油菜素内酯调控植物生长发育的研究进展

摘要：油菜素内酯类化合物（brassinosteroids．BRs）是第六大类植物激素，对植物生长发育及逆境胁迫响应具有重要的调控作用。自1970年被发现至今，人们在BRs的生物学功能、结构及生物合成、信号转导通路和其对农作物重要农艺性状调控等方面研究取得一系列重要进展。本文就BRs生物合成途径、BRs信号转导通路及其对植物生长发育的调控机制等方面研究成果进行综述，并对其未来发展和研究方向进行展望。

关键词：油菜素内酯类化合物：生物合成途径：信号转导通路：生长发育：调控机制

中图分类号：S482.8 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024） 08-0173-08

油菜素内酯类化合物（brassinosteroids，BRs）是甾醇类激素，是目前发现的第六大植物激素。高等动物只能在特定的组织器官合成甾醇类激素物质，而植物几乎所有组织都具有甾醇类激素合成能力，具有更高的灵活性，便于结合自身生物学特性来适应多变的环境条件。BRs在植物开花、授粉、结实、种子萌发、器官发育和衰老以及光形态建成等生长发育的各个重要环节中起调控作用。BRs与生长素、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸及茉莉酸等多种植物激素存在相互作用及调节。近年来，人们发现BRs对小麦、水稻等重要粮食作物的产量性状以及番茄、油菜、大白菜等园艺作物的食用器官形状、大小和品质等重要农艺性状的形成有重要调控作用，相关研究取得许多重要突破。有学者预测，BRs将成为实现新一轮绿色革命的主力军。本文对以往有关BRs生物合成途径、BRs信号转导通路及其对植物生长发育的调控机制等方面研究进行综述，并对其未来发展和研究方向进行展望。

1 BRs的发现及其生物合成途径

1.1 油菜素内酯的发现

油菜素内酯是一类多羟基化的植物固醇类激素，在植物的整个生长发育过程中起着至关重要的作用。油菜素内酯从1970年被发现至今，已有50年的历史。在这期间的一系列研究表明，这一新发现的植物激素结构上近似于动物的类固醇激素，能够促进细胞伸长和分化、光形态建成、木质部分化，调节衰老、雄株的育性、花粉发育和果实成熟，调节植物响应多种环境信号以及生物和非生物逆境等。1970年，Mitchell等从大量的花粉中，提取到一种活性物质油菜素（bras-sms，BR），发现其具有不同于赤霉素的促进菜豆第二节间伸长的功能，这一提取物促进菜豆节间生长的能力强于生长素吲哚乙酸，与细胞分裂素无关。核磁共振分析认为油菜素是含有脂肪酸脂类的物质，被认为是一种新的植物激素。直到1979年，Grove等从227 kg的油菜花粉中提取了10 mg的活性物质，经过色谱层析提纯后，用X射线衍射鉴定其化学结构，确认其为3个己烷环及一个环戊烷稠合而成的甾醇类化合物，被正式命名为油菜素内酯（brassinolide，BL）。之后，又有一类甾酮类植物激素被鉴定，且认为是BL合成的直接前体，命名为栗甾酮（castasterone，CS）。迄今为止，植物领域已经发现70余种油菜素内酯类化合物，统称为油菜素内酯类化合物（Brassinosteroids，BRs）。目前已发现的BRs中分布最广泛数量最多的是CS，而活性最高的是C-6位被氧化成酯键的BL。大多数BRs的化学结构、生物合成途径、功能和信号转导途径已经被解析。

1.2 油菜素内酯的生物合成

人们借助长春花（Catharanthus roseus L.）悬浮细胞系的BRs代谢研究系统以及菊芋、水稻和拟南芥油菜素内酯的生物合成途径各类突变体，通过饲喂标记中间物并利用GC/MS分析代谢产物，揭示了植物体内BRs的生物合成途径。BRs合成途径包括C-22氧化途径、C-6氧化途径、早期C-22氧化途径与晚期C-6氧化途径等。第一阶段，经乙酰辅酶A-甲羟戊酸-异戊烯基焦磷酸-焦磷酸香叶基酯-焦磷酸法呢酯，由环烯醇合成菜油甾醇（campesterol．CR）。第二阶段分为两类：一类是依赖菜油甾醇的早期C-6和晚期C-6氧化途径，其中早期C-6氧化路线为在C-22氧化之前先进行C-6氧化，即菜油甾醇经过加氧、6a-羟化、氧化生成6-氧菜油甾烷醇，经羟化生成茶甾酮，经脱羟基、再羟化为香蒲甾醇，进而转化为油菜素甾酮、油菜素内酯，而晚期C-6氧化途径为在C-6氧化之前使C-22羟基化，活性较低的6-脱氧长春固酮可通过后期C6氧化途径转变为活性较高的BL;另一类是独立于菜油甾醇的早期C-22氧化途径，通过DIVF4使C-22羟基化。

2 BRs信号转导通路

2.1 油菜素内酯受体激酶BRI1

BRII（brassinosteroid insensitive l）是一个跨膜的丝氨酸／苏氨酸依赖性受体激酶，是BR的特异性受体。它属于富含亮氨酸重复序列的膜受体激酶（LRR-RKs）的蛋白大家族，这一家族在拟南芥中发现有223个成员，在番茄中有234个成员，在水稻中有将近400个成员。LRR-RKs是植物细胞表面受体的主要组成部分，在感知细胞外信号以及调控植物发育过程中是必不可少的，同时参与植物地上部分生长发育和根部分生组织的保持等。与大多数典型的膜受体相同，BRI1蛋白包括胞外域、跨膜区以及胞内激酶域三个部分。BRI1胞外部分含有25个富含亮氨酸的重复序列。这个重复序列与其它LRR-RKs具有很高的同源性，在BRI1形成二聚体复合物时发挥重要作用。在这个区域的第21个和第22个重复序列之间，有一个包含70个氨基酸残基的“氨基酸岛”，这一结构为BRI1所特有，是BRI1结合配基BRs的区域，是其行使信号转导功能必不可少的。此外，BRI1还包括一个单一的跨膜区域和胞质内具有丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶活性的结构域，最近研究发现，PHB3可以与BRI1和BAK1相互作用，参与BR的信号转导。

2.2 油菜素内酯共受体激酶BAKI

BAK1（BRI1 -associated kinase 1）是油菜素内酯膜激酶受体BRI1的共受体，它与BRI1同属于LRRRKs家族，也是一个丝氨酸／苏氨酸依赖性蛋白激酶。与BRI1类似，BAK1具有典型的膜激酶受体结构，包含5个LRR重复序列的胞外区，单一的跨膜区和细胞质内的激酶区。2002年，Nam、Li等分别独立通过激活标签法和酵母双杂交法克隆了BAK1基因，并验证了BAK1参与BR信号转导的功能。后来，Wang等研究表明，在BR信号转导过程中，BRI1与BAK1形成异源二聚体，BAK1通过与BRI1连续相互的交互磷酸化作用，提高BRI1的活性，活化的BRI1再磷酸化激活下游组分，从而实现BR路径信号的放大与传递。在拟南芥中，以野生型为背景过表达BAK1会导致植物器官的伸长，叶片、叶柄变得更长、更窄，这与过表达BRI1的表型相似。而BAK1基因完全无功能突变体会表现出半矮化的表型，株高降低，莲座叶变小变圆，叶柄变短，对油菜素内酯的敏感度降低。BAK1又称为SERK3（somatic embryogenesis receptor ki-nase 3），最初研究发现其在植物体细胞胚发生过程中，参与发育调控作用，其共有5个同源基因，另外4个同源基因分别命名为SERK1、SERK2、SERK4（又称为BKK1）、SERK5。有研究报道，SERK1、SERK2、SERK3和SERK4蛋白也参与BR信号转导功能：BAK1和BKK1参与光下幼苗死亡调控。大量研究表明，BAK1作为一个明星分子，与FLS2、BIK1、BIRs、PEPR1/2等抗病相关蛋白相互作用，参与植物抗病免疫的多个过程。最近研究发现，BAK1在协同BRI1参与糖介导的生长发育调控和植物响应光诱导H2O2清除方面发挥作用。

2.3 油菜素内酯信号转导途径

拟南芥中油菜素内酯合成酶分布于内质网上，因此，油菜素内酯很可能是在内质网上合成的。油菜素内酯合成后，由内质网运输到质外体中，从而与其位于细胞膜上的受体BRI1相结合。最新研究发现ABCB19是BR的跨膜运输蛋白，填补了该领域的关键空白。当植物感知BR时，BR与BRI1的胞外域以及BAK1/SERK1/BKK1通过配基结合的方式形成复合体，从而导致BRI1的胞外域以及胞内域发生重排，使其自磷酸化，从而具有基本活性。当BL浓度低、BRI1缺失或BAK1/SERK1/BKK1三者同时敲除时，无法形成正常复合体，BR信号将无法转导。

当细胞中BR配基分子浓度低时，BRI1激酶活性一方面受自身C末端自磷酸化位点的抑制，另一方面BKI1在质膜与BRI1相互作用，抑制BAK1与BRI1形成异源二聚体，进而抑制BRI1的激酶活性。BKI1是BR信号转导中重要的负向调控因子之一，其是通过酵母双杂交的方法筛选得到的BRI1的互作组分。BKI1与BRI1的互作，抑制了BRI1的激酶活性，从而抑制了BRI1与BAK1的互作。与BKI1的功能相类似，BIR3（BAK1-intreacting receptor-like kinases 3）也抑制BAK1蛋白或SERK1等其他SERK同源蛋白与BRI1蛋白的结合。BIN2是BR信号转导路径中另一个重要的调控因子。BIN2编码一个糖原合成激酶3（GSK/shaggy-like kinase）。细胞中BR浓度低时BIN2处于具有激酶活性的磷酸化状态，通过其羧基末端的12个氨基酸与转录因子BES1/BZR1互作，并将其磷酸化。磷酸化后的BZR1和BES1被磷酸化肽段结合蛋白14-3-3结合经蛋白酶体降解，转录抑制子BZR1蛋白减少，从而失去对BRs合成基因DWF4、CPD、DET2等表达的抑制，使得BRs水平提高。此外，BESI和BZRI也通过与一个BROADCom-plex/Tramtrack/Bric．A．Brac家族蛋白BSS1（BRZ-sensitive-short hypocotyl 1）相互作用以维持非活性状态。

当细胞中BR配基分子浓度高时，BRs与BRI1的胞外“岛”域和第22个LRR相结合，使BRI1显示出基础的激酶活性。具有初始活性的BRI1招募BAK1，与BAK1结合后将BAK1部分磷酸化位点S290、T312、T446、T449、T450、T455激活，激活状态的BAK1反过来又将BRI1一些位点磷酸化，完全激活其活性。之后BRI1和BAK1相互作用，并激活受体激酶BRI1活性，激活后的BRI1使BKI1的S270和S274位点磷酸化，之后磷酸化的BKI1与BRI1分离。磷酸化激活后的BRI1紧接着会通过磷酸化激活其下游一系列底物如BSKs（BR signaling kinases），CDG1（constitutive differential growth l）和CDLI等，从而通过磷酸化的级联信号放大，将油菜素内酯信号传递到下游。BSK1是通过双向电泳和质谱技术鉴定到的BRI1的互作组分，BSKs属于胞质激酶（receptor-like cytoplasmic kinases， RLCK），BRI1能将其S230位点磷酸化，从而将其激活。通过后期遗传学试验证实其位于BSU1（bril suppressors 1）上游，并与之相互作用。CDG1和CDL1同样属于胞质激酶，BRI1能够与CDG1的激酶结构域结合，从而将其磷酸化激活，激活后的CDG1具有调节BSU1的功能。激活后的BSKs/CDG1/CDL1复合体使得BSU1激活。BSUI是磷酸化蛋白质磷酸酶（phosphoproteinphosphatases，PPPs） ，激活的BSUI将糖原合成激酶BIN2的Tyr200位点去磷酸化，导致BIN2被蛋白酶体降解。之后，蛋白磷酸酶PP2A使BZR1和BES1去磷酸化，BZR1在细胞核中积累，诱导BRs合成基因的转录，BES1也在细胞核中积累，并与其它转录因子一起，在细胞核中激活BR诱导的调控植物生长发育的基因表达。

3 BRs对植物生长发育的调控机制研究

3.1 促进植物生长发育

BRs能在植物的整个生命周期中调节生长发育，其参与的主要生命过程包括植物下胚轴伸长、开花调控、叶片衰老、花粉发育以及根的生长发育等。其作用机理主要是通过促进细胞壁松弛及细胞伸长等细胞的生长，从而促进根的生长、叶片的展开、叶柄的伸长等。例如，当在培养基中添加1 μmol/L 24-表油菜素内酯（EBR），植株生长得到显著恢复，下胚轴伸长、叶柄增长、叶面积明显增加；大豆苗期喷施油菜素内酯，能显著促进其上胚轴、节间以及叶柄的伸长；水稻的BRs合成突变体brd1在无菌条件下极度矮化，呈现出叶鞘极短、叶片短而卷曲以及分蘖量很少的表型，当外源喷施100 nmol/L BL时，植株生长恢复到野生型水平：对番茄幼苗外源喷施EBR试验表明，油菜素内酯能提高番茄幼苗株高、叶片叶绿素含量和净光合速率。

3.2 促进植物的光合作用

BR具有促进植物光合作用的直接证据，EBR可通过提高Calvin循环中的酶活性从而分别对光合作用光反应和碳水化合物代谢起反向和正向的调控作用。有报道表明，BR通过诱导光合基因表达和1，5-二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶（Rubisco）活力来提高Rubisco的羧化速率、初始活力及1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）再生速率，引起CO，同化速率和叶绿体电子传递速率的变化，从而改变植株的光合作用。此外，外源施加BL也能显著促进光下大豆下胚轴和上胚轴的伸长，抑制黑暗条件下上胚轴的伸长，且在生长后期抑制大豆叶片衰老。外源施加油菜素内酯可以缓解盐碱胁迫对羊草光合系统和抗氧化酶系统的破坏。胺鲜酯和油菜素内酯复配使用可以有效提高油用牡丹生理特性及籽粒产量。

3.3 提升植物的逆境防御能力

随着BRs信号路径研究的深入，目前已有大量文献报道：在水稻、玉米、大豆等主要农作物及苹果、番茄、黄瓜等多种果蔬作物中，油菜素内酯类物质的外源施用可以提高植物的抗氧化酶活性以及去毒能力，稳定膜系统的结构功能，维持较高的能量代谢，调节细胞内生理环境，促进正常的生理生化代谢，以提高作物对高温、低温、弱光、高盐、干旱、重金属污染以及农药等多种非生物逆境的抗性。EBR的外源施用能够促进盐胁迫植株中可溶性糖、游离氨基酸、脯氨酸、有机酸和各种大量必需无机离子的累积，且大幅降低Na+和Cr的水平，从而使作物的逆境耐性增强。干旱胁迫下外源EBR通过诱导辣椒叶片抗氧化酶活性增加，增强细胞的抗氧化酶活性，减轻干旱造成的膜脂过氧化伤害，增强辣椒幼苗的耐旱性。弱光胁迫下，番茄叶面积、比叶面积、茎叶夹角、茎叶垂角以及垂度均显著提高，不利于光合作用进行。喷施EBR后，以上指标均降低，且番茄幼苗的表观量子效率、暗呼吸速率、羧化效率以及Rubisco含量得到提高，光合性能得到改善，有效缓解了弱光胁迫对番茄幼苗的伤害。Kagale等研究表明，外源施用EBR能诱导一系列干旱以及冷胁迫下抗性基因的表达，从而增强拟南芥和甘蓝型油菜对干旱以及冷胁迫的抗性。Xia等研究发现，外源喷洒BRs处理黄瓜后，参与农药降解的基因（如P450和GST）表达和酶活性都得到提高，这些基因调控合成的蛋白酶将农药降解转化为水溶性物质或低毒无毒物质，或被直接排出体外，使植物体内农药残留比未处理的降低了30％- 70％。王红红等研究报道，BRs处理可降低植物的蒸腾量，减少对药剂的吸收量以及减轻对作物叶片光合作用的抑制，从而消除和大大减轻施用西草精、丁草胺等除草剂或杀虫剂引起的药害。在高温逆境环境下，BRs通过其信号转导路径中的BZRI（brassinazole resistant 1）转录因子在核内的积累，从而诱导PIF4等促进生长的基因的表达，最终提高植物的抗热性。

3.4 增强植物对病原菌的抵抗能力

外源施用油菜素内酯能提高植物对多种病原菌的抗性。野生型烟草喷施BL后，对病毒性病原烟草花叶病毒（tobaccomosalc vlrus，TMV）、细菌性病原丁香假单胞菌（Pseudomonas synngae pv.tabaci，Pst）以及真菌性病原粉孢子（Oidium sp.）的抗性均有增强。BL通过诱导水稻叶片内几丁质酶基因的表达，增强其叶片细胞间隙液中几丁质酶的活性，加速几丁质的分解从而增强水稻对病毒病、细菌病害以及真菌病害的广谱性抗性。大白菜软腐病是大白菜生产上的主要病害，喷施EBR后，大白菜的感病植株与对照组相比降低25. 8％。用0.01 -0.15 mg/L BRs浓度处理小白菜5d能显著降低小白菜霜霉病的病情指数，处理组植株的株高以及鲜重、干重均显著高于对照。外源低浓度EBR还可以提高番茄对根结线虫的抗性，而高浓度EBR的施用会抑制植株的抗性，增强番茄植株的感病性。

4 展望

近50年来对油菜素内酯的研究取得长足进展，油菜素内酯在调控植物生长和光合作用及植物抗生物／非生物逆境等方面也展现出重要作用。近年来有关油菜素内酯调控小麦、水稻等主粮作物产量和品质等重要目标性状形成的分子机制研究获得重要突破，展示其将成为新一轮绿色革命主力军的美好前景，可成为创建下一代绿色革命品种的理想靶标。然而，在此过程中仍有一系列挑战需要克服。例如，在育种实践中如何避免油菜素内酯多效性带来的副作用，这不但需要进一步挖掘更多的油菜素内酯天然突变体，而且还需创建更多的人工优异等位变异，用于精确高效地创建理想作物新品种。

此外，目前油菜素内酯合成及其在促进植物生长的直接信号转导路径研究已较透彻，而油菜素内酯如何参与光合作用及植物对生物／非生物逆境抗性的分子机理仍不够明晰。明确油菜素内酯合成和信号转导及其与光合作用、植物生物／非生物逆境调控等功能之间的关系，绘制油菜素内酯功能庞杂的分子机制网络仍需要更多研究人员参与，这也将为其他植物激素功能研究提供直接有效的参考。

基金项目：国家自然科学基金面上项目（32172591，31972430）；济南市“新高校20条”创新团队项目（202228058）；旱区作物逆境生物学国家重点实验室开放课题（CSBAA202207）；山东省农业科学院农业科技创新工程项目（CXGC2021817，CXGC2022F20，CXGC2023G25）；2022年泰安市良种工程项目；山东省重点研发计划项目（软科学项目）（2023RZB06046）；山东省创新发展研究院智库项目（2023CFYZK007）