植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

1、 第七章植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)植物體的新陳代謝和生長(zhǎng)發(fā)育主要受遺傳及環(huán)境變化信息的調(diào)節(jié)控制。一方面遺傳信息決定著植物體代謝和生長(zhǎng)發(fā)育的基本模式，另一方面這些基因的表達(dá)及其所控制的生命代謝活動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，在很大程度上受控于其所生活的外界環(huán)境。植物體生活在多變的環(huán)境中，生活環(huán)境對(duì)其的影響貫穿在植物體的整個(gè)生命過(guò)程。因此，植物細(xì)胞如何綜合外界和內(nèi)部的因素控制基因表達(dá)，植物體如何感受其生存的環(huán)境刺激，環(huán)境刺激如何調(diào)控和決定植物生理、生長(zhǎng)發(fā)育和形態(tài)建成，成為植物生物學(xué)研究中人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。人們將這些復(fù)雜的過(guò)程稱(chēng)之為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（signal transduction），包括細(xì)胞感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)各種環(huán)境刺激、引起相應(yīng)

2、生理反應(yīng)的過(guò)程。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是生物結(jié)構(gòu)間交流信息的一種最基本、最原始和最重要的方式。目前，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究對(duì)植物科學(xué)所有方面做出了重要貢獻(xiàn)，將許多領(lǐng)域的研究組成一個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，并由這些信號(hào)途徑通向揭示浩繁生命奧秘的細(xì)胞過(guò)程。第一節(jié)植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)概述一、 細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本概念(一)信號(hào)信號(hào)（signal）簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是細(xì)胞外界刺激，又稱(chēng)為第一信使（first messenger）或初級(jí)信使（primary messenger），包括胞外環(huán)境信號(hào)和胞間信號(hào)（intercellular signal）。胞外環(huán)境信號(hào)是指機(jī)械刺激、磁場(chǎng)、輻射、溫度、風(fēng)、光、CO2、O2、土壤性質(zhì)、重力、病原因子

3、、水分、營(yíng)養(yǎng)元素、傷害等影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要外界環(huán)境因子（圖7-1）。胞間信號(hào)是指植物體自身合成的、能從產(chǎn)生之處運(yùn)到別處，并對(duì)其他細(xì)胞作為刺激信號(hào)的細(xì)胞間通訊分子，通常包括植物激素、氣體信號(hào)分子NO以及多肽、糖類(lèi)、細(xì)胞代謝物、甾體、細(xì)胞壁片段等。胞外信號(hào)的概念并不是絕對(duì)的，隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)有些重要的胞外信號(hào)如光、電等也可以在生物體內(nèi)組織、細(xì)胞之間或其內(nèi)部起信號(hào)分子的作用。不論是胞外信號(hào)還是胞間信號(hào)，均含有一定的信息（information）。信號(hào)是信息的物質(zhì)體現(xiàn)形式和物理過(guò)程。信號(hào)的主要功能在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間傳遞生物信息，當(dāng)植物體感受信號(hào)分子所攜帶的信息后，或引起跨膜的離子流動(dòng)，或引起

4、相應(yīng)基因的表達(dá)，或引起相應(yīng)酶活性的改變等，最終導(dǎo)致細(xì)胞和生物體特異的生理反應(yīng)。圖7-1 影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的各種環(huán)境因子示意圖（引自Buchanan et al. 2000）（二）第二信使第二信使（second messenger）又稱(chēng)次級(jí)信使，是指細(xì)胞感受胞外環(huán)境信號(hào)和胞間信號(hào)后產(chǎn)生的胞內(nèi)信號(hào)分子，從而將細(xì)胞外信息轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)信息。一般公認(rèn)的細(xì)胞內(nèi)第二信使有鈣離子（Ca2+）、肌醇三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosphate，IP3）、二酰甘油（1,2-Diacylglycerol，DG）、環(huán)腺苷酸（cAMP）、環(huán)鳥(niǎo)苷酸（cGMP）等（圖7-2）。隨著細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的深入

5、，人們發(fā)現(xiàn)NO、H2O2、花生四烯酸、環(huán)ADP核糖（cADPR）、IP4、IP5、IP6等胞內(nèi)成分在細(xì)胞特定的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中也可充當(dāng)?shù)诙攀?。?xì)胞外環(huán)境信號(hào)和胞間信號(hào)與胞內(nèi)信號(hào)分子在功能上是密切合作的。多細(xì)胞生物體受到外界環(huán)境刺激后，常產(chǎn)生胞間化學(xué)信號(hào)，到達(dá)細(xì)胞表面或胞內(nèi)受體后，通過(guò)產(chǎn)生胞內(nèi)信號(hào)起作用，從而完成整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。人們通常把整個(gè)細(xì)胞外信號(hào)（包括胞外環(huán)境刺激信號(hào)和胞間信號(hào)）稱(chēng)為第一信使或初級(jí)信使，而把胞內(nèi)信號(hào)分子統(tǒng)稱(chēng)為第二信使或次級(jí)信使。圖7-2 植物細(xì)胞內(nèi)幾種主要的第二信使結(jié)構(gòu)（三）受體受體（receptor）是細(xì)胞表面或亞細(xì)胞組份中的一種天然分子，可以識(shí)別并特異地與有生物活性的

6、化學(xué)信號(hào)物質(zhì)配體（ligand）結(jié)合，從而激活或啟動(dòng)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，最后導(dǎo)致該信號(hào)物質(zhì)特定的生物學(xué)效應(yīng)。受體與配體（即刺激信號(hào)）相對(duì)特異性的識(shí)別和結(jié)合，是受體最基本的特征，否則受體就無(wú)法辨認(rèn)外界的特殊信號(hào)配體分子，也無(wú)法準(zhǔn)確地獲取和傳遞信息。二者的結(jié)合是一種分子識(shí)別過(guò)程，靠氫鍵、離子鍵與范德華力的作用，配體與受體分子空間結(jié)構(gòu)的互補(bǔ)性是特異性結(jié)合的主要因素。在植物感受各種外界刺激的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中，受體的功能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，識(shí)別并結(jié)合特異的信號(hào)物質(zhì)，接受信息，告知細(xì)胞在環(huán)境中存在一種特殊信號(hào)或刺激因素。第二，把識(shí)別和接受的信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤地放大并傳遞到細(xì)胞內(nèi)部，啟動(dòng)一系列胞內(nèi)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)

7、，最后導(dǎo)致特定的細(xì)胞效應(yīng)。要使胞外信號(hào)轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)，受體的這兩方面功能缺一不可。受體依據(jù)其存在的部位不同通常分為細(xì)胞表面受體和膜內(nèi)受體（圖7-3）。細(xì)胞表面受體存在于細(xì)胞質(zhì)膜上，大多數(shù)信號(hào)分子不能過(guò)膜，通過(guò)與細(xì)胞表面受體結(jié)合，經(jīng)過(guò)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換，將胞外信號(hào)傳至胞內(nèi)。膜內(nèi)受體是指存在于細(xì)胞質(zhì)中或亞細(xì)胞組分（細(xì)胞核等）上的受體。大部分水溶性信號(hào)分子（如多肽激素、生長(zhǎng)因子等）以及個(gè)別脂溶性激素可以擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，與膜內(nèi)受體結(jié)合，調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。圖7-3 細(xì)胞表面受體和膜內(nèi)受體（引自Buchanan et al. 2000）目前關(guān)于植物受體研究較多的是光受體和激素受體。有關(guān)植物細(xì)胞受體的類(lèi)型及其介導(dǎo)的信號(hào)

8、轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程將在第二節(jié)中詳細(xì)討論。二、 植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的特點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)物細(xì)胞，植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究相對(duì)較晚。早期關(guān)于植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究大多跟蹤和借鑒動(dòng)物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究思路和技術(shù)。隨著對(duì)植物激素等生物體內(nèi)細(xì)胞間信號(hào)分子，以及光、輻射、電磁場(chǎng)、溫度、水分，甚至病原菌等生物外環(huán)境因子對(duì)生物體代謝、生長(zhǎng)發(fā)育的細(xì)胞及分子機(jī)理研究的深入，人們對(duì)植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的認(rèn)識(shí)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。最近模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）基因組全序列的測(cè)定完成，以及對(duì)部分基因功能的研究取得重要進(jìn)展之后，植物科學(xué)家們對(duì)于植物細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有了許多更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。表7-1 一些常見(jiàn)的植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)

9、生理現(xiàn)象感受的刺激相應(yīng)的生理反應(yīng)光誘導(dǎo)的種子萌發(fā)光種子萌發(fā)氣孔運(yùn)動(dòng)光、黑暗、ABA等氣孔開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)植物向光性反應(yīng)光植物向光性生長(zhǎng)含羞草感振運(yùn)動(dòng)機(jī)械刺激含羞草小葉運(yùn)動(dòng)根的向地性生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)重力根向地性生長(zhǎng)光照控制植物開(kāi)花光植物開(kāi)花植物的春化反應(yīng)低溫植物開(kāi)花植物葉片脫落光周期葉脫落乙烯誘導(dǎo)果實(shí)成熟乙烯果實(shí)成熟表7-1簡(jiǎn)單列述了一些常見(jiàn)的高等植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)。植物細(xì)胞在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程上同動(dòng)物細(xì)胞大體上類(lèi)似，也分為信號(hào)的感受、跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、信號(hào)級(jí)聯(lián)放大與整合、細(xì)胞特定的生理反應(yīng)4個(gè)階段，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中同樣存在類(lèi)似動(dòng)物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的胞內(nèi)信使系統(tǒng)如鈣信使系統(tǒng)、肌醇磷脂信使系統(tǒng)等，在信號(hào)的跨膜

10、轉(zhuǎn)換方面，植物細(xì)胞同樣存在著異三聚體G蛋白以及下游相應(yīng)的靶酶或靶蛋白系統(tǒng)等。盡管高等植物細(xì)胞具有一些與動(dòng)物細(xì)胞類(lèi)似的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，但是高等植物在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的特殊性也是明顯的。第一，植物不能像動(dòng)物那樣能夠運(yùn)動(dòng)，其一生總是固定在一個(gè)地方。當(dāng)其生活的環(huán)境條件改變，遇到不利于其生存的逆境脅迫時(shí)，植物不能通過(guò)運(yùn)動(dòng)去積極逃避逆境，植物只能被動(dòng)接受，但是這種被動(dòng)接受并不是完全意義上的被動(dòng)，人們研究發(fā)現(xiàn)植物體可以通過(guò)整和環(huán)境信息來(lái)調(diào)節(jié)自身的生理活動(dòng)去積極努力地適應(yīng)環(huán)境的變化，這是植物細(xì)胞有別于動(dòng)物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的一個(gè)重要的區(qū)別。第二，我們知道高等植物屬于自養(yǎng)生物，植物如何感受環(huán)境中的太陽(yáng)光，并通過(guò)光合作用固定太陽(yáng)

11、光把光能轉(zhuǎn)換為生物自身的能量的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程同樣是動(dòng)物所不具備的。同時(shí)在植物的整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，植物的光形態(tài)建成、光周期效應(yīng)以及春化效應(yīng)等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程也是植物有別于動(dòng)物的重要特點(diǎn)。第三，我們知道動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)在長(zhǎng)距離信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)傳輸過(guò)程中起著重要的作用，而植物只有木質(zhì)部和韌皮部?jī)纱筝攲?dǎo)系統(tǒng)，植物如何將長(zhǎng)距離信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)組織細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程同樣有別于動(dòng)物。同時(shí)，植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在某些方面還保留了低等原核細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，例如植物激素乙烯受體ETR1與細(xì)菌雙組份信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之間具有極大的相似性。三、 植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究?jī)?nèi)容和意義自20世紀(jì)30年代科學(xué)家們致力于細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的研

12、究以來(lái)，特別是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究史上的三個(gè)里程碑：細(xì)胞內(nèi)三大信使系統(tǒng)cAMP、鈣和鈣調(diào)素（CaM）、肌醇磷脂系統(tǒng)的相繼發(fā)現(xiàn)之后，細(xì)胞信號(hào)領(lǐng)域一直是科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，許多諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)相繼授予了從事細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的杰出科學(xué)家們，特別是上個(gè)世紀(jì)90年代后的10年時(shí)間里本領(lǐng)域先后有5項(xiàng)成果獲得諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，如1971年的諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予胞內(nèi)信使cAMP的及第二信使學(xué)說(shuō)的提出者E. W. Sutherland，1992年授予糖原代謝中蛋白質(zhì)的可逆磷酸化反應(yīng)的研究者E. Krebs和E. Fisher，1994年授予信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域G蛋白的發(fā)現(xiàn)者A. G. Gilman和M. Rodbel

13、l，以及1998年的諾貝爾生理及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予NO信號(hào)分子的發(fā)現(xiàn)者R. F. Furchgott，L. J. Ignarro和F. Murad等。隨著動(dòng)物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究?jī)?nèi)容的深入、系統(tǒng)和完善，植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究也逐步受到人們的關(guān)注，并在近30余年來(lái)取得了許多突破性的進(jìn)展。植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究的具體內(nèi)容包括代謝、發(fā)育和遺傳許多方面，從其機(jī)制上可以簡(jiǎn)單概括為：研究植物細(xì)胞感受、耦合各種胞內(nèi)外刺激（初級(jí)信號(hào)），并將這些胞外信號(hào)轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)信號(hào)（次級(jí)信號(hào)），通過(guò)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的生理生化變化，包括細(xì)胞內(nèi)部的基因表達(dá)變化、酶的活性和數(shù)量的變化等，最終引起植物細(xì)胞甚至植物體特定的生理反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

14、途徑和分子機(jī)制。植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究可以揭示植物對(duì)環(huán)境刺激反應(yīng)的遺傳和分子機(jī)制，使得科學(xué)家們從而可以通過(guò)生物工程技術(shù)和手段，調(diào)控植物生命活動(dòng)，提高植物適應(yīng)環(huán)境能力。同時(shí)，由于植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的特殊性，對(duì)于其機(jī)制的研究更加豐富生物體包括動(dòng)物和植物等的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)內(nèi)容，揭示生命進(jìn)化的本質(zhì)；因此，無(wú)論在實(shí)踐上或理論上植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究均具有重要的意義。第二節(jié)植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程植物細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為：刺激與感受信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)三個(gè)重要的環(huán)節(jié)。一、刺激與感受當(dāng)存在刺激信號(hào)時(shí)，植物細(xì)胞必須能夠感受并接受這些刺激，這是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第一步，主要由受體來(lái)完成。受體是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的一員

15、，正是它，首先識(shí)別并接受外來(lái)信號(hào)，啟動(dòng)了整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。通常來(lái)說(shuō)一種信號(hào)只能與特異的受體結(jié)合，引起相應(yīng)的生理反應(yīng)，但是受體的特異性不能簡(jiǎn)單理解為任何一種受體僅能與一種配體結(jié)合，或者反之，這種情況只是對(duì)特定的細(xì)胞和生理?xiàng)l件而言。研究表明，同一細(xì)胞或不同類(lèi)型的細(xì)胞中，同一配體可能有兩種或兩種以上的不同受體，例如在動(dòng)物細(xì)胞中，乙酰膽堿有煙堿型和度蕈型兩種受體，腎上腺有和兩種受體，同一配體與不同類(lèi)型受體結(jié)合會(huì)產(chǎn)生不同的反應(yīng)。植物細(xì)胞中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似于動(dòng)物細(xì)胞中存在的三種類(lèi)型的細(xì)胞表面受體：G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptor，GPCR）、酶連受體（enzyme-lin

16、ked receptor）和離子通道連接受體（ion-channel-linked receptor）（圖7-4）。由于細(xì)胞信號(hào)的感受和轉(zhuǎn)換是一個(gè)統(tǒng)一和連續(xù)的過(guò)程中，因此有關(guān)此三類(lèi)受體的詳細(xì)內(nèi)容將在信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)換中介紹。圖7-4 細(xì)胞表面受體的三種類(lèi)型（引自潘瑞熾等，2001）二、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) 當(dāng)細(xì)胞通過(guò)細(xì)胞表面受體感受外界信號(hào)刺激后，下一步的任務(wù)是將胞外信號(hào)轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)信號(hào)，并通過(guò)細(xì)胞內(nèi)信使系統(tǒng)級(jí)聯(lián)放大信號(hào)，調(diào)節(jié)相應(yīng)酶或基因的活性，這是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要過(guò)程，此過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，主要包括胞外信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)換、細(xì)胞內(nèi)第二信使系統(tǒng)和信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大以及蛋白質(zhì)的可逆磷酸化。（一）信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)換對(duì)于細(xì)胞內(nèi)受體而言，

17、信號(hào)物質(zhì)（配體）可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部與胞內(nèi)的受體結(jié)合，完成細(xì)胞信號(hào)的直接跨膜進(jìn)入。而對(duì)于細(xì)胞表面的受體反應(yīng)，外界信號(hào)首先與細(xì)胞表面的受體結(jié)合，不能直接將其所攜帶的信息傳遞到細(xì)胞內(nèi)部。如何將信號(hào)轉(zhuǎn)換到胞內(nèi)，就涉及到一個(gè)信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)換問(wèn)題。外界信號(hào)物質(zhì)與細(xì)胞表面的受體結(jié)合后，將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)換。細(xì)胞通常采取以下三種方式將胞外信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)換為胞內(nèi)信號(hào)。1通過(guò)離子通道連接受體跨膜轉(zhuǎn)換信號(hào)離子通道（ion channel）是存在于膜上可以跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)離子的一類(lèi)蛋白質(zhì)。而離子通道型受體即離子通道連接受體，除了具備轉(zhuǎn)運(yùn)離子的功能外，同時(shí)還能與配體特異的結(jié)合和識(shí)別，具備受體的功能。當(dāng)這類(lèi)受

18、體和配體結(jié)合接收信號(hào)后，可以引起跨膜的離子流動(dòng)，把胞外的信息通過(guò)膜離子通道轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)某一離子濃度的改變的信息。目前植物中關(guān)于離子通道型受體的研究不多，但在擬南芥、煙草和豌豆等植物中發(fā)現(xiàn)有與動(dòng)物細(xì)胞同源的離子通道型谷氨酸受體（ionotropic Glutamate receptor，iGluR），并且可能參與了植物的光信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。2酶促信號(hào)直接跨膜轉(zhuǎn)換該過(guò)程的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換主要由酶連受體來(lái)完成。此類(lèi)受體除了具有受體的功能外，本身還是一種酶蛋白，當(dāng)細(xì)胞外的受體區(qū)域和配體結(jié)合后，可以激活具有酶活性的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，引起酶活性的改變，從而引起細(xì)胞內(nèi)側(cè)的反應(yīng)，將信號(hào)傳遞到胞內(nèi)。如具有受體功能的酪氨酸蛋白

19、激酶，當(dāng)其胞外的受體部分接受了外界信號(hào)后激活了胞內(nèi)具有蛋白激酶活性的結(jié)構(gòu)域，從而使細(xì)胞內(nèi)某些蛋白質(zhì)的酪氨酸殘基磷酸化，進(jìn)而在細(xì)胞內(nèi)形成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。在研究植物激素乙烯的受體時(shí)發(fā)現(xiàn)，乙烯的受體有兩個(gè)基本的部分，一個(gè)是組氨酸蛋白激酶（His protein kinase, HPK），另一個(gè)是效應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白，（response-regulator protein, RR）。當(dāng)HPK接受胞外信號(hào)后，激酶的組氨酸殘基發(fā)生磷酸化，并且將磷酸集團(tuán)傳遞給下游的RR。RR的天冬氨酸殘基部分（信號(hào)接收部分）接受了傳遞過(guò)來(lái)的磷酸集團(tuán)后，通過(guò)信號(hào)輸出部分，將信號(hào)傳遞給下游的組分。下游末端的組分通常是轉(zhuǎn)錄因子，從而可以調(diào)

20、控基因的表達(dá)。3通過(guò)G蛋白偶聯(lián)受體跨膜轉(zhuǎn)換信號(hào)此種方式是細(xì)胞跨膜轉(zhuǎn)換信號(hào)的主要方式。G蛋白 即GTP結(jié)合蛋白（GTP binding protein），是細(xì)胞內(nèi)一類(lèi)具有重要生理調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)。G蛋白可以和三磷酸鳥(niǎo)苷（GTP）結(jié)合，并具有GTP水解酶的活性。在所有的G蛋白中只有兩種類(lèi)型G蛋白參與細(xì)胞信號(hào)傳遞：小G蛋白和異三聚體G蛋白。小G蛋白是一類(lèi)只含有一個(gè)亞基的單聚體G蛋白，它們分別參與細(xì)胞生長(zhǎng)與分化、細(xì)胞骨架、膜囊泡與蛋白質(zhì)運(yùn)輸?shù)恼{(diào)節(jié)過(guò)程。在細(xì)胞跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中起主要作用的是異三聚體G蛋白(heterotrimeric G-proteins，也被稱(chēng)作大G蛋白)。常把異三聚體G蛋白簡(jiǎn)

21、稱(chēng)為G蛋白，在本章以后的敘述中如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，那么G蛋白一般是指與細(xì)胞表面受體偶聯(lián)的異三聚比G蛋白。異三聚體G蛋白由3種不同亞基(、)構(gòu)成，亞基含有GTP結(jié)合的活性位點(diǎn)，并具有GTP酶活性，和亞基一般以穩(wěn)定的復(fù)合狀態(tài)存在。異三聚體G蛋白參與胞外信號(hào)跨膜轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)是：胞外信號(hào)被細(xì)胞表面的受體識(shí)別后，通過(guò)膜上的G蛋白轉(zhuǎn)換到膜內(nèi)側(cè)的效應(yīng)酶上，再通過(guò)效應(yīng)酶產(chǎn)生多種第二信使，從而把胞外的信號(hào)轉(zhuǎn)換到胞內(nèi)。圖7-5概括了G蛋白偶聯(lián)的胞外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程：當(dāng)無(wú)外界刺激時(shí)，異三聚體G蛋白處于非活化狀態(tài)，以三聚體形式存在，亞基上結(jié)合著GDP，此時(shí)其上游的受體和下游的效應(yīng)酶均無(wú)活性。當(dāng)細(xì)胞接受外界信息后，信號(hào)分子與膜

22、上的受體（非激活型）結(jié)合后引起受體構(gòu)象改變，形成激活型受體。激活型的受體可與G蛋白的亞基結(jié)合，并引起亞基構(gòu)象改變，釋放GDP，結(jié)合GTP，形成激活型的亞基?；罨膩喕M(jìn)一步與亞基復(fù)合體解離，并與下游的靶效應(yīng)器結(jié)合，將信號(hào)傳遞下去。G蛋白下游的靶效應(yīng)器很多，包括磷酯酶C（PLC）、磷酯酶D（PLD）、磷酯酶A2（PLA2）、磷酯酰肌醇3激酶（PI3K）、腺苷酸環(huán)化酶、離子通道等。當(dāng)亞基把信號(hào)傳遞給下游組份后，其上的GTP酶活性使結(jié)合的GTP水解為GDP，亞基恢復(fù)最初構(gòu)象，成為非激活型，并與下游靶效應(yīng)器分離，亞基重新與亞基復(fù)合體結(jié)合，完成一次信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)換。在上述過(guò)程中G蛋白的作用不僅僅是信號(hào)的跨

23、膜轉(zhuǎn)換，而且對(duì)于外界微弱的信號(hào)起到了放大作用，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)本節(jié)蛋白質(zhì)的可逆磷酸化部分：細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大。 通常認(rèn)為，G蛋白參與的跨膜轉(zhuǎn)換信號(hào)方式主要是亞基調(diào)節(jié)，而亞基的功能主要是對(duì)G蛋白功能的調(diào)節(jié)和修飾，或把G蛋白錨定在細(xì)胞膜上。隨著研究的深入，越來(lái)越多的證據(jù)表明，G蛋白被受體激活后亞基游離出來(lái)也可以直接激活胞內(nèi)的效應(yīng)酶。有些甚至是亞基和亞基復(fù)合體協(xié)同調(diào)節(jié)。在目前所知道的8種不同的腺苷酸環(huán)化酶（AC）同工酶中，AC1通過(guò)亞基激活，AC2、AC4、AC7則直接被亞基激活，但需要亞基存在，兩種協(xié)同起作用。圖7-5 G蛋白參與的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換（參照潘瑞熾等2001，略有修改）現(xiàn)已證明，異三聚體G蛋白

24、在植物中普遍存在，運(yùn)用免疫轉(zhuǎn)移電泳等生化手段先后在擬南芥、水稻、蠶豆、燕麥等植物的葉片、根、培養(yǎng)細(xì)胞和黃化幼苗中檢測(cè)到植物G蛋白，并參與了光、植物激素以及病原菌等信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及在質(zhì)膜K+離子通道、植物細(xì)胞分裂、氣孔運(yùn)動(dòng)和花粉管生長(zhǎng)等生理過(guò)程的調(diào)控。在G蛋白偶聯(lián)受體的研究上，目前已從擬南芥分離到一種G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），其氨基酸序列上與動(dòng)物GPCR達(dá)到20左右一致性和50左右的相似性，在功能上可能參與了細(xì)胞分裂素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。（二）胞內(nèi)信使系統(tǒng)胞外的信號(hào)經(jīng)過(guò)跨膜轉(zhuǎn)換進(jìn)入細(xì)胞后，通常產(chǎn)生第二信使并通過(guò)相應(yīng)的胞內(nèi)信使系統(tǒng)將信號(hào)級(jí)聯(lián)放大，引起細(xì)胞最終的生理反應(yīng)（圖7-6）。圖7-6 第二

25、信使學(xué)說(shuō)目前植物中普遍接受的胞內(nèi)第二信使系統(tǒng)主要有：鈣信使系統(tǒng)和肌醇磷脂信使系統(tǒng)。對(duì)于動(dòng)物中研究較為透徹的環(huán)核苷酸信使系統(tǒng)是否同樣存在于植物以及其在植物中存在的普遍性，盡管目前尚有爭(zhēng)議，但已有一部分報(bào)道在擬南芥等植物中存在并參與了植物氣孔運(yùn)動(dòng)、光誘導(dǎo)葉綠體花色素的合成等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，因而在此同鈣信使系統(tǒng)和肌醇磷脂信使系統(tǒng)一并表述。植物細(xì)胞在感受某一刺激或同時(shí)感受多種刺激時(shí)，復(fù)雜多樣的信號(hào)系統(tǒng)之間存在著相互交流（cross-talk），并由此形成植物細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)(network)。1、 鈣信使系統(tǒng)鈣信使系統(tǒng)是植物細(xì)胞中重要的也是研究最多的胞內(nèi)信使系統(tǒng)。20世紀(jì)60年代末期美籍華人張槐耀關(guān)

26、于鈣信使系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)因子Ca2+的多功能受體蛋白鈣調(diào)素（CaM）的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于細(xì)胞內(nèi)的鈣信使系統(tǒng)的建立具有實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。80年代以來(lái)植物細(xì)胞中鈣信使系統(tǒng)的存在及其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)功能先后被大量的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。胞內(nèi)鈣梯度的存在是Ca2+信號(hào)產(chǎn)生的基礎(chǔ)。正常情況下植物細(xì)胞質(zhì)中游離的靜息態(tài)Ca2+水平為10-7 10-6 mol/L左右，而液泡的游離鈣離子水平在10-3mol/L左右，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中鈣離子濃度在10-6mol/L，細(xì)胞壁中的鈣離子濃度也高達(dá)10-510-3mol/L。因而細(xì)胞壁等質(zhì)外體作為胞外鈣庫(kù)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和液泡作為胞內(nèi)鈣庫(kù)。靜止?fàn)顟B(tài)下這些梯度的分布是相對(duì)穩(wěn)定的，當(dāng)受到刺激時(shí)，鈣離子跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)

27、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的鈣穩(wěn)態(tài)（calcium homeostasis），從而產(chǎn)生鈣信號(hào)。Ca2信號(hào)的產(chǎn)生和終止表現(xiàn)在胞質(zhì)中游離Ca2濃度（Ca2c）的升高和降低。由于在胞內(nèi)、外Ca2庫(kù)與胞質(zhì)中Ca2存在很大的濃度差，當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激時(shí)，鈣離子可以通過(guò)胞內(nèi)、外Ca2+庫(kù)膜上的Ca2+通道由鈣庫(kù)進(jìn)入細(xì)胞，引起胞質(zhì)中游離Ca2+濃度大幅度升高，產(chǎn)生鈣信號(hào)。鈣信號(hào)產(chǎn)生后作用于下游的調(diào)控元件（鈣調(diào)節(jié)蛋白等）將信號(hào)進(jìn)一步向下傳遞，引起相應(yīng)的生理生化反應(yīng)。當(dāng)Ca2作為第二信使完成信號(hào)傳遞后，胞質(zhì)中的Ca2+又可通過(guò)鈣庫(kù)膜上的鈣泵或Ca2+H+轉(zhuǎn)運(yùn)體將Ca2+運(yùn)回到Ca2+庫(kù)（質(zhì)膜外或細(xì)胞內(nèi)Ca2庫(kù)），胞質(zhì)中游離Ca

28、2+濃度恢復(fù)到原來(lái)的靜息態(tài)水平，同時(shí)Ca2+也與受體蛋白分離，信號(hào)終止，完成一次完整的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。圖7-7 高等植物細(xì)胞內(nèi)鈣離子轉(zhuǎn)運(yùn)多條途徑示意圖（引自Buchanan et al. 2000）大量研究表明Ca2在眾多的植物刺激反應(yīng)中作為第二信使，幾乎所有不同的胞外刺激信號(hào)，如光、觸摸、重力、植物激素、病原菌等，都能引起胞內(nèi)游離鈣離子濃度(Ca2+c)短暫的、明顯升高，或在細(xì)胞內(nèi)的梯度和區(qū)域分布發(fā)生變化。鈣濃度變化信號(hào)如何能對(duì)不同的胞外刺激起反應(yīng)，而最終導(dǎo)致對(duì)特定刺激的特定生理效應(yīng)？目前認(rèn)為產(chǎn)生鈣信號(hào)的特異性可能有如下兩種模式：一種是鈣信號(hào)本身具有特異性，特異性的鈣離子變化決定生理反應(yīng)的特異

29、性。另一種是鈣信號(hào)產(chǎn)生后通過(guò)下游的的不同信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子決定反應(yīng)的特異性。在前一種模式中，細(xì)胞能對(duì)某一種刺激產(chǎn)生獨(dú)特的Ca2+時(shí)空特異性變化方式，稱(chēng)為鈣指紋（Ca2+ signature）。構(gòu)成鈣指紋的信息有鈣峰、鈣波、鈣振蕩和鈣信號(hào)的空間定位等。不同的刺激可以反映在鈣峰峰值的高低及出現(xiàn)鈣峰的早晚、鈣振蕩的振幅和頻率以及鈣振蕩的形狀（正弦型、釘型或不對(duì)稱(chēng)型等）、鈣波的形狀和形式、鈣信號(hào)產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)局部空間定位等。在第二種模式中，鈣信號(hào)產(chǎn)生后可以通過(guò)下游相應(yīng)的鈣受體蛋白產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)。鈣調(diào)素（calmodulin, CaM）是最重要的鈣受體蛋白。它是一種由148個(gè)氨基酸組成的耐熱、耐酸性的小分子

30、可溶性球蛋白，等電點(diǎn)4.0，相對(duì)分子量約為16.7kDa。CaM與Ca2+有很高的親和力，每個(gè)CaM分子有4個(gè)Ca2結(jié)合位點(diǎn)，可以與1-4個(gè)Ca2+結(jié)合。CaM以?xún)煞N方式起作用：第一，可以直接與靶酶結(jié)合，誘導(dǎo)靶酶的活性構(gòu)象，從而調(diào)節(jié)靶酶的活性；第二，與Ca2+結(jié)合，形成活化態(tài)的Ca2+·CaM復(fù)合體，然后再與靶酶結(jié)合將靶酶激活，這種方式在鈣信號(hào)傳遞中起主要作用。CaM異型基因表達(dá)的差異很大，其在不同細(xì)胞內(nèi)種類(lèi)、含量不同可能導(dǎo)致同一個(gè)刺激在不同的細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生不同的生理效應(yīng)，同時(shí)CaM在不同細(xì)胞內(nèi)不同區(qū)域的分布、含量不同也可能是不同形式的鈣信號(hào)產(chǎn)生不同生理效應(yīng)的另一種機(jī)制。除了CaM外，植

31、物細(xì)胞中Ca2+信號(hào)也可以直接作用于其它的鈣結(jié)合蛋白，研究最多的鈣依賴(lài)型蛋白激酶（calcium dependent protein kinase ，CDPK），對(duì)于CDPK的具體內(nèi)容我們將在本節(jié)后半部分詳細(xì)討論。2、 肌醇磷脂信使系統(tǒng)肌醇磷脂信使系統(tǒng)是植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的另一種重要的胞內(nèi)信使系統(tǒng)，其發(fā)現(xiàn)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究史上是繼cAMP、鈣調(diào)素發(fā)現(xiàn)以來(lái)的第三個(gè)里程碑。肌醇磷脂（inositol phospholopid）是細(xì)胞膜的基本組成成分。如圖7-8所示，肌醇磷脂主要分布于質(zhì)膜內(nèi)側(cè)，其總量約在膜磷脂總量的10。現(xiàn)已確定的肌醇磷脂主要有三種：磷脂酰肌醇（phosphatidylinosito

32、l，PI）、磷脂酰肌醇-4-磷酸（phosphatidylinositol-4-phosphate，PIP）和磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate，PIP2）。在磷脂酶C（PLC）的作用下PIP2可以水解產(chǎn)生三磷酸肌醇（IP3）和二酯酰甘油（diacylglycerol，DG，DAG）兩種胞內(nèi)第二信使，產(chǎn)生的IP3和DAG可以分別通過(guò)IP3Ca2+和DAGPKC兩個(gè)信號(hào)途徑進(jìn)一步傳遞信號(hào)，因此人們常把肌醇磷脂信使途徑稱(chēng)之為“雙信使途徑”。IP3和DAG完成信號(hào)傳遞后經(jīng)過(guò)肌醇磷脂循環(huán)可以重新合成PIP2，實(shí)現(xiàn)PIP2的更新合成。圖

33、7-8 磷脂酰肌醇代謝循環(huán)過(guò)程（參照Berridge 1986 略有修改）不斷積累的證據(jù)表明，植物細(xì)胞的確存在一個(gè)和動(dòng)物類(lèi)似的肌醇磷脂信息傳遞系統(tǒng)，肌醇磷脂信號(hào)系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)因子PLC及由它作用產(chǎn)生的信號(hào)物質(zhì)IP3和DAG、IP3使貯鈣體液泡釋放鈣的功能都已在植物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。圖7-9簡(jiǎn)單概括了目前植物細(xì)胞的肌醇磷脂信使系統(tǒng)作用模式：植物細(xì)胞感受外界刺激信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)的跨膜轉(zhuǎn)換，激活質(zhì)膜內(nèi)側(cè)錨定的PLC，活化的PLC水解質(zhì)膜上的PIP2產(chǎn)生兩種第二信使DAG和IP3，從而啟動(dòng)IP3Ca2+和DAGPKC雙信使途徑。一方面，產(chǎn)生的IP3可以通過(guò)激活細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)（液泡等）上的IP3受體（IP3敏感的

34、鈣通道），促使Ca2+從液泡中釋放出來(lái)，引起胞內(nèi)游離的Ca2+濃度升高，實(shí)現(xiàn)肌醇磷脂信使系統(tǒng)與鈣信使系統(tǒng)之間的交聯(lián)，通過(guò)胞內(nèi)的Ca2+信使系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制相應(yīng)的生理反應(yīng)。已有大量證據(jù)表明，IP3/Ca2+系統(tǒng)對(duì)于干旱、ABA引起的氣孔關(guān)閉的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中起著重要的調(diào)節(jié)作用，在鴨趾草保衛(wèi)細(xì)胞中，ABA處理誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉過(guò)程中，胞內(nèi)游離的Ca2+升高也是通過(guò)IP3作用于胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放Ca2+實(shí)現(xiàn)。另一方面，在動(dòng)物細(xì)胞肌醇磷脂信號(hào)系統(tǒng)中，產(chǎn)生的第二信使DAG可以通過(guò)DAGPKC信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，激活蛋白激酶C（PKC），對(duì)某些底物蛋白或酶進(jìn)行磷酸化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的下游傳遞。在植物細(xì)胞中是否存在PKC迄今為止尚無(wú)直

35、接的證據(jù)，盡管有報(bào)告DAG可以促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上的質(zhì)子泵以及氣孔開(kāi)放的作用，但DAGPKC途徑是否在植物細(xì)胞中存在尚待進(jìn)一步的證實(shí)。圖7-9 植物細(xì)胞肌醇磷脂信使系統(tǒng)模式圖（注：？表明在植物細(xì)胞中PKC的存在尚有爭(zhēng)議）3、 環(huán)核苷酸信號(hào)系統(tǒng)環(huán)核苷酸是在活細(xì)胞內(nèi)最早發(fā)現(xiàn)的第二信使，包括cAMP和cGMP，其分別由ATP經(jīng)腺苷酸環(huán)化酶、GTP經(jīng)鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶產(chǎn)生而來(lái)。動(dòng)物細(xì)胞中，外界刺激信號(hào)激活質(zhì)膜上的受體通過(guò)G蛋白的介導(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)的cAMP水平，cAMP作為第二信使激活cAMP依賴(lài)的蛋白激酶（PKA）；PKA被激活后其催化亞基和調(diào)節(jié)亞基相互分離，其中催化亞基可以

36、引起相應(yīng)的酶或蛋白質(zhì)磷酸化，引起相應(yīng)的細(xì)胞反應(yīng)，或者催化亞基直接進(jìn)入細(xì)胞核催化cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白（cAMP response element binding protein, CREB）磷酸化（圖7-10），被磷酸化的CREB激活核基因序列中的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子cAMP應(yīng)答元件（cAMP response element, CRE），導(dǎo)致被誘導(dǎo)基因的表達(dá)。圖7-10 cAMP信號(hào)系統(tǒng)傳遞模型（參照Buchanan 2000 略有修改）20世紀(jì)70年代以來(lái)，人們一直著力于植物細(xì)胞內(nèi)是否存cAMP，以及其是否具有胞內(nèi)第二信使功能的研究，但是進(jìn)展緩慢。盡管目前仍無(wú)確切證據(jù)表明高等植物細(xì)胞中普遍存在c

37、AMP，但在一部分植物中已經(jīng)檢測(cè)到cAMP或其合成和降解系統(tǒng)相關(guān)成分（腺苷酸環(huán)化酶、磷酸二酯酶）的存在。對(duì)模式植物擬南芥基因序列的分析結(jié)果表明，植物核基因組中含有CRE序列以及編碼CREB的序列，并且CRE的啟動(dòng)子受cAMP結(jié)合蛋白的調(diào)控。乙烯受體ETR1基因序列中也包含一段可能受cAMP調(diào)控的DNA序列。在關(guān)于植物中cAMP生理功能的研究中，有報(bào)道cAMP可能參與了葉片氣孔關(guān)閉的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，并且在ABA和Ca2+抑制氣孔開(kāi)放及質(zhì)膜內(nèi)向K+通道活性的過(guò)程中有cAMP的參與；花粉管的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)也受cAMP的調(diào)控；腺苷酸環(huán)化酶可能參與了花粉與柱頭間不親和性的表現(xiàn)；以及根際微生物因子作用于根毛細(xì)胞后

38、可以導(dǎo)致cAMP濃度的升高等。1944年Bowler和蔡南海等研究完整葉綠體中多種光系統(tǒng)色素蛋白質(zhì)及酶基因表達(dá)所必需的光信號(hào)傳遞過(guò)程的結(jié)果表明Ca2+-CaM及cGMP兩個(gè)信號(hào)系統(tǒng)在合成完整成熟葉綠體中協(xié)同作用。說(shuō)明植物細(xì)胞中cAMP、cGMP作為植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的調(diào)節(jié)因子，可能主要是通過(guò)與其它信使的交互作用而表現(xiàn)其生理調(diào)節(jié)功能。三、蛋白質(zhì)的可逆磷酸化蛋白質(zhì)可逆磷酸化是細(xì)胞信號(hào)傳遞過(guò)程中幾乎所有信號(hào)傳遞途徑的共同環(huán)節(jié)，也是中心環(huán)節(jié)。胞內(nèi)第二信使產(chǎn)生后，其下游的靶分子一般都是細(xì)胞內(nèi)的蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶，激活的蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化相應(yīng)蛋白的磷酸化或脫磷酸化，從而調(diào)控細(xì)胞內(nèi)酶、離子通道

39、、轉(zhuǎn)錄因子等的活性。cAMP可以通過(guò)PKA作用使下游的蛋白質(zhì)磷酸化，Ca2+可以通過(guò)與鈣調(diào)素結(jié)合作用于CaCaM依賴(lài)的蛋白激酶使蛋白質(zhì)磷酸化，也可以直接作用于CDPK使蛋白質(zhì)磷酸化等，促分裂原活化蛋白激酶（mitogen active protein kinase, MAPK）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)途徑，由MAPK，MAPKK，MAPKKK三個(gè)激酶組成的一系列蛋白質(zhì)磷酸化反應(yīng)。圖7-11 蛋白質(zhì)可逆磷酸化反應(yīng)式蛋白質(zhì)的磷酸化和脫磷酸化在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中具有級(jí)聯(lián)放大信號(hào)的作用，如圖7-12所示，外界微弱的信號(hào)可以通過(guò)受體激活G蛋白、產(chǎn)生第二信使、激活相應(yīng)的蛋白激酶和促使底物蛋白磷酸化等一些列反應(yīng)得到

40、級(jí)聯(lián)（cascade）放大。圖7-12 cAMP信號(hào)傳遞過(guò)程中的級(jí)聯(lián)放大作用（引自Alberts et al. 1989）目前植物中已經(jīng)鑒定并分離出許多種的蛋白激酶和蛋白磷酸酶，并對(duì)其功能進(jìn)行了初步的研究。（一）植物中的蛋白激酶植物中存在著很多種的蛋白激酶，和動(dòng)物蛋白激酶類(lèi)似，植物中的蛋白激酶也可以根據(jù)被磷酸化的氨基酸的種類(lèi)分為SerThrTyr型，另外，在擬南芥中還發(fā)現(xiàn)了組氨酸蛋白激酶。根據(jù)蛋白激酶的調(diào)節(jié)物植物中的蛋白激酶可以分為：鈣和鈣調(diào)素依賴(lài)的蛋白激酶和類(lèi)受體蛋白激酶。1鈣和鈣調(diào)素依賴(lài)的蛋白激酶CDPK（calcium dependent protein kinase）是植物中首先發(fā)現(xiàn)的

41、一種鈣依賴(lài)蛋白激酶，屬于SerThr型蛋白激酶，是一個(gè)植物中獨(dú)特的蛋白激酶家族，也是目前植物細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中研究較為清楚的一種蛋白激酶。CDPK活性受Ca2+調(diào)節(jié)，不需要CaM參與而直接受Ca2+激活，原因在于CDPK中具有與CaM相似的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，當(dāng)鈣離子信號(hào)產(chǎn)生后，Ca2不必與CaM結(jié)合，而直接與CDPK上的類(lèi)似于鈣調(diào)素的結(jié)構(gòu)域結(jié)合，解除了CDPK的自身抑制，從而導(dǎo)致CDPK被激活，激活的CDPK可以磷酸化其靶酶或靶分子，產(chǎn)生相應(yīng)的生理反應(yīng)。擬南芥基因組的分析表明，在高等植物中至少存在40種以上的CDPK，有報(bào)道環(huán)境刺激可誘導(dǎo)某些CDPK表達(dá)、CDPK對(duì)植物細(xì)胞質(zhì)膜K+通道的活性具有調(diào)

42、節(jié)作用。另外植物中也發(fā)現(xiàn)了Ca2+/CaM依賴(lài)的蛋白激酶和有絲分裂原蛋白激酶（MAPKs）的存在，對(duì)于他們?cè)谥参锛?xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用也有部分研究報(bào)道，植物中MAPK參與了許多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑包括激素，冷、干旱、鹽等脅迫反應(yīng)，病原體侵染，機(jī)械刺激損傷反應(yīng)及細(xì)胞周期調(diào)控。2類(lèi)受體蛋白激酶類(lèi)受體蛋白激酶最早發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物中，位于細(xì)胞膜上，能夠感受外界刺激,并參與胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。它由胞外配體結(jié)合區(qū)( extracellular ligand-binding domain) 、跨膜區(qū)( transmembrane domain)和胞質(zhì)激酶區(qū)(cytosolic kinase domain) 3 個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。

43、胞外配體結(jié)合區(qū)的功能是識(shí)別配體感受外界信號(hào)，跨膜區(qū)則將被胞外配體識(shí)別的信號(hào)傳遞給胞質(zhì)激酶區(qū)，而胞質(zhì)激酶區(qū)能夠通過(guò)磷酸化作用將信號(hào)傳遞給下一級(jí)信號(hào)傳遞體。目前已在多種高等植物中分離出一系列受體蛋白激酶基因，如從擬南芥植株分離到一種類(lèi)似受體的蛋白激酶基因RPK1，該基因編碼的氨基酸序列包含蛋白激酶中的11 個(gè)保守亞區(qū)，屬絲氨酸/ 蘇氨酸蛋白激酶類(lèi)型，具備胞外配體結(jié)合區(qū)、跨膜區(qū)和胞質(zhì)激酶區(qū)等全部受體蛋白激酶的特征區(qū)。此外RPKl 激酶的胞外部分含有富亮氨酸重復(fù)序列( LRR leucine - rich repeat sequence)，該序列參與蛋由質(zhì)-蛋白質(zhì)間的相互作用，與感受發(fā)育和環(huán)境脅迫信號(hào)

44、有關(guān)。低溫及脫落酸處理能快速誘導(dǎo)該基因的表達(dá)。除了上述兩類(lèi)蛋白激酶外，最近又從擬南芥中分離到一類(lèi)蛋白激酶基因，ATPK6和ATPK19，它們編碼的氨基酸序列分別與動(dòng)物核糖體蛋白S6激酶P7056K和PP90rsk有很高的同源性，因而命名為核糖體蛋白激酶。關(guān)于他們的功能可能與植物感受環(huán)境脅迫有關(guān)，有報(bào)道ATPK6和ATPK19均能被低溫、高鹽和干旱誘導(dǎo)表達(dá)。（二）植物中的蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶（protein phosphotase，PP）與蛋白激酶在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用相反，主要功能是使磷酸化的蛋白質(zhì)去磷酸化，當(dāng)糖原磷酸化酶在蛋白激酶作用下磷酸化而被“激活”時(shí)，則在蛋白磷酸酶的作用下脫磷酸化而“

45、失活”，所以有人把蛋白激酶和蛋白磷酸酶對(duì)生物體內(nèi)蛋白質(zhì)磷酸化和脫磷酸化作用稱(chēng)為生物體內(nèi)的“陰陽(yáng)反應(yīng)”。正是這種相互對(duì)立的反應(yīng)系統(tǒng)，才使得生物體內(nèi)的酶、離子通道等成分，在接收上游傳遞來(lái)的信號(hào)時(shí)通過(guò)蛋白激酶適時(shí)激活，一旦完成信號(hào)接收或傳遞后及時(shí)失活，不至于造成生物體內(nèi)出現(xiàn)持續(xù)性激活或失活的現(xiàn)象。相對(duì)于蛋白激酶，蛋白磷酸酶的研究較晚。越來(lái)越多的證據(jù)表明蛋白磷酸酶在植物細(xì)胞生命活動(dòng)中具有重要的作用，蛋白質(zhì)的磷酸化幾乎存在于所有的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。植物細(xì)胞中約有30%的蛋白質(zhì)是磷酸化的，真核生物有近2000個(gè)蛋白激酶基因和1000個(gè)蛋白磷酸酶基因，約占基因組的3%。擬南芥中目前估算約有1000個(gè)基因編碼激酶

46、，300個(gè)基因編碼蛋白磷酸酶，約占其基因組的5%。在單子葉植物玉米和雙子葉植物矮牽牛、擬南芥、油菜、苜蓿、豌豆也已克隆到蛋白磷酸酶基因，并在多種植物中發(fā)現(xiàn)其活性并可能參與植物的一些重要功能。已有初步工作表明蛋白磷酸酶參與了ABA、病原、脅迫及發(fā)育信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。三、反應(yīng)反應(yīng)是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最后一步，所有的外界刺激都能引起相應(yīng)的細(xì)胞反應(yīng)，不同的外界信號(hào)細(xì)胞的生理反應(yīng)也不同，有些外界刺激可以引起細(xì)胞的跨膜離子流動(dòng)，有些刺激引起細(xì)胞骨架的變化，還有些刺激引起細(xì)胞內(nèi)代謝途徑的調(diào)控或細(xì)胞內(nèi)相應(yīng)基因的表達(dá)。整合所有細(xì)胞的生理反應(yīng)最終表現(xiàn)為植物體的生理反應(yīng)。根據(jù)植物感受刺激到表現(xiàn)出相應(yīng)生理反應(yīng)的時(shí)間，植物的生

47、理反應(yīng)可分為長(zhǎng)期生理效應(yīng)和短期生理效應(yīng)。如植物的氣孔反應(yīng)、含羞草的感振反應(yīng)、轉(zhuǎn)板藻的葉綠體運(yùn)動(dòng)、棚田效應(yīng)等這些反應(yīng)通常屬于短期生理效應(yīng)。而對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)說(shuō)，絕大部分都屬于長(zhǎng)期生理效應(yīng)，如光對(duì)植物種子萌發(fā)調(diào)控、春花作用和光周期效應(yīng)對(duì)植物開(kāi)花的調(diào)控等。另外，由于植物生存的環(huán)境因子非常復(fù)雜，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的某一個(gè)階段，常常是多種刺激同時(shí)作用，此時(shí)植物體所表現(xiàn)的生理反應(yīng)就不僅僅是各種刺激所產(chǎn)生相應(yīng)生理反應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加，由于細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間存在相互作用，又稱(chēng)信號(hào)系統(tǒng)之間的“交談”（cross talk）,形成了細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)植物體通過(guò)整合感受這些不同的外界刺激信號(hào)

48、后，最終表現(xiàn)出植物體適應(yīng)外界環(huán)境的最佳的生理反應(yīng)。圖7-13 植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)輪廓（參照張繼澍1999，略有修改）總結(jié)本節(jié)的內(nèi)容，整個(gè)植物細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑可以簡(jiǎn)單用圖7-13來(lái)概括。如果把受體比喻為“檢測(cè)器”的話，負(fù)責(zé)信號(hào)的接受和檢出；那么G蛋白就相當(dāng)于“轉(zhuǎn)換器”，控制信號(hào)的時(shí)間和空間，既決定了GTP的水解速度，還決定了效應(yīng)物被激活的時(shí)間，不僅使輸入的信號(hào)被放大了，同時(shí)起到了信號(hào)計(jì)時(shí)器的作用；而G蛋白下游的磷脂酶C（PLC）或腺苷酸環(huán)化酶（AC）相當(dāng)于效應(yīng)器，使信號(hào)產(chǎn)生最終的效果；至于蛋白激酶和蛋白磷酸酶則相當(dāng)于調(diào)諧器，修飾信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中成員的活性狀態(tài)。小 結(jié)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是指細(xì)胞感受、轉(zhuǎn)導(dǎo)各

49、種環(huán)境刺激從而調(diào)節(jié)自身代謝反應(yīng)的生理過(guò)程。植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究?jī)?nèi)容主要包括：研究植物細(xì)胞感受、耦合各種胞內(nèi)外刺激（初級(jí)信號(hào)），并將這些胞外信號(hào)轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)信號(hào)（次級(jí)信號(hào)），通過(guò)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)系統(tǒng)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的生理生化變化，包括細(xì)胞內(nèi)部的基因表達(dá)變化、酶的活性和數(shù)量的變化等，最終引起植物細(xì)胞甚至植物體特定的生理反應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和分子機(jī)制。植物細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為：刺激與感受信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)反應(yīng)三個(gè)重要的環(huán)節(jié)。細(xì)胞外的信號(hào)刺激主要包括胞外環(huán)境信號(hào)和胞間信號(hào)，胞外信號(hào)的感受通過(guò)細(xì)胞表面的受體和質(zhì)膜內(nèi)受體所感受。植物細(xì)胞表面的受體主要包括：離子通道連接受體、酶連受體和G蛋白偶聯(lián)受體。胞外信號(hào)通過(guò)細(xì)胞膜轉(zhuǎn)換為細(xì)胞內(nèi)信號(hào)