果蔬采后生理相關(guān)信號轉(zhuǎn)導

1、第八章 果蔬采后生理相關(guān)的信號轉(zhuǎn)導 signal transduction v果蔬采后所發(fā)生的許多生理生化反應(yīng)都首先 要經(jīng)過一系列的信號轉(zhuǎn)導途徑，這也是更深 入了解生理活動所必須的研究內(nèi)容。 v信號轉(zhuǎn)導信號轉(zhuǎn)導(signal transduction)是細胞通訊細胞通訊 (cell communication)的基本概念, 強調(diào)信號 的接收與接收后信號轉(zhuǎn)換的方式(途徑)和結(jié)果, 包括配體與受體結(jié)合、第二信使的產(chǎn)生及其 后的級聯(lián)反應(yīng)等, 即信號的識別、轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)換。 cascade v在細胞通訊系統(tǒng)中，細胞或者識別與之相接 觸的細胞，或者識別周圍環(huán)境中存在的各種 化學和物理信號化學和物理信號（來自

2、于周圍或遠距離的細 胞)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧毎麅?nèi)各種分子活性的變 化，從而改變細胞的某些代謝過程，影響細 胞的生長速度，甚至誘導細胞凋亡，這種針針 對外源信息所發(fā)生的細胞應(yīng)答反應(yīng)全過程對外源信息所發(fā)生的細胞應(yīng)答反應(yīng)全過程稱 為信號轉(zhuǎn)導（signal transduction）。 v無論是單細胞生物，還是多細胞生物，它們的細胞 都無時無刻不與周圍環(huán)境(包括其他細胞)發(fā)生著聯(lián) 系，進行著交流和協(xié)調(diào)，以保持生物體與周圍世界 以及生物體本身的平衡與統(tǒng)一平衡與統(tǒng)一。 v細胞外部的信號或者刺激都要跨越細胞膜進入細胞， 并在細胞質(zhì)中經(jīng)過不同的信號轉(zhuǎn)導途徑將信號最終 傳遞入細胞核，誘導相應(yīng)基因表達，造成細胞表型

3、變化和產(chǎn)生各種生物效應(yīng)。 v信號轉(zhuǎn)導可以分為信號轉(zhuǎn)導可以分為4個步個步 驟驟：一是信號分子與細胞 表面受體的結(jié)合結(jié)合；二是跨 膜信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換；三是在細胞 內(nèi)通過信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)進行 信號傳遞傳遞、放大與整合； 四是導致生理生化變化生理生化變化。 Principles of Signal Transduction vAn environmental signal, such as a hormone, is first received by interaction with a cellular component, most often a cell- surface receptor. The

4、 information that the signal has arrived is then converted into other chemical forms, or transduced. The signal is often amplified before evoking a response. Feedback pathways regulate the entire signaling process. 放大 一、信號分子與細胞表面受體的結(jié)合 v細胞信號細胞信號包括化學信號和物理信號。化學信 號是細胞感受刺激后合成并傳遞化學物質(zhì)， 到達作用部位后，引起生理反應(yīng)，如植物激

5、素、病原因子等，化學信號也叫配體配體(ligand)； v物理信號指細胞感受到刺激后產(chǎn)生的能夠起 傳遞信息作用的電信號和水力信號。 v受體受體(receptor)是細胞表面或亞細胞組分中的 一種天然分子，能夠識別和選擇性結(jié)合某種 配體。 v與配體結(jié)合后，通過信號轉(zhuǎn)導作用將胞外信 號轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)化學或物理信號，以啟動一系 列過程，最終表現(xiàn)為生物學效應(yīng)。 v受體包括離子通道型離子通道型受體、G蛋白偶聯(lián)膜蛋白偶聯(lián)膜受 體、具有酶活性的膜受體和核受體膜受體和核受體4種。 v離子通道受體離子通道受體是由多亞基組成的受體/離子通 道復(fù)合體，除本身有信號接收部位外，又是 離子通道，其跨膜信號轉(zhuǎn)導無須中間步驟，

6、 反應(yīng)快，一般只需幾毫秒。 ion channel receptor 離子通道型受體 乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)模型 vG蛋白偶聯(lián)膜受體蛋白偶聯(lián)膜受體G-protein linked receptor 配體與受體結(jié)合后激活相鄰的G-蛋白(GTP binding protein) ，被激活的G-蛋白又可激活 或抑制一種產(chǎn)生特異第二信使第二信使的酶或離子通 道，引起膜電位的變化。 v由于這種受體參與的信號轉(zhuǎn)導作用要與GTP 結(jié)合的調(diào)節(jié)蛋白相偶聯(lián)偶聯(lián),因此將它稱為G蛋白 偶聯(lián)受體。 v具有酶活性的膜受體具有酶活性的膜受體(enzyme linked receptor) 特點是，受體本身是一種具有跨膜結(jié)構(gòu)的酶

7、蛋白，其胞外域與配體結(jié)合而被激活，通過 胞內(nèi)側(cè)激酶反應(yīng)將胞外信號轉(zhuǎn)至胞內(nèi)。 v核受體核受體作為疏水性小分子信號調(diào)節(jié)許多與發(fā) 育有關(guān)的生理過程，靠簡單擴散進入胞內(nèi)， 然后與胞內(nèi)受體結(jié)合后引起構(gòu)象改變，增加 與DNA的親和力，最終起調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性 的作用。 受體分類總結(jié)受體分類總結(jié) 二、跨膜信號轉(zhuǎn)換Tran membrane transduction v信號與細胞表面的受體結(jié)合后，需要通過跨 膜信號轉(zhuǎn)導將細胞外信號轉(zhuǎn)變?yōu)榘麅?nèi)信使， 再進一步傳遞引起胞內(nèi)生理生化反應(yīng)和遺傳 性狀的表達。 v在跨膜信號轉(zhuǎn)導過程中，通常認為是通過G 蛋白將轉(zhuǎn)換偶聯(lián)起來，由它負責將質(zhì)膜表面 的受體與質(zhì)膜內(nèi)側(cè)的效應(yīng)器偶聯(lián)起

8、來。 vG蛋白全稱為GTP（鳥苷三磷酸）結(jié)合調(diào)節(jié)蛋白， 位于質(zhì)膜內(nèi)胞漿一側(cè)，由、3 3個亞基個亞基組成， 、二聚體通過共價結(jié)合錨于膜上起穩(wěn)定二聚體通過共價結(jié)合錨于膜上起穩(wěn)定亞基的亞基的 作用作用，而亞基本身具有GTP酶活性。 vG蛋白在信號傳導過程中起著分子開關(guān)分子開關(guān)的作用，當 G蛋白亞基與GDP（鳥苷二磷酸）結(jié)合，處于關(guān) 閉態(tài)；當胞外配體與受體結(jié)合形成復(fù)合物時，導致 受體胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域與G蛋白亞基偶聯(lián)，并促使亞基 結(jié)合的GDP被GTP交換而被活化，處于開啟態(tài)，從 而傳遞信號。 三、細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導形成網(wǎng)絡(luò) v如果將胞外各種刺激信號作為細胞信號轉(zhuǎn)導 過程中的初級信號或第一信使第一信使，那么則可以

9、把由胞外刺激信號激活或抑制的、具有生理 調(diào)節(jié)活性的細胞內(nèi)因子稱為細胞信號轉(zhuǎn)導過 程中的次級信號或第二信使第二信使，如鈣離子、環(huán) 腺苷酸cAMP、三磷酸肌醇IP3、二酰甘油DG vSecond messengers are intracellular molecules that change in concentration in response to environmental signals. That change in concentration conveys information inside the cell. vParticularly important second m

10、essengers include cyclic AMP and cyclic GMP, calcium ion, inositol1,4,5-trisphosphate, (IP3), and diacylglycerol (DAG; Figure 15.2). 第二信使第二信使 Common Second Messengers v1、鈣信號系統(tǒng)、鈣信號系統(tǒng) v在植物細胞內(nèi)外以及細胞內(nèi)的不同部位Ca2+的濃度 有很大的差別。在細胞質(zhì)中，一般在108107 mol/L，而細胞壁是細胞最大的Ca2+庫，其濃度可 達15mol/L。胞內(nèi)細胞器的Ca2+濃度也比胞質(zhì)的 Ca2+濃度高幾百倍到上千倍。

11、幾乎所有的胞外刺激 信號都能引起胞質(zhì)游離Ca2+濃度變化，由于變化的 時間、幅度、頻率、區(qū)域化分布的不同，可能區(qū)別 信號的特異性。 v胞內(nèi)鈣信號再通過其受體鈣調(diào)節(jié)蛋白傳遞信息。 主要包括鈣調(diào)素鈣調(diào)素（calmodulin CaM）和鈣依賴的蛋鈣依賴的蛋 白激酶白激酶，植物細胞中CaM是最重要的多功能Ca2+ 信號受體。這是由148個氨基酸組成的單鏈小分子 酸性蛋白（分子量為 1719KDa）。CaM分子有 四個Ca結(jié)合位點，當?shù)谝恍攀挂鸢麅?nèi)Ca2+濃度 上升到一定閾值后，Ca2+與CaM結(jié)合，引起CaM 構(gòu)象改變，活化的CaM再與靶酶結(jié)合，使其活化而 引起生化反應(yīng)。已知有蛋白激酶、NAD激酶

12、、H+ ATP酶等多種酶受Ca-CaM的調(diào)控。 v2、肌醇磷脂信號系統(tǒng) v肌醇磷脂是肌醇分子六碳環(huán)上的羥基被不同 數(shù)目磷酸酯化形成的一類化合物。80年代后 期的研究證明植物細胞質(zhì)膜中存在三種主要 的肌醇磷脂，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）。 v胞外信號被質(zhì)膜受體接受后，以G蛋白為中 介，由質(zhì)膜中的磷酸脂酶 C（PLC）水解 PIP2產(chǎn)生肌醇3磷酸（IP3）和甘油二酯 （DG）兩種信號分子，所以，又可稱雙信使雙信使 系統(tǒng)系統(tǒng)。IP3通過調(diào)節(jié)Ca2+變化、DG通過激活 蛋白激酶C（PKC）傳遞信息。 vIP3作為信號分子，在植物中的主要靶點

13、為液 泡。IP3作用于液泡膜上的受體后，可影響液 泡膜形成離子通道，使Ca2+從液泡中釋放出 來，引起胞內(nèi)Ca2+濃度升高，從而啟動胞內(nèi) Ca2+信號系統(tǒng)。 v3、信號轉(zhuǎn)導中的蛋白質(zhì)可逆磷酸化 v細胞內(nèi)存在的多種蛋白激酶（protein kinase）和蛋 白磷酸酶（protein phosphatase）是前述胞內(nèi)信使 進一步作用的靶子，通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的磷酸化通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的磷酸化 或去磷酸化而進一步傳遞信息或去磷酸化而進一步傳遞信息。如鈣依賴型蛋白激 酶（CDPK），其磷酸化后，可將質(zhì)膜上的ATP酶 磷酸化，從而調(diào)控跨膜離子運輸；又如和光敏素相 關(guān)的Ca-CaM調(diào)節(jié)的蛋白激酶等。

14、v蛋白磷酸酶起去磷酸化作用，是終止信號或一種逆 向調(diào)節(jié)。 Protein phosphorylation is a common means of information transfer. Many second messengers elicit responses by activating protein kinases. 表8-1 蛋白激酶的種類 激酶磷酸基團受體 蛋白絲氨酸蘇氨酸激酶絲氨酸蘇氨酸羥基 蛋白酪氨酸激酶酪氨酸的酚羥基 蛋白組賴精氨酸激酶咪唑環(huán)，胍基，氨基 蛋白半胱氨酸激酶巰基 蛋白天冬氨酸谷氨酸激酶?；?v植物細胞在感受某一刺激或同時感受多種刺 激時，復(fù)雜多樣的信號系統(tǒng)

15、之間存在著相互 交流（cross-talk），并由此形成植物細胞內(nèi) 的信號轉(zhuǎn)導網(wǎng)絡(luò)(network)。 第二節(jié) 乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑 v近年來，有關(guān)植物組織成熟衰老進程中的乙 烯受體和信號轉(zhuǎn)導研究，成為繼乙烯生物合 成與調(diào)控之后，采后研究領(lǐng)域中的又一個前 沿熱點。 v早期，人們試圖通過生物化學方法分離乙烯 受體或乙烯結(jié)合蛋白，但未獲得成功。近年 來，人們根據(jù)乙烯的“三重反應(yīng)”在擬南芥 （Arabidopsis thaliana）中分離出了幾類乙 烯反應(yīng)突變體，即乙烯不敏感突變體 （ethylene-insensitive，EIN）、抗乙烯突變 體（ethylene-resistant，ETR）和組

16、成型 “三重反應(yīng)”突變體（constitutive triple response，CTR）。 v這些結(jié)果表明，植物體內(nèi)存在著一條與這些 反應(yīng)相聯(lián)系的乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑，之后得到 了一些乙烯受體蛋白及其編碼基因。 v目前確定擬南芥中至少存在5個乙烯受體蛋白， 即ETR1、ETR2、ERS1、ERS2、EIN4基因 各自編碼的蛋白質(zhì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)的相似性，乙 烯受體基因家族可分為2個亞家族，即ETR1 亞家族（包括ETR1和ERS1）和ETR2亞家 族（包括ETR2、ERS2和EIN4 ）。 vETR1亞家族編碼的蛋白含一個保守的組氨酸 激酶結(jié)構(gòu)域和在N-端有3個跨膜節(jié)段的疏水亞 結(jié)構(gòu)域。 vETR2

17、亞家族編碼的蛋白N-端含有一個附加的 疏水突出端，且組氨酸激酶結(jié)構(gòu)域缺乏一個 或幾個催化活性所必需的元件。 v乙烯受體家族3個跨膜節(jié)段的疏水亞結(jié)構(gòu)域具 有特定的結(jié)構(gòu)及生物學意義。在這些受體中， 所有已鑒別的突變都發(fā)生在跨膜區(qū)，而突變 可引起對乙烯的不敏感性。 vETR1蛋白是最早發(fā)現(xiàn)的乙烯受體蛋白，它具 有感受乙烯的功能，擬南芥ETR1基因突變體 植株對乙烯不敏感，表明該基因產(chǎn)物在乙烯 信號轉(zhuǎn)導中起作用。 vERS（ethylenne response protein）基因是 在擬南芥中克隆到的第二個乙烯受體基因， 它是ETR1的同源物。ERS與ETR1一樣，在 C-端區(qū)域含有一個推斷的組氨酸

18、蛋白激酶結(jié) 構(gòu)域。所以結(jié)構(gòu)上也與雙組分傳感蛋白類似， 但它缺乏一個接受器結(jié)構(gòu)域。將ERS基因轉(zhuǎn) 入正常植株，則表現(xiàn)為對乙烯不敏感。ERS 與ETR1一樣，也在CTR1的上游起作用。 vNR蛋白是在番茄果實中發(fā)現(xiàn)的另一個乙烯受 體蛋白，與ETR1高度相似，由Nr（Never- ripe）基因編碼。NR蛋白可能與ERS樣在C- 端缺乏一個接受器結(jié)構(gòu)域。Nr基因在果實成 熟階段被大量誘導，說明該基因可能調(diào)控果 實成熟階段對乙烯的敏感性，也可能與呼吸 躍變型果實系統(tǒng)II乙烯的形成有關(guān)。 vCTR1蛋白，由ctr1基因表達，該基因是那些 沒有外源乙烯時也顯示三重反應(yīng)的擬南芥突 變體，即通常需要乙烯誘導的

19、基因在ctr1突變 體中組成型表達。 vCTR1蛋白是乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑的中心組分， 作用于乙烯受體蛋白ETR家族成員的下游， 在乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑中起蛋白激酶磷酸化級 聯(lián)反應(yīng)的作用。 vEIN2蛋白，一種膜內(nèi)在蛋白，N-端含有461 個氨基酸殘基，是其極端疏水性區(qū)域，C-端 含833個氨基酸殘基，主要是親水性基團。其 可能作為金屬轉(zhuǎn)運蛋白在乙烯信號轉(zhuǎn)導反應(yīng) 中起作用。 vEIN3蛋白是一個可與DNA結(jié)合的核定位蛋白， 被認為是轉(zhuǎn)錄因子，結(jié)合于與乙烯反應(yīng)相關(guān) 基因啟動子的特殊序列上，激活這些基因并 使其轉(zhuǎn)錄。 vERF1蛋白：ERF1基因是唯一可以直接被 EIN3激活的基因，ERF1是植物特定的轉(zhuǎn)

20、錄 因子，在脅迫反應(yīng)過程中特異結(jié)合到與乙烯 及病理反應(yīng)相關(guān)基因啟動子上。 vERN1蛋白：乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑中的一個下游 元件，是一個負調(diào)節(jié)因子，和EIN3一起構(gòu)成 一個轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，都是乙烯反應(yīng)表達所必 需。 組成元件分類 v乙烯受體：ETR1蛋白、 ERS蛋白、 NR蛋白 v信號轉(zhuǎn)導元件： CTR1蛋白、 EIN2蛋白 v乙烯調(diào)控元件： EIN3蛋白、 ERF1蛋白、 ERN1蛋白 一、乙烯的感知 v乙烯的感知有賴于5種跨膜蛋白ETR1、ETR2、 ERS1、ERS2、EIN4，乙烯結(jié)合區(qū)域的結(jié)構(gòu) 模型可能是由與一個銅離子相互結(jié)合的跨膜 螺旋結(jié)構(gòu)組成的富含電子的疏水袋，其中銅 離子直接與乙烯

21、相互作用。 v乙烯受體乙烯受體是乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑的第一級元件， 是一類具有乙烯結(jié)合能力的蛋白家族 v乙烯受體是整個乙烯信號轉(zhuǎn)導途徑的最上游 元件。日前已從番茄、獼猴桃、蘋果、李、 梨、桃、柿子、草莓、柑橘、等多種果實中 分離得到數(shù)量不等的乙烯受體編碼基因 二、乙烯跨胞質(zhì)信號轉(zhuǎn)導途徑 vCTR1蛋白位于細胞質(zhì)中，是乙烯信號轉(zhuǎn)導途 徑的一個中心組分，在下游充當負調(diào)節(jié)元件。 其活性的喪失，會引起EIN2活性上升，導致 快速誘導乙烯調(diào)節(jié)反應(yīng)。 三、乙烯信號轉(zhuǎn)導的核內(nèi)事件 vEIN2與ERF1的啟動子結(jié)合，活化其轉(zhuǎn)錄， 從而啟動相關(guān)靶基因，活化乙烯的下游元件， 最終使生物體做出相應(yīng)的乙烯反應(yīng)。 Ethy

22、lene signal transduction pathway 第三節(jié) 防御反應(yīng)中的信號轉(zhuǎn)導途徑 v果蔬在生長發(fā)育過程中以及采收、貯運過程 中不可避免地受到各種機械損傷和病原菌的 侵染，從而誘發(fā)果蔬組織體內(nèi)一系列的生理 生化反應(yīng)，并最終影響到果蔬的貯運保鮮。 v在長期的進化過程中，植物至少形成了兩套 生化防御系統(tǒng)來抵御自然界的傷害，一套防一套防 御反應(yīng)是御反應(yīng)是由病原菌的侵染而引發(fā)，表現(xiàn)為寄 主植物的抗性基因與病原菌的互相作用，通 過局部的過敏反應(yīng)來預(yù)防病原菌進一步侵染。 v這套反應(yīng)啟動后會導致質(zhì)膜兩側(cè)的離子流發(fā) 生改變，鈣離子從鈣庫中釋放，產(chǎn)生大量的 活性氧和H2O2以及蛋白質(zhì)的磷酸化，并

23、在受 害植株的非侵染位點也產(chǎn)生誘導抗性，即系 統(tǒng)獲得性抗性。 v另一套防御反應(yīng)另一套防御反應(yīng)由昆蟲取食和機械損傷誘導 產(chǎn)生，最終表現(xiàn)為蛋白酶抑制劑等次生代謝 產(chǎn)物的產(chǎn)生和積累。 一、傷害信號分子 v1、寡糖素 v是指植物或微生物細胞壁結(jié)構(gòu)的糖水解產(chǎn)生 的有生理活性的寡聚糖或其混合物，在調(diào)節(jié) 植物生長發(fā)育和抵抗逆境防御反應(yīng)中充當有 生物活性的一類多糖信號分子。能激活pin基 因（proteinase inhibitor），誘導蛋白激酶表 達。 v2、周身素 v由18個氨基酸組成，很低濃度下施加于植株 莖切口處就可引起周身傷害反應(yīng)。周身素能 激活胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)，引起亞麻酸從膜上釋放， 亞麻酸隨后轉(zhuǎn)換

24、成12-氧-植物二烯酸（PDA） 和茉莉酸，誘導防御基因表達。 v3、脫落酸 vABA在傷害反應(yīng)中位于周身素下游，茉莉酸 上游，調(diào)控pin基因表達。 v4、乙烯 v乙烯產(chǎn)生與pin基因表達存在聯(lián)系，采用上述 信號分子處理后，乙烯快速而瞬間產(chǎn)生。研 究表明，乙烯在傷害信號轉(zhuǎn)導途徑中位于茉 莉酸的下游。 v5、茉莉酸 vJA是傷害反應(yīng)中的關(guān)鍵信號分子，可以誘導 許多防御基因的表達。 v傷害信號傳遞模型 Proposed model for the activation of defensive genes in tomato plants in response to herbivore and pathogen attacks. 二、傷害信號分子誘導的胞內(nèi)組分變化 v1、胞內(nèi)鈣離子的升高 v各種不同的胞外刺激信號都可能引起胞內(nèi)游 離鈣離子濃度的變化，還會引起其在細胞內(nèi) 的梯度分布或分布區(qū)域化以及周期性上升和 回落，其變化幅度、頻率都不相同。 v2、磷脂酶活性的變化 v傷害可誘導植物細胞膜脂類組分快