生长素受体及作用机制解读

陈建坤

(安徽省临泉第一中学 安徽阜阳 236400)

植物激素对植物体的生命活动起到重要的调节作用。不同的植物激素都有各自的受体和作用机制。作为信号分子,生长素需要通过与其受体特异性结合进行信号传导,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。相较于旧版教材,人教版新教材《选择性必修1·稳态与调节》第五章第一节“植物生长素”中新增了生长素受体的相关知识: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。那么生长素的受体都有哪些种类?是否像动物激素受体一样,分布在质膜外侧或者细胞内?生长素与受体特异性结合后,又是如何影响基因组的表达,进而调节植物体的生命活动?下文将综述生长素受体的种类及受体之间的联系,为更深入的教学研究提供参考。

1 生长素

生长素(IAA)是发现最早的植物激素,也是研究者关注最多的一种植物激素。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)和吲哚丁酸(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,成熟的叶片中和根尖也会产生生长素,但数量甚微。目前已知植物体合成生长素的途径有两种:依赖于色氨酸的途径和非依赖于色氨酸的途径。生长素在植物体内有两种不同的存在状态:能够自由移动的称为自由生长素,与其他化合物(如糖、氨基酸)结合的称为束缚生长素。自由生长素具有生理活性,而束缚生长素没有生理活性,且二者可以相互转变。高等植物体内生长素的运输方式主要有极性运输和非极性运输。其中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;在成熟组织中,生长素可通过韧皮部进行非极性运输,运输方向取决于两端有机物的浓度差等因素。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。

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。在生长素引发的信号转导过程中,第一步是生长素与受体的特异性结合。近年来,科学家利用生物化学和分子生物学等相关研究手段,在拟南芥等材料中都证实了生长素受体的存在。目前研究最多的生长素受体是生长素结合蛋白1(ABP1)和运输抑制剂响应蛋白1(TIR1)。

2 生长素结合蛋白1(ABP1)

ABP1 是一种在植物体内广泛存在的糖蛋白。研究表明,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。ABP1 主要分布在内质网膜上,也有少量的存在细胞质膜上、内膜系统中、细胞核中及细胞壁中,但只有质膜上的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停泊蛋白结合。

生长素结合于ABP1 的一个疏水性口袋中,在这个口袋的深处三个组氨酸和一个谷氨酸共同结合一个锌原子,生长素的羧基与锌原子结合,其芳香环与包括151 位的色氨酸在内的疏水基团集合,第2 位与155 位的半胱氨酸之间形成二硫键。当生长素与质膜上ABP1 的疏水区结合后,会引发质膜构象的改变,质膜上的离子通道发生变化,出现早期生长素反应,进而引发后续的信号转导级联反应。例如,用NAA处理烟草叶肉原生质体,在短短1—2 min 就导致质膜超极化;如果事先加入ABP1 抗体,则抑制质膜超极化,这就说明ABP1 参与了生长素诱导质膜超极化的生理过程。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。

3 运输抑制剂响应蛋白1(TIR1)

TIR1 蛋白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。TIR1 蛋白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蛋白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。

TIR1 蛋白介导的生长素信号转导与多种调节因子有关。生长素响应因子(ARFs)是指一类能与生长素早期反应基因启动子中的生长素应答元件TGTCTC序列特异性结合的转录因子,能调节生长素反应基因表达的转录激活或抑制因子。ARF 就是一种重要的生长素响应因子,具有转录激活效应。Aux/IAA 是被生长素快速诱导表达基因的一种,其产物Aux/IAA 蛋白是一种定位到细胞核的短命蛋白。典型的Aux/IAA 蛋白具有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4 个保守的氨基酸序列基序,结构域Ⅰ、Ⅱ位于N 端,而结构域Ⅲ和Ⅳ位于C端。其中,结构域Ⅰ有着强大的转录抑制作用,结构域Ⅱ是Aux/IAA 蛋白与TIR1 的结合位点,结构域Ⅲ和Ⅳ可与ARF 结合形成异源二聚体,抑制ARF 活性,从而抑制引发与生长素有关的反应。

当没有生长素或生长素浓度较低时,Aux/IAA 蛋白相对稳定,并且能够与ARF 蛋白结合形成异源二聚体,抑制ARF 功能。当细胞内生长素浓度升高时,生长素与TIR1 结合后,再与结合了ARF 的Aux/IAA蛋白结合,转移到SCF 蛋白复合体上。在ATP 供能的情况下,复合体上Aux/IAA 蛋白被泛素化,再被SCF 中蛋白酶降解,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,并通过其N 端的DNA 结合结构域DBD(DNA binding do-main)结合生长素早期应答基因启动子区的生长素响应元件(auxin response element,AuxRE),从而触发下游信号转导和基因表达。

4 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。质膜上的ABP1 受体与生长素结合后,通过引起质膜上离子通道的变化,引发后续的级联反应,主要介导生长素的早期反应。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,偏向于介导生长素的晚期反应。另外研究表明,TIR1 受体和ABP1 受体还存在两方面区别:(1)对生长素的选择性不同;TIR1 更倾向于与IAA 结合,ABP1 则倾向于与NAA 结合。(2)亲和活性所依赖的pH 值不同;大豆的ABP1与1-NAA 结合作用的最适pH 是5.0—5.5,而拟南芥中TIR1 与IAA 级联实验的pH 为7.2—7.5。

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。