中都負(fù)向調(diào)節(jié)ABA信號傳導(dǎo)。在ABA信號傳導(dǎo)的下游，去磷酸化（ABI1/2），蛋白質(zhì)的法尼基化（ERA1）和RNA加工（ABH1）都需要減弱ABA信號。在信號傳導(dǎo)的末端，ABI3,ABI4,ABI5這三個轉(zhuǎn)錄因子都可以減少種子對ABA的敏感性。廣義上說，可以把ABA敏感突變體分成兩類：一類是對ABA超敏感表型的突變體，蛋白質(zhì)的法尼基化（ERA1），肌醇信號傳導(dǎo)（FRY1）和RNA的加工（ABH1,SAD1,HYL1）都需要減弱ABA的反應(yīng)。一類突變是減少種子對ABA的響應(yīng)暗示出去磷酸化（ABI1,ABI2）和轉(zhuǎn)錄（ABI3,ABI4,ABI5）也同樣重要。利用對基因抑制的組合和上位分析，得出ABI1,ABI2在ABH1和ERA1的上游，ABI3,ABI4,ABI5處于下游；利用酵母雙雜交證明了，ABI3和ABI5處于同一信號通路中；對ABH1和ABI1進行雙突變分析，得出它們處于不同的信號通路中，也被對ERA1和ABH1雙突變體的觀察所支持。VeroniqueHugouvieux等ABH1和ERA1不是在同一個負(fù)向調(diào)節(jié)途徑上，mRNA加工蛋白ABH1和SAD1在保衛(wèi)細(xì)胞的ABA信號傳導(dǎo)中都是起負(fù)向調(diào)節(jié)作用的。然而研究者們在ABA受體上作了大量的工作，但很長時間來仍沒比較公認(rèn)的受體基因，大量的ABA敏感突變體被鑒定，基因也被克隆，幾乎所有克隆的基因都是轉(zhuǎn)錄因子或處于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的中游的蛋白。3fca促進了aba主導(dǎo)的mrna前體的發(fā)育FawziA.Razem等在2006年1月，在Nature上發(fā)表了一篇證明FCA就是人們尋找多年的ABA受體的文章。FCA是一個控制開花的RNA結(jié)合蛋白，是控制植物開花的一個關(guān)鍵蛋白。FCA和ABA有高親和性，立體專一性，而且符合受體動力學(xué)原理。主要介導(dǎo)一個獨立的開花信號傳導(dǎo)途徑。證明了ABA的結(jié)合直接控制了FCA介導(dǎo)的mRNA前體的加工。通過他們的結(jié)果證明FCA是一個參與了RNA代謝和控制開花時間的ABA受體。還有研究表明FCA對側(cè)根的發(fā)育有影響，并且在發(fā)育的不同階段對側(cè)根發(fā)育有不同的影響。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張大鵬等在2002年從蠶豆葉片表皮中純化和鑒定了一個42KD的ABA特異結(jié)合蛋白。通過克隆編碼該蛋白的基因，通過對該基因的進一步研究。2006年10月，張大鵬等在Nature上也發(fā)表了一篇證明CHLH是ABA受體的文章。CHLH編碼一個Mg離子螯合酶的H亞基，這個蛋白是葉綠素合成和質(zhì)體到細(xì)胞核信號傳導(dǎo)的重要組成。并特異結(jié)合ABA，參與了種子萌發(fā)的正向調(diào)節(jié)，種子的發(fā)芽后的生長和氣孔的運動。而且CHLH是一個普遍表達的蛋白質(zhì)，不管是在綠色組織中還是在非綠色組織中都有，所以CHLH是在整個植物體中感受ABA信號的受體。比較而言CHLH的意義更加重大，對以后種子發(fā)育、幼苗生長、氣孔運動的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)更加有指導(dǎo)意義。4研究受體的方法5aba信號傳導(dǎo)的研究研究ABA受體的問題主要集中在兩個方面，一個是如何尋找到ABA受體的侯選基因，一個是如何證明ABA受體侯選基因是受體。后一個問題，張大鵬、FawziA.Razem等的研究已經(jīng)給了很好的答案。在未來對ABA受體的研究中，將主要集中在如何尋找ABA受體的侯選基因的問題上。ABA在植物體對環(huán)境脅迫的反應(yīng)起著重要的作用?，F(xiàn)在在ABA受體的研究上有了突破，但是對受體空間結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域功能的研究還不多，特別是結(jié)合ABA的結(jié)構(gòu)域的研究。將對ABA受體研究有很大的促進作用。對整個ABA信號傳導(dǎo)的研究也將起到極大的促進作用。4.1研究的基因過表達,觀察植株對外界環(huán)境響應(yīng)的變化。使用如插入增強子、增加基因拷貝數(shù)等技術(shù)。4.2抑制基因表達,觀察植株對外界環(huán)境響應(yīng)的變化。使用如基因干擾、反義抑制、T-DNA插入基因敲除等技術(shù)。4.3確定ABA受體立體專一性,用(+)-ABA和(-)-ABA分別和ABA受體結(jié)合,測試受體結(jié)合ABA的立體專一性。4.4抗體處理葉片,使ABA誘導(dǎo)產(chǎn)生的酶的活性降低,克隆抗體結(jié)合的這類蛋白質(zhì),也很可能是ABA的候選受體。4.5ABRC(ABAresponsepromotorcomplexes)由一個ACGT為核心的元件和一個聯(lián)結(jié)元件組成。ABRC被證明是在谷類作物中ABA誘導(dǎo)基因表達的必要條件。RossC通過對大麥基因HVA1的啟動子和水稻直系同源物啟動子的比較,發(fā)現(xiàn)ABRC的結(jié)構(gòu)和序列都高度相似,所以很容易通過生物信息學(xué)的方法對水稻基因組中對ABA響