植物生理專題 2015 激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)課件

1、內(nèi)容: 合成(信號(hào)的產(chǎn)生)、運(yùn)輸(胞間信號(hào)傳遞)、感受(受體)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和應(yīng)答(細(xì)胞反應(yīng))Binding to receptorProduction of active hormoneSignal transductionDownstream effectsHTransportDownstream effectsTranscriptionNon-genomic effects (e.g. Ion channel regulation)SynthesisBreakdownHHConjugationDe-conjugationProtein phosphorylationProtein depho

2、sphorylationPProteolysisAuxin regulates plant developmentWolters, H., and Jrgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: 305317.Inhibit branching in the shootPromote branching in the rootLateral organ initiation at the s

3、hoot apical meristemMaintain stem cell fate at the root apical meristemPatterning and vascular development 發(fā)現(xiàn) 極性運(yùn)輸 生長(zhǎng)素受體 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)第一節(jié)、生長(zhǎng)素 (Auxin)生長(zhǎng)素的許多效應(yīng)是通過(guò)改變基因表達(dá)而引發(fā)Wolters, H., and Jrgens, G. (2009). Survival of the flexible: Hormonal growth control and adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet.

4、10: 305317.Genes controlling cell growthGenes coordinating other hormone response pathwaysGenes involved in signaling一、發(fā)現(xiàn)：Site of responseSite of signal perceptionCharles Darwin studied the way seedlings bend towards light, a direct effect of auxin actionColeoptile drawing from Darwin, C., and Darwi

5、n, F. (1881) The power of movement in plants. Available online.Darwin concluded that a signal moves through the plant controlling growth“We must therefore conclude that when seedlings are freely exposed to a lateral light some influence is transmitted from the upper to the lower part, causing the la

6、tter to bend.”Coleoptile drawing from Darwin, C., and Darwin, F. (1881) The power of movement in plants. Available online. Photograph of Darin statue by Patche99z植物體內(nèi)生長(zhǎng)素水平的調(diào)節(jié)1) 通過(guò)IAA合成速率的調(diào)節(jié)；2) 通過(guò)與大分子量的和低分子量的化合物結(jié)合，形成無(wú)活性的絡(luò)合物； 3) 通過(guò)IAA降解速率的調(diào)節(jié)；4) IAA在細(xì)胞中的區(qū)域化(如在液泡)以及運(yùn)輸，調(diào)節(jié)細(xì)胞液中游離IAA的水平。三、生長(zhǎng)素的運(yùn)輸：極性運(yùn)輸：只能從形態(tài)學(xué)

7、上端向形態(tài)學(xué)下端運(yùn)輸。Redrawn from Robert, H.S., and Friml, J. (2009) Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: 325-332.極性運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)滲透學(xué)說(shuō):Auxin is a charged anion (IAA-) in the cytoplasm (pH 7). In the more acidic cell wall (pH 5.5) some is uncharged (IAAH). The uncharged form crosses the pl

8、asma membrane into the cell where it is deprotonated and unable to exit other than through specific transporters.IAA- + H+IAAHCytoplasm pH 7IAA-IAAHIAA- + H+Cell wall pH 5.5IAA- 的向外運(yùn)輸是通過(guò)內(nèi)部負(fù)向膜電勢(shì)所驅(qū)動(dòng)3. 在細(xì)胞質(zhì)中(pH7)，IAA解離成IAA-，堆積在細(xì)胞質(zhì)中；1. 以IAAH形式通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散作用或以IAA-形式通過(guò)共向運(yùn)輸體進(jìn)入細(xì)胞；2. 細(xì)胞壁通過(guò)質(zhì)膜H+-ATP酶保持酸性；4. 通過(guò)IAA-外運(yùn)

9、載體逃逸出去.IAA極性運(yùn)輸?shù)幕瘜W(xué)滲透模型酸生長(zhǎng)學(xué)說(shuō)IAA與質(zhì)膜上的受體結(jié)合，經(jīng)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)， 增強(qiáng)質(zhì)膜H+-ATPase活性，把H+運(yùn)送到初生細(xì)胞壁， 降低細(xì)胞壁的pH值，使細(xì)胞壁酸化， 使某些對(duì)酸不穩(wěn)定的鍵(如氫鍵)斷裂，并激活降解細(xì)胞壁的酶和活化擴(kuò)展蛋白，使多糖分子之間聯(lián)系松弛，細(xì)胞壁更容易伸展（可塑性增加），引起細(xì)胞壓力勢(shì)降低，水勢(shì)降低，細(xì)胞吸水，促進(jìn)細(xì)胞的縱向擴(kuò)大（即細(xì)胞伸長(zhǎng)生長(zhǎng)）。 證據(jù)：1）IAA促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的效應(yīng)是很快的，從處理到發(fā)揮效應(yīng)的時(shí)間大約是10分鐘，同時(shí)伴隨著細(xì)胞壁的酸化；2）在中性緩沖液中，即使有IAA，細(xì)胞伸長(zhǎng)也會(huì)受到抑制；3）在無(wú)IAA的酸性緩沖液中，仍然可促進(jìn)

10、細(xì)胞的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)。生長(zhǎng)素促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)的酸生長(zhǎng)學(xué)說(shuō)模型1.生長(zhǎng)素受體植物生長(zhǎng)素的研究已有100 多年，但生長(zhǎng)素受體到底為何物一直是懸而未決的問(wèn)題。生長(zhǎng)素受體是研究生長(zhǎng)素信號(hào)傳導(dǎo)鏈的最重要環(huán)節(jié)，近幾十年來(lái)人們對(duì)它的研究始終未曾放松過(guò)，并經(jīng)歷了曲折而漫長(zhǎng)的探索過(guò)程。在這個(gè)探索過(guò)程中，大體上有兩條線路。第一條：生長(zhǎng)素結(jié)合蛋白ABP(auxin binding protein)的研究 根據(jù)存在位置，命名為：ABP1（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)）、ABP2（質(zhì)膜）和ABP3（液泡膜）ABP1是最早被認(rèn)為最可能是生長(zhǎng)素受體候選者(Batt et al.1976)。幾十年來(lái)無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證明：?jiǎn)?、雙子葉植物中都發(fā)現(xiàn)ABP1同系物；且都參

11、與生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的細(xì)胞伸長(zhǎng)和分裂等過(guò)程。如：一些類生長(zhǎng)素物質(zhì)的生物活性與其在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的結(jié)合活性呈正相關(guān)；用NAA處理煙草葉肉質(zhì)體在1-2分鐘就導(dǎo)致質(zhì)膜超極化；如果事先加入ABP1抗體，則抑制質(zhì)膜超極化，說(shuō)明ABP1參與了生長(zhǎng)素誘導(dǎo)質(zhì)膜超極化過(guò)程。但這些仍不能說(shuō)明ABP1 是生長(zhǎng)素的受體。第二條路線：蛋白質(zhì)降解途徑的研究上世紀(jì)末期，在研究生物體內(nèi)泛素-蛋白酶體參與的蛋白質(zhì)降解途徑中，發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)素可引起某些蛋白質(zhì)降解、從而激活有關(guān)基因的表達(dá)。但對(duì)生長(zhǎng)素如何啟動(dòng)有關(guān)蛋白降解知之甚少。Ruegger等(1997)篩選到一種生長(zhǎng)素運(yùn)輸受到抑制的擬南芥突變體，從中分離到TIR1基因，其產(chǎn)物稱之為運(yùn)輸抑制劑響應(yīng)蛋

12、白1(transport inhibitor response protein 1，TIR1)，但他們1998年證實(shí)，TIR1在生長(zhǎng)素運(yùn)輸中并不起作用。生長(zhǎng)素受體TIR1的發(fā)現(xiàn)TIR1是含有F-box的蛋白質(zhì)。F-box是一個(gè)蛋白質(zhì)與另一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合的特征性結(jié)構(gòu)域，因此推測(cè)TIR1的作用可能是生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的一個(gè)成員。Gray等(2001)發(fā)現(xiàn)TIR1可直接與Aux/IAA蛋白結(jié)合并啟動(dòng)其降解。之前人們就注意到Aux/IAA蛋白是參與生長(zhǎng)素誘導(dǎo)的生理反應(yīng)中特異的蛋白成分。Aux/IAA是高等植物中普遍存在的一類蛋白，分子量20-30 kD。擬南芥中有29個(gè)編碼Aux/IAA蛋白質(zhì)的基因。Au

13、x/IAA屬于早期的生長(zhǎng)素反應(yīng)基因，大部分基因的轉(zhuǎn)錄受生長(zhǎng)素的上調(diào)。生長(zhǎng)素受體TIR1的發(fā)現(xiàn)2005年用放射性標(biāo)記證明：3HIAA結(jié)合于SCFTIR1復(fù)合體(泛素連接酶3)上，即生長(zhǎng)素受體存在于SCFTIR1復(fù)合體上。植物中的SCFTIR1 復(fù)合體包括CUL1、ASK1、RBX1和TIR1，前3種蛋白是SCF復(fù)合體所共有，且在植物和動(dòng)物中都相當(dāng)保守。隨后證明生長(zhǎng)素是和TIR1、而不是和Aux/IAA蛋白結(jié)合，即生長(zhǎng)素受體是TIR1、而非Aux/IAA蛋白。在一定IAA濃度范圍內(nèi)TIR1與Aux/IAA蛋白的結(jié)合能力隨著IAA 濃度的提高而加大，表明TIR1與Aux/IAA蛋白結(jié)合是依賴于生長(zhǎng)素

14、的。二者的結(jié)合在加入生長(zhǎng)素5min后就發(fā)生，20min后二者的結(jié)合達(dá)到飽和(Yang 2004)。2005年Nature連續(xù)有兩篇論文(Dharmasiri等2005a; Kepinski和Leyser 2005)給出了明確的答案：認(rèn)為TIR1就是人們長(zhǎng)期尋找的植物生長(zhǎng)素受體。生長(zhǎng)素與TIR1的結(jié)合可促進(jìn)TIR1與Aux/IAA的結(jié)合生長(zhǎng)素與TIR1結(jié)合誘發(fā)AUX/IAA蛋白泛素化，并進(jìn)一步被蛋白酶體降解解除AUX/IAA蛋白抑制，轉(zhuǎn)錄因子活化SCFTIR1IAAIAAARFAux/IAA1. Auxin binds to SCFTIR1 and Aux/IAA2. Aux/IAA ubiqu

15、itinated and degraded by 26S proteasome3. Degradation of repressor permits transcriptional activation by ARF transcription factorsARF生長(zhǎng)素解除AUX/IAA蛋白抑制，轉(zhuǎn)錄因子活化RNA聚合酶泛素蛋白酶體TIR1介導(dǎo)的生長(zhǎng)素信號(hào)傳遞途徑根據(jù)轉(zhuǎn)錄因子的不同，生長(zhǎng)素誘導(dǎo)基因可分為：早期基因(或初級(jí)反應(yīng)基因)：其表達(dá)是被原來(lái)已有的轉(zhuǎn)錄因子活化刺激所致，所以使用外源蛋白質(zhì)合成抑制劑不能抑制早期基因的表達(dá)。其表達(dá)所需時(shí)間很短，從幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)。5大基因家族類：AUX/IA

16、A基因家族、SAUR基因家族、GH3、類GST基因家族、ACC合成酶家族。早期基因上必須有能被生長(zhǎng)素激活的啟動(dòng)子才能被誘導(dǎo)表達(dá)。這些啟動(dòng)子上具有能被生長(zhǎng)素活化的轉(zhuǎn)錄因子及直接或間接結(jié)合的區(qū)域，即生長(zhǎng)素響應(yīng)元件(ARF)，調(diào)節(jié)早期基因表達(dá)。早期基因（初級(jí)反應(yīng)基因）在沒(méi)有IAA的條件下，ARF與AUX/IAA蛋白質(zhì)結(jié)合形成不活化的異源二聚體，抑制ARF和其它早期基因的轉(zhuǎn)錄，無(wú)生長(zhǎng)素效應(yīng)。加入IAA后，活化的泛素連接酶把AUX/IAA蛋白質(zhì)破壞、降解，形成活化的ARF同源二聚體，與早期基因啟動(dòng)因子ARF結(jié)合，活化轉(zhuǎn)錄，引起生長(zhǎng)素的響應(yīng)，表現(xiàn)出生理反應(yīng)。晚期基因（次級(jí)反應(yīng)基因）某些早期基因編碼的蛋白能

17、夠調(diào)節(jié)晚期基因的轉(zhuǎn)錄；晚期基因轉(zhuǎn)錄對(duì)激素的反應(yīng)是長(zhǎng)期反應(yīng)；因?yàn)橥砥诨蛐枰匦潞铣傻鞍踪|(zhì)，所以其表達(dá)能被蛋白質(zhì)合成抑制劑所抑制。第二節(jié)、赤霉素(GAs)- 植物高度的調(diào)節(jié)劑一、發(fā)現(xiàn)和結(jié)構(gòu)特征 1926.研究水稻惡苗病中發(fā)現(xiàn)，由赤霉菌分泌物引起水稻徒長(zhǎng)； 1935.從Gibberella fujikuroi分理出這種物質(zhì)（赤霉素）； 1959：確定化學(xué)結(jié)構(gòu)，命名為GA1, GA2, GA3雙鍵、羥基數(shù)目和位置不同形成了各種赤霉素；按碳原子總數(shù)可分為: C19赤霉素: 種類多，生理活性高；GA1，GA3, GA7, GA30, GA38. C20赤霉素: 種類少，生理活性低或沒(méi)有活性；二、赤霉素的

18、分布、運(yùn)輸和水平調(diào)節(jié)1. 分布：莖端、嫩葉、根尖、發(fā)育中的種子和果實(shí)、萌發(fā)中的種子的含量較高，也是合成GA的主要部位。種子成熟后，活性赤霉素水平很低。運(yùn)輸沒(méi)有極性。2. 植物體內(nèi)GAs水平的調(diào)節(jié)： a.GAs的降解通過(guò)羥基化作用被轉(zhuǎn)變成非活性物質(zhì); b.GAs與其它物質(zhì)結(jié)合轉(zhuǎn)變成無(wú)活性的束縛型GAs，是運(yùn)輸和貯藏主要形式。 c.在植物中高活性的GAs可以轉(zhuǎn)變成低活性的GAs。三、GAs的主要生理作用1.GAs促進(jìn)植物莖節(jié)生長(zhǎng)，特別是對(duì)矮生突變植物(dwarf)：矮變植物合成GAs的途徑受阻，因而缺乏足夠的GAs，表現(xiàn)出矮化現(xiàn)象。外施GA就可以刺激生長(zhǎng)。GAs主要作用于已有的節(jié)間伸長(zhǎng)，而不是促進(jìn)

19、節(jié)數(shù)增加。用GA處理，顯著促進(jìn)整株莖的伸長(zhǎng)。不存在超最適濃度的抑制作用。赤霉素促進(jìn)莖節(jié)伸長(zhǎng)的作用機(jī)理矮變種玉米的形成是因?yàn)槿狈κ蛊渌问紾As轉(zhuǎn)變成GA的酶、也可能是缺乏GAs受體或GAs信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑某個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生了突變引起的。玉米矮生突變種中，只有GA控制著莖的伸長(zhǎng)；控制GA合成的基因綠色革命基因Distinguished plant breeder and Nobel LaureateNorman Borlaug 1914-200920世紀(jì)作物產(chǎn)量的巨大增加(“綠色革命”)是由于不斷增加的化肥使用和半矮化品種的引入。這些半矮化品種將能量更多地用于籽粒生產(chǎn)而不是莖稈生長(zhǎng)，并且更健壯和抗倒伏。P

20、hotos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.一些綠色革命基因影響GA合成Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd. (Nature) Sasaki, A., et al. (2002) Green revolution:A mutant gibberellin-synthesis gene in rice Nature 416: 701-702, copyright 2002.; Olszewski, N., Sun, T.p.,

21、and Gubler, F. (2002) Gibberellin sgnaling: Biosynthesis, catabolism, and response pathways Plant Cell 14: S61-S80.Semidwarf rice varieties underproduce GA because of a mutation in a the GA20 oxidase biosynthetic gene.Wild-typeSemidwarfActiveGA促進(jìn)莖節(jié)伸長(zhǎng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑Low GANo transcriptionGA receptorDELLA prot

22、einGA-responsive transcription factorGADELLAHigh GATranscriptionGrowth promotionProteolysisDELLA 蛋白抑制生長(zhǎng)，部分是由于抑制了轉(zhuǎn)錄過(guò)程。GA 激活DELLA 蛋白的水解。Reprinted from Davire, J.-M., de Lucas, M., and Prat, S. (2008) Transcription factor interaction: a central step in DELLA function. Curr. Opin. Genet. Devel. 18: 2953

23、03.凡是影響DELLA蛋白穩(wěn)定性的基因就是一個(gè) “green revolution” 基因The wheat Rht1 locus encodes a DELLA protein. The dwarf allele lacks the DELLA domain and resists proteolysis.GADELLAWild-typeTranscriptionGADwarf rht1Rht1rht1rht1Reprinted by permission of Macmillan Publishers, Ltd. Peng, J., et al. (1999) Green revolution genes e