生长素的生物合成以及其在植物发育中的作用.doc

生长素的生物合成以及其在植物发育中的作用关键词：拟南芥，色氨酸，YUCCA, TAA1，黄素单加氧酶摘要：高等植物中最主要的生长素，即吲哚-3-乙酸（IAA），对植物的生长和发育具有不可估量的作用。植物和一些植物病原体能够产生生长素进而调节植物的生长。尽管我们对一些植物病原体中合成生长素的基因和生化反应已有了很好的了解，但是对植物产生生长素机制的阐明是困难的。迄今为止，关于生长素的从头合成，还没有一个完整的信号通路被学术界普遍认同。然而，最近的研究，发现了色氨酸依赖的生长素合成途径中的几个基因。最近的发现也证明，局部生长素的合成在很多发育过程中起着重要作用，如配子形成，胚胎发育，幼苗生长，维管的形成，以及花的发育等过程。最这篇综述中，我总结了关于剖析生长素生物合成途径的最新进展，以及如何理解生长素的生物合成，为分析植物发育机制提供一个关键的角度。前言生长素被认定为一种植物生长激素，因为它能够通过刺激不同的生长来应答光刺激。在体外，含有生长素的琼脂块可以刺激燕麦胚芽鞘的生长，因此我们认定吲哚-3-乙酸（IAA）是植物体内自然存在的主要生长素。为植物提供IAA或合成的生长素，可以对植物的生长发育产生巨大的改变。很多关于生长素的生理作用的知识，来自于对植物如何对施加的外源生长素产生反应的研究。然而，关于生长素生物学，一个同样重要的方面是，有发育缺陷特征的植株是有生长素缺乏引起的，对生长素的合成途径没有一个清晰的理解就不可能解决上述问题。与了解生长素信号和运输方面的巨大进步相比，我们对植物中生长素是如何产生的更加了解。对生长素生物合成的分子和生化机制的阐明，将会对生长素在植物发育中的作用的定义产生很大影响。尽管在生长素生物学中它的价值是明显的，但是对植物学家来说生长素的生物合成仍然是一个难以实现的目标。直到最近，才用分子遗传学方法鉴定了几个从头合成生长素的关键基因。植物体中生长素的生物合成极其复杂。从头合成的生长素产品很可能和许多途径有关。可以通过水解分裂IAA的氨基酸、IAA的糖、IAA的甲基酯，把IAA从其结合物中释放出来。此外，尽管对生长素的生物合成来说，植物共享一个在进化上保守的核心机制，然而，不同的植物种类可能有其独特的策略和变通来完善它们自身IAA的生物合成。在这片文章中，我单独讨论了色氨酸依赖的生长素合成的机制。关于色氨酸非依赖的生长素合成途径讨论以及生长素的共轭/修正，我们可以在别处找到。我集中介绍一下拟南芥中被识别的生长素合成基因，也简要的讨论一下与之相关的其它种的研究。我也用两个例子来证明，生长素合成方面的有关知识为解决植物发育的关键问题提供遗传学基础。来自植物病原体中生长素合成的知识植物病原体，例如农杆菌属可以产生生长素来挟持植物细胞从中获取营养物质。假单胞杆菌属和脓杆菌属的菌体可以用一个名为iaaM的色氨酸-2-单加氧酶使色氨酸转变为吲哚-3-乙酰胺（IAM），IAM随后被iaaH水解酶水解为IAA。iaaM/iaaH途径是目前为止我们知道的仅有的一条完整的色氨酸依赖的IAA合成途径。通常认为植物不能用iaaM/iaaH途径来合成生长素。然而，IAM存在于植物提取物中，并且已经表明在吲哚-3-乙醛肟转变为IAA时，IAM充当一个关键的中间体。此外，在拟南芥中已经识别了一个将IAM水解为IAA的酰胺酶家族，表明植物中IAM可能是IAA生物合成的中间体。然而，植物中产生IAM的生化反应仍然没有被发现。对iaaM/iaaH途径的阐明是剖析植物中生长素合成最新进展的关键。细菌的iaaM基因也能够提供一个有用的方法来操纵转基因植物中生长素的水平。在矮牵牛花、烟草和拟南芥中，iaaM基因可以独自超标达，这会导致过量产生生长素表型的植株出现，这表明植物体内含有水解IAM的酶。当在光下培育时，转基因的拟南芥通过CaMV 35S启动子的调控使iaaM基因超表达，这种植株要比野生型植株高的多。iaaM的超标达线定义了拟南芥中过度产生生长素的特点，因此为辨别植物中生长素合成基因提供了特征。IaaM基因的组织特异性表达使局部生长素的供应成为可能，这就为证明在生长素合成中黄素单加氧酶家族所起的作用，提供了一个关键性的证据。通过吲哚-3-丙酮酸（IPA）途径色氨酸也可以产生生长素，这个途径是在一些微生物中发现的。并不像iaaM/iaaH途径，微生物中的IPA途径并没有完全被了解。IPA脱羧酶可以催化IPA转化为吲哚-3-乙醛，并且这种脱羧酶已经从下水道肠杆菌和固氮螺菌中克隆出来，但是在微生物中，负责把色氨酸转变为IPA的基因和把吲哚-3-乙醛转化为IAA的酶最后还没有被识别。来自于与微生物的IPA脱羧酶在植物体内是否具有功能，对此我们还没有进行研究。最近，包括把色氨酸转化为IPA的酶已经在拟南芥中被分离出来。微生物体系对鉴别其它的基因是非常有用的，这些基因包括植物中的IPA途径中的基因。例如，从植物cDNA文库中筛选基因可以互补微生物中IPA脱氢酶的功能，这可能有助于确定拟南芥中IPA途径的下一个步骤。对生长素合成的早期分子遗传学研究关于生长素生物合成的早期生理学研究已经做了全面地评估。生理和稳定同位素标记研究确定在植物体内，色氨酸是从头合成生长素的前体物质。此外，到目前为止，所有在微生物中被确定的生长素合成途径都是色氨酸依赖的。因此，早期对生长素合成的分子遗传学研究主要集中于对色氨酸缺失突变体的研究是合理的。令人惊讶的是，在野生型和色氨酸突变体中，游离IAA的水平没有什么不同。事实上，营养缺陷型色氨酸突变体确实产生了更多的IAA复合物。与IAA的测量结果一致，IAA分析实验所用的拟南芥的色氨酸突变体并没有表现出很大的发育上的缺陷，但是在一些已知的pin1和monopteros生长素突变体中以发现这种缺陷。用15N标记的邻氨基苯甲酸和2H5标记的色氨酸做进一步的喂养实验产生了一个假设，即在拟南芥和玉米中，主要通过一条色氨酸非依赖的途径产生IAA。尽管早期对色氨酸突变体的研究是有意义的，但是它们不能确定植物中负责生长素合成的基因。此外，色氨酸突变体实验的解释并不直接。我们很难确定色氨酸突变体的生长缺陷，是否是由合成蛋白、生长素、其它的色氨酸代谢物或者是几个过程的结合出问题所引起的。早期生长素研究中所用的色氨酸突变体并不是真正的色氨酸缺失突变体，因为这些突变体仍然可以长生一些色氨酸。这种残留的色氨酸合成活动，可能会使生物化学的分析实验变得更复杂。在色氨酸突变体中，为了不同的代谢途径而输出的色氨酸可能也会发生改变。通过对拟南芥的遗传学研究确定生长素合成的途径没有报告提出进行有系统的遗传筛选，可以在任何一个系统中分离生长素缺失突变体。部分原因是因为缺乏与生长素缺失有关的发育症状方面的知识。因此，并没有明显的生长素缺失特征可以被作为遗传筛选。另一个困难是由生长素合成中的遗传冗余造成的。和通过几条色氨酸依赖途径合成一样，生长素也可以通过色氨酸非依赖途径合成。最近被鉴定的生长素合成基因都属于基因家族，这就解释了在拟南芥中，为什么没有从许多有发育缺陷的筛选中得到生长素缺失突变体。包括邻氨基苯甲酸在内的一些色氨酸合成突变体已经分离出来，而且是从弱的耐乙烯突变体筛选中和茉莉酸甲酯敏感型突变体筛选中分离得到的。苯甲酸合酶激素耐受性表型突变体（asa1/wei2和asb1/wei7）是通过生长素生产缺陷植株得到的。近来，一株水稻的由于色氨酸缺失而变得矮小的突变体tdd1能够编码苯甲酸合酶的亚组，还发现tdd1中IAA水平降低，并且其花和胚胎的发育存在严重缺陷。已经被鉴别的邻氨基苯甲酸合酶突变体证明，在植物发育中生长素起着十分重要的作用，但是这种突变体并没有很好的解释色氨酸转变为IAA的机制。对第一个关键的色氨酸依赖的生长素合成基因的鉴定，起源于对拟南芥中几个生长素超表达突变体特性的研究。对生长素超表达突变体的分析，使我们识别了两条色氨酸依赖的IAA合成路线。具有避阴和乙烯应答缺陷性质的突变体，已经确定了一种转氨酶，这种转氨酶对产生吲哚-3-丙酮酸（IPA）是十分重要的。IAOx和硫代葡萄糖苷途径这个途径的发现是由于对superroot1（sur1）、superroot1（sur2）和CYP79B2超表达株系这三个生长素超表达突变体研究。CYP79B2和它的近源同系物CYP79B3可以把色氨酸转变为IAOx，然后SUR1和SUR2再把IAOx转化为吲哚葡萄糖苷。sur1是第一个在拟南芥中被鉴定的生长素超表达突变体，sur1表现出惊人 的发育缺陷。在光下生长的sur1幼苗有长的下胚轴和偏上的子叶，然而在黑暗处生长的sur1幼苗则有短的下胚轴并且没有顶钩。此外，sur1从下胚轴处长出大量的不定根。SUR1能够编码C-S裂解酶 ，其可以催化S-烷基硫代氧肟转变成硫代肟基酸，这个反应是合成吲哚葡萄糖苷的一个关键步骤。SUR1的失活破坏了葡萄糖苷的生物合成，可以导致包括IAOx在内的上游中间物的积累。鉴于sur1是隐性突变且是一个功能缺失的等位基因，sur1的生长素超表达表型可能是由于汇集了过量的IAOx来合成IAA造成的。像sur1一样，sur2也会从下胚轴处产生许多不定根。sur2表现出的表型和sur1相似。SUR2编码的细胞色素P450 CYP83B1蛋白，这种酶能够把IAOx合成1-硝基-2-吲哚乙烷。SUR2界定从IAOx到吲哚硫代葡萄糖苷的第一步。功能缺失突变体sur2/cyp83B1组织了从IAOx产生硫代葡萄糖苷的转变过程。导致了合成IAA的IAOx量的增加。不像sur1和sur2，是隐性和功能缺失突变体，失活的CYP79B2不能引起生长素的过量产生。相反的是拟南芥中CYP79B2的超表达将会导致生长素的过量产生。CYP79B2是作为一种代谢色氨酸的酶，从拟南芥cDNA文库筛选中分离得到的，在酵母中这种酶可以耐受5-甲基色氨酸。CYP79B2可以在体外催化催化色氨酸转变为IAOx。拟南芥中CYP79B2的超表达可能会导致IAOx的过量产生，进而增加了合成IAA的IAOx的输出量。IAOx途径进一步的证据来源于对cyp79B2 cyp79B3双功能突变体的观察，在这种突变体中我们可以看到比野生型更低的游离IAA水平，以及在高温下与低生长素水平相一致的表型。进一步的证据支持IAOx途径存在于asa1/wei2和asa1/wei7突变体中，这两种突变体是色氨酸合成缺失突变体，在一定程度上可以抑制sur1和sur2的表型，大概通过减少从色氨酸到IAOx的量，从而使sur1和sur2突变体中的IAOx恢复到正常水平。从CUP19B2/B3中产生的IAOx很可能不是植物中IAA合成的主要途径，有几个原因可以证明。第一，在像水稻和玉米这样的单子叶植物中并没有发现IAOx。第二，在水稻和玉米中没有发现CUP19B2和CUP19B3的直系同源物，而在拟南芥双突变体cyp79B2 cyp79B3中也没有检测到IAOx的水平。第三，双突变体cyp79B2 cyp79B3的表型和其它的生长素信号或运输突变体相比，更加的令人难以捉摸。在拟南芥中，IAOx可以被转变为IAA,这建立在已经观察到的sur1、sur2和CUP19B2超表达株系这三种突变体表型的基础上，但是IAOx转变为IAA的精确地生化合成机制还没有找出来。从理论上看，IAOx可以被用来生产吲哚-3-乙腈（IAN）和吲哚-3-乙醛，然后再分别用乙腈和乙酸氧化酶转化为IAA，最近对双突变体cyp79B2 cyp79B3的生化分析表明，IAM很可能也是IAOx转变为IAA的一个很重要的中间体，但是把IAM转变为IAA的基因和酶还没有被发现。YUC途径 拟南芥突变体yucca已经被分离出来，是从用激活标签筛选具有光信号缺失和长的下胚轴的突变体中分离出来的。但是很快意识到很可能是yuc1-D改变了激素的内稳态，而不是光信号改变的，因为在所有波长的光下它都有长的下胚轴。yuc1D的表型和那些已知的过量产生生长素的突变体非常相似。另外的证据进一步证明yuc1D的确是一个生长素过量产生的突变体。弱的yuc1D的等位基因和野生型相比有超过50的自由IAA，在外源植物激素部存在时，yuc1D的外植体突变体能产生大量的根。在yuc1D突变体中已知的生长素诱导基因是上调的。iaaL的超表达物和游离的IAA共轭形成赖氨酸，一定程度上可以抑制yuc1D基因。此外，yuc1D对如5-甲基色氨酸的有毒色氨