解读生长素受体种类及其参与的信号传导机制

陈建坤

(安徽省临泉第一中学)

植物激素对植物体的生命活动起到重要的调节作用,一直是学者研究的热点。作为信号分子,生长素和其他激素一样,需要通过与其受体特异性结合以进行信号传导,从而对植物细胞内基因组的表达进行调节,进而影响植物体的生长发育。不同的植物激素都有各自的受体和作用机制。人教版新教材选择性必修1第5章第1节《植物生长素》一节中明确提出生长素作用需要受体参与:生长素首先与细胞内某种蛋白质——生长素受体特异性结合,引发细胞内发生一系列信号转导过程,进而诱导特定基因的表达,从而产生效应[1]。本文对生长素受体的种类及信号转导机制之间的联系进行阐述,旨在为更深入地学习提供参考。

1.IAA的合成、运输与降解

吲哚-3-乙酸(IAA,如图1[1])是生长素类最主要的一种植物激素。植物体内除了IAA外,还存在其他的生长素类物质,如苯乙酸(PPA)、吲哚丁酸(IBA)。生长素在植物体内的合成部位主要是叶原基、嫩叶和发育中的种子。成熟的叶片和根尖也产生生长素,但数量甚微[2]。如图2[3]所示,植物可以通过多条途径将色氨酸转变为IAA,也可以通过非色氨酸依赖途径合成IAA。这些途径通常用关键的中间产物来命名,其中吲哚-3-丙酮酸途径是IAA生物合成的主要途径。生长素在植物体内有两种不同的存在状态:游离态生长素具有生理活性;而与氨基酸、糖类、肌醇等化合物结合的结合态生长素,没有生理活性。结合态生长素可水解释放出游离态IAA。

图1

图2 生物合成过程(仿武维华,2018)

IAA浓度过高会对细胞产生毒害作用,细胞可以通过多种途径将其降解:酶促反应和光氧化。前者又可分为脱羧降解和非脱羧降解;后者是指在强光下,体外生长素在核黄素催化下被光氧化生成吲哚醛等物质。

生长素广泛存在于高等植物体各个器官和部位,相对集中地分布在生长旺盛的部分。高等植物体内的生长素的运输方式主要有极性运输和非极性运输。极性运输是以载体介导的主动运输过程,主要发生在胚芽鞘、幼茎、幼根的薄壁细胞之间,是一种短距离运输,对生长素的不对称分布起关键作用。在成熟组织中,生长素通过韧皮部进行非极性运输,运输方向取决于两端有机物浓度差等因素。

2.生长素受体参与的信号传导途径

生长素反应分为早期反应和晚期反应,前者包括膜上离子的流动,后者包括细胞伸长、细胞分裂以及胚胎形成[2]。两者反应都有基因表达的参与,分为早期基因和晚期基因。早期基因的表达是原有基因活化刺激所致,晚期基因表达需要重新合成蛋白质。生长素与受体的特异性结合是生长素进行信号传导的第一步。目前研究最多的生长素受体是运输抑制剂响应蛋白1(TIR1)和生长素结合蛋白1(ABP1)。

2.1 依赖于受体TIR1的生长素信号转导途径

TIR1最早是从具有抑制生长素运输能力的拟南芥突变体中分离出来的。这类蛋白位于细胞中,具有F盒(F-Box)序列,是负责蛋白质降解的SCF蛋白复合体的组分之一[2]。TIR1富含亮氨酸重复序列,由内外两层结构组成。内层在结合了肌醇六磷酸辅因子(InsP6)后形成单一开口的空腔,生长素可结合于空腔的内部。生长素作为一种“分子胶水”通过填充TIR1内表面的疏水空穴而增加TIR1与底物Aux/IAA的作用,并使Aux/IAA肽段结合在生长素的顶部[4]。

在依赖于TIR1的生长素信号转导途径中,生长素控制生长素诱导基因的转录,整个过程与多种调节因子有关。生长素响应因子(ARF)是能与生长素早期反应基因启动子区的顺式作用元件特异性结合的一类转录激活因子,在植物的生长素信号调控中发挥关键作用。Aux/IAA蛋白是生长素响应因子(ARF)转录活性的抑制因子。当没有生长素或生长素浓度较低时,Aux/IAA蛋白能够与ARF结合形成异源二聚体,抑制ARF功能,进而阻止早期基因的转录,所以表现为无生长素效应。当细胞内生长素浓度升高时,生长素与受体TIR1结合后,在ATP供能的情况下,泛素连接酶激活,促使与ARF结合的Aux/IAA蛋白被泛素化降解,释放出ARF,解除Aux/IAA蛋白对ARF的抑制作用。被释放激活的ARF可形成同源二聚体,与生长素早期反应基因启动子区的生长素响应元件结合,从而触发下游信号转导和基因表达。此外,Aux/IAA基因也是ARF的靶向基因,因此生长素对Aux/IAA在转录水平和蛋白稳定性方面有双重作用。

2.2 依赖于受体ABP1的生长素信号转导途径

植物体内存在不依赖TIR1参与,生长素快速产生效应的现象,如质膜超极化、调节PIN1的内吞转运、迅速诱导大约一千种蛋白质的磷酸化等。这些证据表明生长素还存在一种快速、非转录反应参与的信号传导机制。

ABP1是一种在植物体内广泛存在的糖蛋白。ABP1分子的C-末端具有定位到内质网的信号序列(KDEL);N-末端有一个疏水氨基酸构成的信号序列,有利于ABP1在内质网膜间的运输。ABP1蛋白结构中存在着A框、B框和C框三个高度保守结构域,其中A框和C框可能与生长素结合位点有关[5]。

ABP1主要分布在内质网膜上,也有少量存在细胞质膜上、高尔基体或者附近细胞壁中。虽然内质网上存在着大量的ABP1,却不与生长素结合,只有质膜上的ABP1才能与生长素发生反应。当受到生长素刺激后,大量闲置在内质网上的ABP1会转移到质膜上,与质膜上的一种跨膜类受体蛋白激酶TMKs结合,在细胞表面形成ABP1/TMKs受体复合体。ABP1/TMKs受体复合体通过激活相应效应因子,介导全局磷酸化反应和生长素通道化,从而调控细胞骨架的动态变化[6]或引发质膜上的离子通道(如H+-ATP酶质子泵的激活)构象发生变化,出现早期生长素反应。例如,用NAA处理烟草叶肉原生质体,在短短1～2 min内就导致质膜超极化;如果事先加入ABP1抗体,则可抑制质膜超极化,这就说明ABP1参与了生长素诱导质膜超极化的生理过程[2]。研究表明,ABP1在酸性条件下,对生长素的结合敏感性更高。在pH为5.0～5.5时,ABP1与生长素结合活性最高;而在pH>6时,ABP1就会逐渐丧失结合活性[4]。

2.3 两种受体之间的对比

通过对比两种受体介导的信号转导过程,可以看出两种生长素受体所介导的信号转导机制存在着明显的不同。其一,质膜上的ABP1受体与生长素结合后,可通过引起质膜上离子通道的变化,快速引发后续的级联反应,主要介导生长素早期反应。而细胞内的TIR1受体与生长素结合后,引起Aux/IAA蛋白通过泛素途径被降解,激活ARF,启动一系列生长素反应相关基因的表达,从而使生长素反应顺利进行,偏向于介导生长素晚期反应。其二,对生长素的选择性亲和活性所依赖的pH不同。TIR1更倾向于与IAA结合,ABP1则倾向于与NAA结合。大豆的ABP1与1-NAA结合作用的最适pH是5.0～5.5(细胞表面pH5.0～6.0);拟南芥中TIR1与IAA级联实验的pH为7.2～7.5(细胞核pH7.2～7.6)[7]。其三,两种受体分布区域不同。

同时可以发现,TIR1和ABP1对于生长素的选择性和亲和活性与其对应的细胞区域是一致的,因而可以推断ABP1是位于细胞表面的生长素受体,而TIR1是位于细胞核区域的生长素受体[7]。

3.习题再现

(1)生长素(IAA)主要促进细胞的伸长,而细胞壁的弹性非常小,影响细胞的伸长。科学家根据“酸生长理论”和“基因活化学说”提出IAA对细胞伸长的作用机理如图3。下列说法正确的是

图3

( )

A.生长素与细胞膜受体结合后可通过Ca2+引发H+以被动运输的方式向外运输

B.酸性条件下细胞壁的纤维素微丝伸长使细胞壁对细胞的压力减小,引起细胞横向生长

C.活化因子与生长素结合使相关基因在细胞核内表达,合成mRNA和蛋白质

D.生长素的调节作用依赖于细胞内的信息传递,体现了细胞结构和功能的联系

(2)实验表明,IAA的短距离运输以细胞到细胞的方式进行,且输入与输出细胞的载体不同,其中输出与PIN蛋白相关。PIN蛋白会通过胞吐(依赖于生长素应答因子ARF)输出IAA,如图4表示此过程的部分作用机制。下列有关叙述不正确的是

图4

( )

A.GNOM(一种蛋白)活性增强会促进PIN蛋白胞吐

B.TPL与AUX/IAA蛋白结合物含量升高,不利于IAA的输出

C.IAA、AUX/IAA与TIR1蛋白结合,促进IAA输出

D.IAA浓度高时有利于其输出,所以其运输方式为被动运输

答案:(1)D (2)D

(1)解析:图示依据“酸生长理论”和“基因活化学说”提出IAA对细胞伸长的作用机理,“酸生长理论”是指生长素与细胞膜受体结合可通过Ca2+引发H+以主动运输的方式向外运输;酸性条件下细胞壁的纤维素微丝伸长使细胞壁对细胞的压力减小,引起细胞纵向生长;“基因活化学说”是指活化因子与生长素结合使相关基因在细胞核内转录并在细胞质中翻译。

(2)解析:分析题图可知,GNOM蛋白质促进PIN通过胞吐输出IAA;低IAA浓度时,TPL与AUX/IAA蛋白和ARF形成的异源二聚体结合,抑制ARF的释放,无ARF促进PIN的胞吐,不利于IAA的输出;高浓度IAA与细胞核TIR1复合体结合,将AUX/IAA蛋白降解,释放出ARF,进而促进后续反应;PIN蛋白会通过胞吐(依赖于生长素应答因子ARF)输出IAA。

目前,关于生长素受体相关研究仍在不断深入。关于两种受体信号转导的具体过程和反应,研究还不够全面具体。而且仅靠这两种受体还不能较为系统地构建生长素受体反应体系,仍需要进一步研究发现新的生长素受体,以完善生长素信号转导机制。

2022年9—10月,Nature杂志在线发表了两篇与生长素受体有关的研究论文:第一篇论文利用磷酸化蛋白组学技术对拟南芥的根进行研究,明确表明ABP1是基于TMK1的细胞表面信号传导的生长素受体,它介导全局磷酸化反应和生长素通道化[8]。另一篇的研究成果:生长素受体TIR1/AFBs除了具有E3泛素连接酶活性以外,还具有腺苷酸环化酶(AC)活性,且腺苷酸环化酶(AC)活性对于生长素诱导的转录调控至关重要[9]。我们应该时刻关注最新的研究动态,不断丰富知识体系。