高级植物生理植物激素

关于高级植物生理植物激素

敏感性的概念并不是新的，只是有人完全否定

植物生长发育进程与内源激素水平变化间的相关性.把细胞对植物激素的敏感的变化看作是调节植物生长发育的决定因子。㈢细胞对植物激素的敏感性第2页,共69页，2024年2月25日，星期天第3页,共69页，2024年2月25日，星期天细胞对植物激素的敏感性是指植物对一定浓度的激素的反应程度.

难于作具体的测量，一般用诱导某一特定生理反应所需要的激素浓度来确定。如已知诱导果实成熟所需Eth浓度：香蕉0.1μg·L-1,

甜瓜3μg·L-1。

说明香蕉对Eth敏感性比甜瓜要强。第4页,共69页，2024年2月25日，星期天当前植物激素研究的前沿：从分子水平上揭示植物激素的作用机理（细胞对植物激素敏感性的生理基础）。

某细胞对某激素的敏感性就取决于

该细胞的专性受体分子的容量（数目）

与结合性（亲和性）。第5页,共69页，2024年2月25日，星期天现代研究认为转变为胞内信号启动一系列生理生化反应

（产生特定的生理响应）

植物激素与靶细胞中的专一受体结合第6页,共69页，2024年2月25日，星期天1.衡量植物激素受体的标准

M.Venis(1985)

：只有那些

与激素结合后，呈现出特殊的生理生化效应的物质，才能称为受体。第7页,共69页，2024年2月25日，星期天2．激素受体的特性及功能：

(1)

受体特性：

①一定的立体选择性(特异性)；

②高亲和力；

③饱和性；

④可逆性；

⑤分布在对激素有反应的特殊组织;

⑥具生物效应。

受体的三个相互联系的功能:

识别和结合；转导信号；产生相应的生物效应。

第8页,共69页，2024年2月25日，星期天(2)受体的多样性①分布：不同激素的受体分布不同，即使同一种激素的受体也可能分布在不同亚细胞区域。

第9页,共69页，2024年2月25日，星期天ABA受体的位置普遍认为脱落酸受体是蛋白质。存在两类实验:一类表明ABA的受体在膜外。实验把ABA分别注射入

鸭跖草：不能使气孔关闭；

大麦糊粉层：不能抑制GA诱发α-淀粉酶的合成。第10页,共69页，2024年2月25日，星期天另一类实验表明ABA的受体处于胞内实验

用膜片钳技术把ABA直接注入蚕豆气孔的胞质溶胶，抑制内向K﹢通道，K﹢不能进入细胞，气孔就不开放。第11页,共69页，2024年2月25日，星期天在上述ABA显微注射实验中，注入的ABA有可能被降解，或者因为注射造成的细胞伤害抑制了生理反应的产生，导致胞内ABA不能发挥激素作用。针对这些问题，有人设计了一种

笼化ABA(caqedABA)，包装ABA没有生物活性，但可被短暂的紫外光照射光解，释放出活性ABA。第12页,共69页，2024年2月25日，星期天可光解的笼形ABA光解为（S）顺式ABA的反应式

（Allen等，1994）第13页,共69页，2024年2月25日，星期天作为对照，研究者又设计了非光解的包装ABA，将上述两种包装ABA

通过显微注射入鸭跖草的保卫细胞，经过30min的恢复后用紫外光照30s。结果发现无处理和非光解包装ABA处理的对照没有气孔关闭现象;

而光解包装的笼化ABA的处理发生了气孔关闭现象。据此可以认为，

ABA受体可能存在于是在细胞内。第14页,共69页，2024年2月25日，星期天我国科学家成功地鉴定出了脱落酸(abscisic

acid,

ABA)结合蛋白

ABAR和

GCR2。

ABAR为镁离子螯合酶的H亚基,

作为ABA信号转导的正调控因子参与了调控种子萌发、植物生长发育以及气孔开闭等重要生理过程。GCR2为定位于细胞膜的G-蛋白偶联受体，参与介导已知的ABA生理功能。这些研究是近年来植物激素生物学领域的重大突破。第15页,共69页，2024年2月25日，星期天②不同植物中的受体不同:

西葫芦质膜ABP40KD番茄质膜42KD

胚芽鞘45KD玉米中胚轴、根ER

22、18KD。第16页,共69页，2024年2月25日，星期天③同一植株的不同器官发育阶段，

激素受体不同。

大麦HVA基因受ABA诱导:

其mRNA和蛋白质在3d龄幼苗中检测不到;

经ABA处理的3d龄幼苗,

则所有器官中都存在。在ABA处理7d龄的和更老植株中,

只有根中发现。

第17页,共69页，2024年2月25日，星期天④受体在细胞内存在状态的多样性

结合态受体，指与膜结合的，在调节生育中起重要作用；

游离态受体，指可溶性的。第18页,共69页，2024年2月25日，星期天3.影响细胞对激素敏感性的因素

①受体数目，接受程度；

②受体与激素的亲和性；

③植物反应能力,

因其他因子存在而受到限制；

④内源激素浓度高，对低浓度的外源激素不能表现反应；

⑤外源激素使用效果受以下影响：植物细胞对激素吸收效率、外源激素在植物体内运输量与代谢率，其他内源激素浓度变化。第19页,共69页，2024年2月25日，星期天

外源激素使用效果还受以下影响：

激素合成结合态代

谢其他激素植物反应浓

度敏感性受体激素第20页,共69页，2024年2月25日，星期天小结：植物激素在植物体内运输后，在效应器部位与靶细胞的受体结合，

受体具有器官和阶段发育的专一性，

同一激素的受体又有多样性，

不同激素受体具有专一性.

这些可能是激素作用错综复杂的第一基础。第21页,共69页，2024年2月25日，星期天㈣植物激素作用的信号传递

㈤植物激素与基因表达

1.IAA与基因表达第22页,共69页，2024年2月25日，星期天差示筛选

（differentilscreening）

植物组织在IAA处理前后，其基因表达会产生差异。

IAA处理的组织，诱导出新mRNA（DNA表达，转录）；

无IAA处理的则缺少这种mNRA。筛选出只有在IAA处理后才会得到表达的基因。用这些基因制备放射性探针，进行分子杂交；根据杂交的放射性强度，就可得到IAA处理后不同时间内该测定基因的转录率。第23页,共69页，2024年2月25日，星期天

实验证实：

IAA快速和专一地诱导了几种mRNA的转录。

第24页,共69页，2024年2月25日，星期天（1）生长素诱导基因

生长素和受体结合活化一些转录因子（transcriptionfactor），进入核内控制特定基因的表达。根据转录因子的不同，生长素诱导基因分为两类：

早期基因（earlygene）

或初级反应基因（primaryresponsegene）

晚期基因（lategene）或次级反应基因（secondaryresponsegene）

第25页,共69页，2024年2月25日，星期天早期基因的表达是被原来已有的转录基因活化刺激所致，外施蛋白质合成抑制剂不能堵塞其表达。所需时间非常短，从几分钟到几个小时。

第26页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素诱导的早期基因分为五大类：

AUX／IAA基因家族

SAUR基因家族

GH3基因家族类GST基因家族

ACS基因家族第27页,共69页，2024年2月25日，星期天晚期基因（lategene）能被某些早期基因编码的蛋白够调节。晚期基因转录对激素是长期反应。

因需要重新合成蛋白质，其表达被蛋白质合成抑制剂所抑制。

第28页,共69页，2024年2月25日，星期天（2）生长素诱导早期基因表达的机制

必须具有能被生长素活化的启动子，即这些基因启动子上具有一些能与生长素活化的转录因子直接结合或间接结合的区域，称为生长素响应元件（auxin-responsiveelement，AuxRE）。

第29页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素响应因子

（auxinresponsefactor，ARF）会调节早期生长素基因表达。在没有IAA条件下，

ARF与AUX／IAA蛋白质结合形成不活化的异源二聚体（heterodimer），堵塞AUX／IAA和其他早期基因的转录，所以无生长素响应。

第30页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素响应因子

（auxinresponsefactor，ARF）当加入IAA后，

活化的泛素连接酶（ubiquitinligase）把AUX／IAA蛋白质破坏、降解，就形成活化ARF同源二聚体（homodimer）。与早期基因启动子的回文生长素响应元件(AuxRE)结合，转录就活化。

早期基因的转录引起生长素的响应，表现出生理反应。第31页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素受体目前比较肯定的是ABP1和TIR1/AFB。1.ABP1(auxinbindingproteinl，Batt等1976）ABP1大量存在于细胞的内质网膜上，细胞质膜上：胚芽鞘原生质体内大约有2％的内质网ABP1蛋白被分泌到细胞质膜表面。第32页,共69页，2024年2月25日，星期天2.TIR1/AFB生长素受体蛋白TIR1蛋白（transportinhibitorresponseprotein1，运输抑制剂响应蛋白1）是泛素连接酶复合体成员。泛素介导的蛋白质降解系统是真核生物中广泛存在的具有重要意义的调节系统。以色列科学家AaronCiechanover等因为发现了该途径而获得了2004年的诺贝尔化学奖。大量的研究证明，泛素降解途径参与了包括生长素在内的多数植物激素的信号转导系统。第33页,共69页，2024年2月25日，星期天泛素介导的蛋白降解途径有三个组分：泛素活化酶E1

、泛素偶联酶E2

和泛素连接酶E3

。E1

在AFP存在时与泛素形成高能硫酯键将其活化，活化的泛素分子可被转移给泛素偶联酶E2

，在E3

的协助下特异地选择底物蛋白，将泛素结合到底物蛋白上。已经结合到底物的泛素分子在上述途径的作用下继续结合更多新的泛素分子，经过多泛素化标记的底物蛋白质最终被送到26S蛋白体内进行降解。第34页,共69页，2024年2月25日，星期天在泛素蛋白降解途径的三个组分中，泛素连接酶E3

由于携带了底物特异性信息，所以种类繁多。拟南芥中有：HECT、COPI、APC、SCF复合体等。其中SCF复合体在植物激素信号转导中的功能最为重要，研究也最为深人。第35页,共69页，2024年2月25日，星期天“F-box”可溶性蛋白质是主要的生长素受体．它属于TIR1/AFB蛋白家族。F-box是含有50个氨基酸残基的序列，它是蛋白质与蛋白质相互作用的位点。最初人们发现的F-box蛋白是称为

SCF的泛素E3连接酶复合体的一个亚基。

SCF是根据它的三个主要亚基SKP1、cullin和F-box蛋白命名的。第36页,共69页，2024年2月25日，星期天所有真核生物中都有SCF复合体，它在调节蛋白质含量中具有重要作用。

F-box蛋白在SCF复合体中的主要作用是结合蛋白质底物使其发生依赖ATP的泛素介导的降解。F-box蛋白除了含有促进蛋白质间互作所需的F-box基序外，还含有其他基序，如富亮氨酸重复序列。

F-box基序本身还可以将F-box蛋白连接到SCF复合体的其他亚基上。第37页,共69页，2024年2月25日，星期天拟南芥突变体分析鉴定了F-box蛋白---TIR1(transportinhibitorresponse1）。TIR1对生长素依赖的下胚轴伸长和侧根形成具有重要作用。这个蛋白就是SCF的一个亚基，含一个F-box基序，它决定了底物识别的特异性。具有TIR1的SCF复合体标记为SCFTIR1

，当TIR1和IAA结合后，会促进SCFTIR1复合体特异识别目标蛋白质Aux/IAA蛋白，并启动Aux/IAA蛋白的降解。第38页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素F-box受体的发现，是生长素信号转导研究中的一个重大的突破。SCFTIR1

是细胞中生长素信号转导所必需的。拟南芥中SCFTIR1

复合体中

SKP1的同系物称为ASK1。SCFTIR1

复合体的作用是将泛素蛋白链连在生长素诱导的组成型表达的转录调节子上，从而降解它们。这些调节因子称为AUX/IAA蛋白。第39页,共69页，2024年2月25日，星期天TIR1蛋白与生长素直接结合．它们的结合促进了

SCFTIR1

与AUX/IAA蛋白的结合。目前．研究结果表明另外三个与TIR1相关的

F-box蛋白也具有生长素受体活性。这些蛋白质叫做生长素信号F-box蛋白（auxinsignalingF-boxprotein,AFB)，在泛素E3连接酶复合体中起作用。第40页,共69页，2024年2月25日，星期天参与TIR1生长素信号转导途径的转录调节因子有两个家族：生长素反应因子和AUX/IAA蛋白。生长素反应因子（auxinresponsefactor,ARF

）是短寿命蛋白，并特异地与生长素早期反应基因启动子上的

生长素反应元件（auxinresponseelement,

AuxRE)TGTCTC结合。第41页,共69页，2024年2月25日，星期天第42页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素与TIR1/ARF受体结合后激活生长素应答基因转录的模型。。ARFA．在没有生长素时，

AUX/IAA阻遏子通过与ARF转录激活子结合使其形成无活性形式来抑制生长素诱导基因的转录。生长素与SCFTIR

ABF复合体的结合促进它们与AUX/IAA蛋白的相互作用第43页,共69页，2024年2月25日，星期天AuxREB．生长素激活的SCFTIRABF复合体使泛素分子连接到AUX/IAA蛋白上，进而促进AUX/lAA蛋白被26S蛋白酶体降解。

AUX/IAA蛋白的去除和降解使ARF转录激活子形成活性形式。

ARF转录激活子与生长素反应元件（AuxRE）的结合促进受生长素诱导的基因的转录。ARF第44页,共69页，2024年2月25日，星期天ARFARFC．在大多数受生长素诱导的基因中，

两个ARF蛋白分子在AuxRE上形成二聚体，

进一步促进基因转录。第45页,共69页，2024年2月25日，星期天生长素与TIR1/ARF受体结合后激活生长素应答基因转录的模型。第46页,共69页，2024年2月25日，星期天2.GAs与基因表达第47页,共69页，2024年2月25日，星期天现有的生长过程中赤霉素信号转导途径模型涉及赤霉素受体：泛素连接酶SCF复合体和具有DEILA域的抑制蛋白。GA受体蛋白（GA1/RGA/SIR1/SLN1）包含两个结构域：

调节区域（DEIJLA）和抑制区域（GRAS）。第48页,共69页，2024年2月25日，星期天现有的生长过程中赤霉素信号转导途径模型涉及赤霉素受体、一个泛素连接酶SCF复合体和一个具有DEILA域的抑制蛋白。GA受体蛋白（GAI/RGA/SIRl/SLNI）包含两个结构域：调节区域（DEIJLA）和抑制区域（GRAS）。A．在缺失GA时，抑制蛋白的GRAS功能域是有活性的，阻断了早期GA诱导基因的表达，显现出矮化表型。第49页,共69页，2024年2月25日，星期天B.GA与其受体结合后，再与抑制蛋白结合，促进了抑制蛋白与SCF泛素连接酶复合体之间的连接。抑制蛋白就被泛素化并被26S的蛋白酶所降解。抑制蛋白的降解使早期的GA诱导基因得以表达，植株能够生长。第50页,共69页，2024年2月25日，星期天C．发生在DELLA域中的一个突变使其不能与GA受体复合物相结合。结果抑制蛋白不能被降解，突变体呈现GA不敏感的矮化表型。第51页,共69页，2024年2月25日，星期天D．在GRAS区域的突变产生了一个无功能的抑制蛋白，因此，即使在缺失GA时植株也能长得很高（Slender）。第52页,共69页，2024年2月25日，星期天水稻中GA与其受体结合后，引起基因表达活化，从而促进生长的模型。A.GA缺失时，具有DELLA域的抑制蛋白SLR1阻断了GA诱导的基因的表达，可能是通过结合并阻止了转录活化因子的活性所致（现在还是推测）。

第53页,共69页，2024年2月25日，星期天

水稻中GA与其受体结合后，引起基因表达活化，从而促进生长的模型。B．具有生物活性的GA在核中与可溶性受体（GID1）结合，GA-GID1复合体与抑制因子SLRI结合。第54页,共69页，2024年2月25日，星期天水稻中GA与其受体结合后，引起基因表达活化，从而促进生长的模型。C.GA-GIDI-SLRI复合体与SCFGID2泛素连接酶体中的

F-box蛋白GID2相结合，并使其活化。SCFGID2使泛素分子与SLRI结合，被蛋白酶降解。具有DELLA域蛋白的抑制蛋白的降解，使转录后活化因子释放，从而使转录过程顺利进行。GA诱导的基因表达使植物生长。第55页,共69页，2024年2月25日，星期天3.ABA对基因表达的调控：目前已知150余种植物基因可受外源ABA诱导，其中大部分在种子发育晚期和

/或受环境胁迫的营养组织中表达。

在种子发育的中期到晚期，随内源ABA水平之上升，某些mRNA大量积累，这些mRNAs的翻译产物包括植物凝集素、酶抑制剂、脂质体蛋白质、贮藏LEAs蛋白.。第56页,共69页，2024年2月25日，星期天在种子中，内源ABA水平的升高，通常出现在种子程序化脱水之前，它不仅可阻止未成熟胚的早萌，

还能使胚获得对脱水的耐受能力。

在高渗NaCl

或水引起的水分胁迫下营养组织中也会积累

LEA基因的mRNAs。第57页,共69页，2024年2月25日，星期天这些ABA响应基因的表达代表了在发育和环境诱导

体内ABA水平升高时，植物组织具有一种共同的反应.

它们的表达产物可能在耐脱水过程中起重要作用。第58页,共69页，2024年2月25日，星期天关于ABA对基因表达的调控一般认为，基因转录活性

与基因上游区的启动子有关。

启动子的活性又与一系列顺式作用因子和与之相结合的反式作用因子的相互作用有关。在受ABA调节的基因中，在上游区有一个称为