植物生理学第七章细胞信号转导1018

第三篇

植物的生长和发育

在前面两篇里讨论了各种物质与能量的新陈代谢过程，植物就在这些过程的基础上发芽、长根、长叶、开花、结果。因此，新陈代谢是植物生长和发育的基础。生长、分化和发育的概念1、生长(growth)在生命周期中，生物的细胞、组织和器官的数目、体积或干重的不可逆增加过程称为生长。包括营养生长和生殖生长。。2、分化(differentiation)从一种同质的细胞类型转变成形态结构和功能与原来不相同的异质细胞类型的过程称为分化。3、发育(development）在生命周期中，生物的组织、器官或整体在形态结构和功能上的有序变化过程称为发育。发育包括生长和分化两个方面。本篇共有七章，前面三章（细胞信号转导、植物生长物质和光形态建成）是后面四章的理论基础、前三章的生理功能分别渗透到后四章的各种生长发育过程中。第三篇植物的生长和发育第七章

细胞信号转导第七章细胞信号转导第一节信号与受体结合第二节跨膜信号转换第三节细胞内信号转导形成网络小结植物的生长发育是基因在一定时间、空间上顺序表达的过程，而基因的表达除了受遗传因素支配外也受周围环境的调控。动物通过神经和内分泌系统调节自身，而植物没有这两个系统，它是通过对各种外界环境信号精确、完善的信号转导系统来调节自身，适应环境。植物在整个生命周期中常受到内、外各种生物的或非生物的刺激，如温度、光、重力、植物激素、代谢物、病原因子等，这些刺激通过细胞受体的感受、传递、整合、输出，引发细胞生理生化的变化最终影响植物的生长和发育过程。图影响植物生长发育的各种环境因子示意图这些环境因子及其强度与浓度变化都能被植物体感受并引发相应的信号转导和细胞反应对于植物细胞来讲，有来自相邻细胞的刺激、细胞壁的刺激、激素、温度、光照等等刺激，连接环境刺激到植物反应的分子途径就是信号转导途径，细胞接受信号并整合、放大信号，最终引起细胞反应胞（外）间信号从产生位点经长距离传递到达靶细胞，靶细胞首先要能感受信号并将胞外信号转变为胞内信号，然后再启动下游的各种信号转导系统，并对原初信号进行放大以及激活次级信号，最终导致植物的生理生化反应。

信号转导过程（步骤）：刺激信号与受体结合→跨膜信号转换→信号传递、放大与整合→基因表达→生理生化反应细胞信号转导的概念

植物细胞信号转导（signaltransduction）是指细胞偶联各种刺激信号

（包括各种内外源刺激信号）与其引起的特定生理效应之间的一系列分子反应机制。

信号转导可以分为4个步骤：1、信号分子与细胞表面受体的结合；2、跨膜信号转换；3、在细胞内通过信号转导网络进行信号传递、放大与整合；4、导致生理生化变化细胞内细胞外质膜胞外信号胞内信号转导网络信号输入信号输出受体跨膜信号转换G蛋白连接受体蛋白可逆磷酸化生理效应双元系统信号转导网络进行信号传递、放大与整合信号输入跨膜信号转换胞内信号转导网络信号输出信号转导网络进行信号传递、放大与整合蛋白可逆磷酸化G蛋白连接受体双元系统第一节信号与受体结合所谓信号(signal)是指生物在生长发育过程中细胞所受到的各种刺激(主要指细胞内外环境的变化)。信号的主要作用是承载信息(information)，使信息在细胞间和细胞内传递，并在细胞和生物体内引发特异的生理反应。如光信号中包含光照方向、光质和光周期等光信息，当植株不同部位的光受体接受光信号携带的光信息后，可分别导致向光性(如叶绿体运动、叶和芽的向光性生长)、光形态建成(如去黄化，需光种子的萌发)和光周期诱导(如花芽分化)等反应。按信号分子的性质可将信号分为物理信号(如：光、电、机械刺激、磁场、辐射、温度等)、化学信号(如植物激素、多肽、糖类等细胞代谢物等)生物信号(如病原微生物、寄生虫等)。按信号的来源又可将信号分为胞外（间）信号（如：光和温度、电波、水压力和植物激素等）胞内信号（如：

Ca2+，IP3，DAG,CAMP,cGMP等。）

一、信号的概念和类型1.胞外(间)信号又称第一信使或初级信使。包括胞外环境信号和胞间信号。胞外环境信号是指影响植物生长发育的外界环境因子。胞间信号是指由植物体自身合成的、能从产生之处运到别处，并对其他细胞产生刺激的细胞间通讯分子。植物激素、多肽、糖类等是主要的胞间化学信号，而电波和水压力等是植物体中的胞间物理信号。2.胞内信号目前已清楚的胞内化学信号分子都是小分子，有钙离子(Ca2+)、肌醇-1，4，5-三磷酸(IP3)、二酯酰甘油(DAG)、环腺苷酸(cAMP)、环鸟苷酸(cGMP)、环腺苷磷酸核糖(cADPR)、(图7-2)等。还有一些物质，如H2O2、花生四烯酸和其它肌醇磷酸(IP4、IP5、IP6)，糖类、多肽等也被认为在植物细胞中具有第二信使作用。膜电势也可看作为胞内的物理信号。图7-2植物细胞内几种主要的第二信使分子结构又称第二信使，通常是指由细胞感受胞外信号后产生的对细胞代谢起调控作用的胞内信号分子。二、受体的概念和类型1.受体的概念

受体(receptor)是指能够特异地识别并结合信号、在细胞内放大和传递信号的能引起特定生理生化反应的生物大分子物质。其中与受体特异结合的化学信号分子称配基(ligand)。一般来说化学信号的受体是蛋白质或酶系。而物理信号的受体可以是蛋白质，也可以是膜、色素等其它生物大分子。2.受体的特征

(1)具有组织特异性(2）对配基具有高亲和性(3)与配基结合具有饱和性和可逆性(一)受体的概念和特征(二)类型（根据受体在细胞中的位置）1.细胞表面受体指存在于细胞质膜上，也称膜受体，通常是跨膜蛋白质，经跨膜信号转换将胞外信号传至胞内。已发现有

(1)G蛋白连接受体(2)受体蛋白激酶

（如：光敏色素、二元组分系统）2.细胞内受体指存在于细胞质中或亚细胞组分(细胞核、液泡膜等)上的受体。如：激素受体和光受体，胞内受体识别和结合的是能够穿过细胞质膜的信号分子,如光信号、激素、生长因子等第二节跨膜信号转换跨膜信号转换：信号与细胞表面的受体结合之后，通过受体将信号传递进入细胞内，这个过程称为跨膜信号转换。

这里着重介绍通过G蛋白连接受体发生的跨膜信号转换和二元组分系统介导的跨膜信号转换。一、由G蛋白连接受体介导的跨膜信号转换G蛋白（Gprotein）全称为GTP结合调节蛋白，这类蛋白发挥调节作用时，需要与GTP结合，也就具有GTP酶的活性。G蛋白有两种类型，一是异源三聚体GTP结合蛋白（heterotrimericGTPbindingprotein），由α、β和γ三种亚基组成。亚基上氨基酸残基的酯化修饰，将G蛋白结合在细胞膜面向胞质溶胶的一侧。通常将异源三聚体GTP结合蛋白称为大G蛋白。另一类是小（单体）G蛋白（smallGprotein），它们与异源三聚体GTP结合蛋白的α亚基相似，（属于单体鸟嘌呤核苷酸结合蛋白）也被结合在质膜朝向胞质溶胶的一侧。但细胞跨膜信号转导中起主要作用的是异源三聚体G蛋白。二十世纪70年代初在动物细胞中发现了G蛋白的存在，进而证明了G蛋白是细胞膜受体与其所调节的相应生理过程之间的主要信号转导者。G蛋白的发现是生物学一大成就。吉尔曼(Gilman)与罗德贝尔(Rodbell)因此获得1994年诺贝尔医学生理奖。

异源三聚体G蛋白位于膜内侧，并与质膜紧密结合。当某种刺激信号与其膜上的特异受体(G蛋白偶联受体)结合后，激活的受体将信号传递给G蛋白，G蛋白的α亚基与GTP结合而被活化。活化的α亚基与β、γ亚基分离而呈游离状态，活化的α亚基触发效应器，把胞外信号转换为胞内信号。当α亚基所具有的GTP酶将与α亚基相结合的GTP水解为GDP后，α亚基恢复到去活化状态并与β、γ亚基结合为复合体。已经发现PLC(磷酸脂酶C)及（PLD）等是G蛋白信号系统中的效应器。三聚体G蛋白的信号转换方式G蛋白的信号偶联功能是靠GTP的结合或水解产生的变构作用完成。当G蛋白与受体结合而被激活时，继而触发效应器，把胞间信号转换成胞内信号。而当GTP水解为GDP后，G蛋白就回到原初构象，失去转换信号的功能。

过程：刺激信号与膜受体结合受体激活信号传递G蛋白α-亚基与GTP结合而活化活化的α-亚基呈游离状态触发效应酶或离子通道，把胞外信号转换成胞内信号。G蛋白介导的跨膜信号转换还可同时起放大信号的作用。放大信号是指每个与信号分子结合的受体可以激活多个G蛋白，G蛋白又可激活下游组分并进一步放大信号。在植物中已经发现编码G蛋白的α、β、γ亚基的基因，G蛋白参与细胞分裂、气孔运动、花粉管生长等生理反应的信号转导。二元组分系统首先是在细菌中发现的，受体有两个基本的部分，一个是组氨酸蛋白激酶（Hisproteinkinase，HPK），另一个是反应调节蛋白（response-regulatorprotein，RR）。HPK位于质膜，分为感受细胞外刺激部分和激酶部分。当HPK接受信号后，激酶的组氨酸残基发生磷酸化，并且将磷酸基团传递给下游的RR。RR也有两个部分，一是接受磷酸基团的部分，具有天冬氨酸残基，另一部分为信号输出部分，将信号传递给下游的组分，通常是转录因子，调控基因的表达。现已明确，植物激素乙烯（见第八章）的受体就是一个HPK。二、二元组分系统的跨膜信号转换途径第三节细胞内信号转导形成网络

由于植物移动性不如动物，植物在长期的进化过程中就发展起一套完善的信号转导系统，以适应环境的变化，更好地生存。在植物的生长发育的某一阶段，常常是多种刺激同时作用。这样，复杂而多样的信号系统之间存在着相互作用，形成信号转导的网络（network）。第二信使：由胞外刺激信号激活或抑制的、具有生理调节活性的细胞内因子称为细胞信号传导过程中的次级信号或第二信使。植物中的的第二信使，主要是:

Ca2+DAG、IP3、cAMP、cGMP、等。

钙信使系统磷酸肌醇信使系统和环腺苷酸信使系统。还有H+、某些氧化还原剂如抗坏血酸、谷胱甘肽和过氧化氢等

钙在植物细胞中的分布极不平衡。一般来说，静息态胞质Ca2+浓度小于或等于0.1mmol·L-1,而细胞壁、内质网和液泡中的Ca2+浓度要比胞质中的高2—5个数量级。细胞受刺激后，胞质Ca2+浓度可能发生一个短暂的、明显的升高，或发生梯度分布或区域分布的变化。达到一定的阈值后引发生理反应，从而起到传递胞外信号的作用。当完成信号传递后，Ca2+迅速泵出胞外或者泵进胞内Ca2+库，胞质中的Ca2+又回落到静止状态水平，同时Ca2+也与受体蛋白分离。

几乎所有的胞外刺激信号都可能引起胞内游离Ca2+离子浓度的变化，而这种变化的时间、幅度、频率、区域化分布等却不尽相同，有可能不同刺激信号的特异性正是靠钙浓度变化的不同形式体现的。一、Ca2+/CaM在信号转导中的作用例如，伸长的花粉管具有明显的Ca2+梯度，顶端区域浓度最高，亚顶端之后随之降低。在花粉管持续伸长过程中，这一区域的浓度变化呈现周期性上升和回落。胞质Ca2+继而与钙结合蛋白如钙调素（calmodulin，CaM）、钙依赖型蛋白激酶（calciumndependentproteinkinase,CDPK）等结合而起作用。Ca2+在植物细胞内外的动态变化钙离子的跨膜运转调节细胞内的钙稳态。细胞壁是胞外钙库，质膜上Ca2+通道控制Ca2+内流，而质膜上的Ca2+泵负责将胞内的Ca2+泵出细胞。胞内钙库（如液泡、内质网、线粒体）的膜上存在Ca2+通道、Ca2+泵和Ca2+/nH+反向运输体，前者控制Ca2+外流，后两者将胞质Ca2+泵入胞内钙库（图6-26）。Ca2+信号受体——钙结合蛋白，如：钙调素（CaM）、钙依赖型蛋白激酶（CDPK）其中钙调素（CaM）研究较深入。胞内Ca2+信号通过其受体－钙调蛋白传递信息。

钙调素(calmodulin,

CaM)是最重要的多功能Ca2+信号受体，钙调素是一种耐热的球蛋白，等电点4.0,分子量约为16.7kDa由148个氨基酸组成的单链小分子酸性蛋白。CaM分子有四个Ca2+结合位点。当外界信号刺激引起胞内Ca2+浓度上升到一定阈值后，Ca2+与CaM结合，引起CaM构象的改变。而活化的CaM又与靶子酶结合，使其活化而引起生理反应。目前已经知道又有10多种酶受Ca2+－CaM的调控。如蛋白激酶、H+－ATP酶等，在以光敏素为光受体的信号转导过程中，Ca2+－CaM胞内信号起了重要作用。CaM以两种方式起作用：第一，可以直接与靶酶结合,诱导构象变化而调节靶酶的活性；第二，与Ca2+结合，形成活化态的Ca2+×CaM复合体，然后再与靶酶结合，将靶酶激活。CaM与Ca2+有很高的亲和力，一个CaM分子可与四个Ca2+结合。对于生物膜在信号转导中的作用，多年来人们把注意力集中在功能繁多的膜蛋白上，而脂质组分仅被看成是种惰性基质。80年代后期的研究表明，质膜中的某些磷脂，在植物细胞内的信号转导过程中起了重要作用。肌醇磷脂是一类由磷脂酸与肌醇结合的脂质化合物，分子中含有甘油、脂酸磷酸和肌醇等基团，其肌醇分子六碳环上的羟基被不同数目的磷酸酯化，其总量约占膜磷脂总量的1/10左右，主要以三种形式存在于植物质膜中，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)。PIPIPPIP2以肌醇磷脂代谢为基础的细胞信号系统，在胞外信号被膜受体接受后，以G蛋白为中介，由质膜上的磷酸脂酶C(PLC)水解PIP2而产生肌醇－1，4，5－三磷酸(IP3)和二脂酰甘油（DAG

）两种信号分子。因此，该信号系统又称为双信号系统。其中IP3通过调节Ca2+浓度，而DAG则通过激活蛋白激酶C(proteinkinaseC,PKC)来传递信息。二、IP3/DAG在信号转导中的作用

细胞外刺激信号或激素等物质被质膜上专一受体接受，经G-蛋白激活磷酸脂酶C(PLC)，使磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)水解生成二酰甘油(DAG)和肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3)，IP3与细胞内贮钙体膜上专一受体结合，促使Ca2+从液泡中释放出来，Ca2+与CaM结合形成Ca2+-CaM复合物，仍留在质膜上的DAG使蛋白激酶C(PKC)激活，催化蛋白质磷酸化；Ca2+-CaM和蛋白质(酶)磷酸化导致细胞反应。IP3产生后很快被磷酸二酯酶水解，首先产生肌醇-1,4-二磷酸(IP2)，继而是肌醇单磷酸(IP)及磷脂酰肌醇(PI)，返回膜中。⊕表示活化。肌醇磷酸代谢循环过程IP3作为信号分子，在植物中它的主要作用靶为液泡，IP3作用于液泡膜上的受体后，可影响液泡膜形成离子通道，使Ca2+从液泡这一植物细胞中重要的贮钙体中释放出来，引起胞内Ca2+浓度提高，从而启动胞内Ca2+信号系统来调节和控制一系列的生理反应。DAG的受体是蛋白激酶C(PKC)，在一般情况下，质膜上不存在自由的DAG。在有DAG、Ca2+时，磷脂与PKC分子相结合，PKC激活，使某些酶类磷酸化，导致细胞反应；液泡是植物细胞中最重要的Ca2+库。1.IP3主要作用于液泡，是通过液泡膜上的受体，影响膜上的离子通道，与Ca2+的重新分布有关。2.IP3使Ca2+从液泡中释放出来，引起胞质中Ca2+浓度升高，从而启动胞内Ca2+信使系统来调控一系列的生理反应。3.Ca2+信使系统与环核苷酸信号系统在动物细胞中cAMP－依赖性蛋白激酶是信号系统的中心。近年来研究发现，环腺苷酸系统与Ca2+－CaM系统在合成完整叶绿体中协同起作用。肌醇磷脂信号系统与Ca2+信使系统及环核苷酸信号系统的关系。三、信号转导中的蛋白质可逆磷酸化植物体内许多功能蛋白转录后需经共价修饰才能发挥其生理功能，蛋白质磷酸化就是进行共价修饰的过程。蛋白质磷酸化以及去磷酸化是分别由一组蛋白激酶(proteinkinase)和蛋白磷酸酯酶(proteinphosphatase)所催化的，它们是上述的几类胞内信使进一步作用的靶酶，也即胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化或去磷酸化过程而进一步转导信号。细胞内第二信使如Ca2+往往通过调节细胞内多种蛋白激酶和蛋白磷酸酶，从而调节蛋白质的磷酸化和脱磷酸化过程，进一步传递信号。蛋白质可逆磷酸化反应式NTP代表ATP或GTP，NDP代表ADP或GDP，（一）蛋白激酶蛋白激酶是一个大家族，植物中约有2%-3%的基因编码蛋白激酶。根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类不同，蛋白激酶可分为丝氨酸/苏氨酸激酶、酪氨酸激酶和组氨酸激酶等三类，它们分别将底物蛋白质的丝氨酸/苏氨酸、酪氨酸和组氨酸残基磷酸化。有的蛋白激酶具有双重底物特异性，既可使丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，又可使酪氨酸残基磷酸化。１、钙依赖型蛋白激酶钙依赖型蛋白激酶（CDPK）属于丝氨酸/苏氨酸激酶，是植物细胞中特有的蛋白激酶家族，大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等植物中都存在蛋白激酶。从拟南芥中已克隆了10种左右CDPK基因，机械刺激、激素和胁迫都可引起CDPK基因表达。一般来说，CDPK在其氨基端有一个激酶催化区域，在其羧基端有一个类似CaM的结构区域，在这两者之间还有一个抑制区（图7-8）。类似CaM结构区域的钙离子结合位点与Ca2+结合后，抑制被解除，酶就被活化。现已发现，被CDPK磷酸化的靶蛋白有质膜ATP酶、离子通道、水孔蛋白、代谢酶以及细胞骨架成分等。２、类受体蛋白激酶在动物细胞表面有一受体称为受体蛋白激酶，后来在植物中发现了与之同源的基因，由于基因产物的受体功能未能得到证实，故将它们称为类受体蛋白激酶（receptor-likeproteinkinase，RLK）。研究得知，植物中的RLK大多属于丝氨酸/苏氨酸激酶类型，由胞外结构区（extracellulardomain）、跨膜螺旋区（membranespanninghelixdomain）及胞内蛋白激酶催化区（intracellularproteinkinasecatalyticdomain）三部分组成。根据胞外结构区的不同，将PLK分为三类：1）含S结构域（Sdomain）的PLK，这类PLK在胞外具有一段与调节油菜自交不亲和的S-糖蛋白同源的氨基酸序列；2）含富亮氨酸重复（leucine-richrepeat）的PLK，这类PLK的胞外结构域中有重复出现的亮氨酸。最近发现，油菜素内酯（见第八章）的受体就属于这种PLK；3）类表皮生长因子（epidermalgrowthfactorlikerepeat）的PLK的胞外结构域具有类似动物细胞表皮生长因子的结构。虽然利用基因克隆技术已在植物中分离出三种类受体蛋白激酶，但对它们的功能还了解不多，可能与调控花粉自交不亲和、病原信号转导以及生长发育相关。（二）、蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶的分类与蛋白激酶相对应。目前，对蛋白磷酸酶的研究还不如对蛋白激酶那样深入。但两者的协同作用在细胞信号转导中的作用是不言而喻的。例如，在动物细胞糖分解代谢中糖原磷酸化酶在蛋白激酶作用下磷酸化而被“激活”，在蛋白磷酸酶的作用下脱磷酸化而“失活”。两种酶的协同作用调节细胞中“活性酶”的含量，使细胞对外界刺激作出迅速的反应。(三）蛋白质的可逆磷酸化

磷酸化作用(phosphorlation)是指把磷酸基团通过酶促反应转移到其它化合物上的过程。

蛋白质的磷酸化是指由蛋白激酶(proteinkinase,PK)催化的,把ATP或者GTP的磷酸基团转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，它是胞内信号的效应器；其逆向过程是由蛋白磷酸(酯)酶(phosphatase,PP)催化的蛋白质脱(去)磷酸化，它是信号传递的终止信号或逆向调节。胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化与脱磷酸化过程进一步实现信号转导，并最终导致生理反应。外来信号与相应的受体结合，会导致后者构象发生变化，随后就可通过引起第二信使的释放而作用于蛋白激酶(或磷酸酯酶)，或者因有些受体本身就具有蛋白激酶的活性，所以与信号结合后可立即得到激活，引起细胞反应。胞内信号通过调节胞内蛋白质的磷酸化或去磷酸化过程而进一步转导信号（四）信号级联放大

外界微弱的信号可以通过受体激活G蛋白、产生第二信使、激活相应的蛋白激酶和促使底物蛋白磷酸化等一系列反应得到级联放大。信号级联放大是指活化的受体可以激活多个G蛋白的α亚基和多个腺苷酸环化酶，每个活化的腺苷酸环化酶能产生多个cAMP，cAMP激活PKA，每个PKA