植物内源激素信号转导途径PPT课件.ppt

1 乙烯调节的生物学过程 乙烯对植物的生长发育和代谢的调节可以贯穿整个生活周期 在种子萌发时 乙烯可以引起下胚轴的膨胀变粗 使幼苗容易破土而出 乙烯对陆生植物茎的伸长有抑制作用 使其树干变粗 抵抗狂风侵袭 对半水生植物的茎有强烈的促进作用 可以帮助被水淹的植物维持生命 可以抵抗病菌对植物的侵袭 在植物成熟时 影响其性别的分化并促进果实的成熟 在花和叶片的衰老过程中起作用 最常提及的还是乙烯的特异生物学反应 即 三重反应 乙烯促进豌豆黄化幼苗下胚轴膨胀变短 茎杆偏向水平生长 顶端钩状芽弯曲加剧 三重反应可以用于乙烯的生物学鉴定和乙烯反应突变体的筛选 利用这一方法 已经鉴定和分离了许多乙烯合成及信号转导突变体 其中拟南芥的乙烯突变体对于乙烯信号转导的研究作出了很大贡献 1 乙烯调节的生物学过程 续 植物中 乙烯诱导的反应可以受多个层次水平的调节 如 乙烯的合成乙烯信号的感知乙烯信号的转导转录水平的调节等 植物对乙烯反应的不同层次水平 已经发现 伤害刺激 病菌侵染 厌氧状态 果实成熟 发育与衰老等生理过程 以及乙烯本身的处理均能诱导植物产生乙烯 即乙烯的合成受环境信号诱导 2 乙烯的感知 乙烯的生理学研究表明 在纳摩尔水平乙烯就可以产生生物学效应 说明在细胞中存在着高亲和力的受体 植物具有较强的乙烯检测能力 乙烯的作用效果决定于 细胞检测乙烯浓度变化的能力 与受体有关 把乙烯信号转变成生理反应的能力 信号转导途径 3 乙烯受体与双组分调节系统 乙烯受体是一个具有完整跨膜结构的受体家族 乙烯受体ETR1蛋白 是从拟南芥的突变体中克隆的乙烯受体家族中的一个成员 拟南芥的etr1突变体是乙烯不敏感型 植株的所有部位 包括种子 根 茎 叶片及下胚轴都丧失了对乙烯的应答能力 其饱和乙烯的结合量只有野生型的1 50 拟南芥乙烯受体基因 etr1基因有7个外显子 6个内含子 编码区为2786个碱基 ETR1蛋白有738个氨基酸 分子量约为82 5kDa 其氨基酸序列表明 它与细菌中的受体超家族同源性高 1997 后者被称为双组分调节系统 3 乙烯受体与双组分调节系统 双组分系统是由2种不同的蛋白质组成 一种是传感器 另一种是反应调节组分 3 1细菌中的双组分系统 双组分系统 传感器 反应调节组分 胞外传入区 细胞质的组氨酸激酶结构域 可以直接与配体信号直接作用 组氨酸残基发生自身磷酸化作用 接受区 输出区 含有一个保守的天冬氨酸残基 独立蛋白 下游信号 感受器具有两个区域 细胞外的传入区和细胞质的组氨酸激酶结构域 感受器的传入区可以直接与配体信号直接作用 当传入区接受外界信号时 组氨酸激酶结构域内的一个组氨酸残基可发生自身磷酸化作用 3 1双组分系统 反应调节组分由一个接受器和一个具有转录激活作用的输出区组成 接受器区含有一个保守的天冬氨酸残基 上述自我磷酸化后的磷酸基团可通过一个独立蛋白转给此天冬氨酸残基 而接受器区的磷酸化状态可通过输出区 影响下游的反应 传感器 反应调节组分 3 乙烯受体与双组分调节系统 ETR1蛋白在同一多肽上含有传感器和反应调节组分两种结构域 3 2乙烯受体ETR1蛋白 其传感器的C端包含了与组氨酸激酶结构域同源的序列 有自身磷酸化的能力 但是没有找到与原核生物传入区同源的结构 进一步的研究发现 ETR1的前128个氨基酸 N末端的三个跨膜区 是乙烯结合必需的 特别是第二个跨膜区的半胱氨酸 这个氨基酸突变会使植株完全失去乙烯结合活性 ETR1蛋白 传感器 反应调节组分 胞外传入区 C端组氨酸激酶结构域同源序列 接受区 输出区 3 3乙烯受体中的Cu2 与ran1突变体 Cu2 参与了乙烯信号转导途径 ETR1可以结合Cu2 而Cu2 受体复合体是乙烯结合必需的 已知银离子是乙烯反应的抑制剂 实验发现银可以与受体结合 并促进受体与乙烯的结合 但这种结合不能引起受体与铜结合时的构象变化 不能将信号转导到下游的效应器上 RNA1蛋白参与了植物中的铜离子的运输 也参与了乙烯的识别 第二节脱落酸 ABA 作用的信号转导机理 1 概述 脱落酸 abscisicacid ABA 作为一种重要的植物激素 在气孔调节 种子成熟 萌发以及环境胁迫反应中起着极其重要的作用 ABA参与基因表达的调控过程 通过对ABA特异反应启动子的研究 已经发现了众多ABA反应的顺式作用元件和反式作用因子 大量证据表明 胞内 Ca2 浓度及pH cADP核糖 H2O2 蛋白质可逆磷酸化等 都在ABA信号途径中发挥着重要作用 2 胁迫反应与ABA信号转导 2 1胁迫诱导的根源ABA的产生 逆境胁迫信号会在感受部位 如根 诱导胞间逆境信使 ABA 的合成 但ABA合成的启动因子是什么还没有定论 推测可能的启动因子有 水势阈值 膨压 细胞溶剂敏感物质等 有人推测根系细胞膜表面有渗透感受器 2 2根源ABA在木质部中的运输 植物感受部位诱导合成了ABA以后 必需经过传输 到达作用位点 才能被靶器官识别 ABA在根系合成以后必需迅速运到木质部 随着木质部蒸腾流运输到地上部 研究证明 根系合成的ABA可以迅速向木质部输送 其原因是 植物细胞质膜对质子化的ABA ABAH 有很高的透性 但对离子态的ABA ABA 透性很低 这使得ABA极易向碱性区域移动 而水分胁迫可以导致木质部汁液pH升高 使木质部碱化 结果造成ABA由共质体向质外体释放 使ABA迅速流向木质部 木质部的ABA能够很快运输到地上部 2 3根源ABA在叶片中的分布 通常情况下 根源ABA运输到地上部会引起气孔关闭 但有时木质部汁液和叶片中ABA浓度很高 气孔导性变化不大 这可能与ABA的分布以及植物对ABA的敏感性有关 植物对ABA 感受 的敏感性由以下几个方面决定 1 作用位点ABA的量 2 ABA受体的数量 3 ABA与受体的亲和力 4 ABA与受体发生识别后 后面各级信息传递体的活化状态等等 其中作用位点ABA的量是关键 实验证明 根源合成的ABA可以迅速到达叶片 在气孔密布的下表皮积累 并分布于保卫细胞和表皮细胞质外侧 直接影响气孔的运动 2 3根源ABA在叶片中的分布 续 2 4根源ABA对地上部的调节作用 ABA除了调节气孔开关外 对光合作用 叶片的生长 叶片细胞壁弹性调节和渗透调节能力都有影响 如 ABA可以通过气孔限制与非气孔限制影响光合作用 叶片中ABA浓度的增加会抑制叶片的生长 叶片细胞壁弹性调节和渗透调节对维持细胞膨压具有重要作用 ABA可以通过诱导细胞壁中某些酶的活性 增大细胞壁的弹性伸缩能力 同时 ABA可以诱导渗透调节物质的合成 进而提高细胞的渗透调节能力 如ABA可以诱导脯氨酸的合成 3 保卫细胞ABA的信号转导途径 自从20世纪60年代分离和鉴定出植物激素ABA以后 其生理功能不断被揭示出来 起初人们认为ABA是一种生长抑制物质 后来发现ABA参与植物的许多生长发育过程 包括胚胎发育 种子休眠 果实成熟以及逆境胁迫等 特别是ABA与逆境胁迫反应之间的关系及其信号作用方面的研究发展很快 用ABA处理植物 植物做出多种反应 从气孔的开闭到基因表达 既有慢速反应也有快速反应 而无论那种反应都必需完成从刺激到反应的信号转导过程 3 1ABA反应突变体 ABA反应突变体是一类对ABA反应敏感性发生变化的突变体 包括对ABA刺激反应不敏感或者敏感性下降以及对低浓度ABA也能作出强烈反应的超敏感突变体 它们在ABA 刺激 反应 的偶联环节上发生了改变 利用这些突变体 表1 借助细胞生物学和分子生物学的手段 已经揭示出很多ABA反应的关键因子 表2 ABA反应突变体及其主要特征 材料突变体显隐性生理功能的改变突变体基因编码的蛋白 拟南芥abi1半显性不敏感 ABA不能蛋白磷酸脂酶2C诱导休眠和气孔关闭 PP2C 同源蛋白abi2半显性不敏感 ABA不能蛋白磷酸脂酶2C抑制种子萌发 PP2C 同源蛋白abi3隐性不敏感 ABA不能种子特异的转录因子抑制种子萌发abi4隐性不敏感 ABA不能种子特异的转录因子抑制种子萌发abi5隐性不敏感 ABA不能种子特异的转录因子抑制种子萌发玉米vp1隐性不敏感 ABA不能种子特异的转录因子抑制种子萌发rea隐性不敏感 ABA不能不详抑制种子萌发 拟南芥era1隐性超敏感 休眠加深法呢酰基转移酶的 亚基era2隐性超敏感 休眠加深不详era3隐性超敏感 休眠加深不详jar1隐性超敏感 休眠加深不详jin4隐性超敏感 休眠加深不详bril隐性超敏感 强烈抑制根生长不详sax隐性超敏感 强烈抑制根生长不详和气孔开放 表2 ABA反应突变体及其主要特征 续 材料突变体显隐性生理功能的改变突变体基因编码的蛋白 3 2ABA受体 激素受体应具备三个条件 1 与激素配体特异性结合 2 与激素配体的结合具有饱和性 3 诱导特异的生理效应 满足以上条件的激素结合蛋白才能称为激素受体 从玉米中分离出来的ABP1具备以上条件 ABA与受体的结合是信号转导的第一步 首先 研究发现 在细胞水平上 ABA的结合位点可以在质膜外侧和细胞内部 实验 用鸭跖草进行试验发现 在pH6 5下外用ABA 气孔开度被抑制98 但在pH8 0时 外用ABA 只有57 的气孔开度受到抑制 因为在pH8 0时 ABA呈离子状态 不易进入细胞 而pH为6 5时 ABA呈分子状态 容易被吸收 因此气孔被抑制的程度大 这些结果说明 胞内 胞外都存在着ABA结合位点 ABA的感知 保卫细胞感知ABA位点 质膜上胞外受体 细胞内受体 已有的证据表明 保卫细胞至少有两个感知ABA的作用位点来调节气孔关闭 一个是位于质膜上 另一个位于细胞内 胞内的受体调节液泡膜上的离子通道 导致液泡内离子的释放 胞外受体在质膜上介导激活离子流 介导激活离子流 与离子通道和ATP酶有关 调节液泡膜上的离子通道 导致液泡内离子的释放 3 3保卫细胞ABA的信号转导途径 利用拟南芥等植物 目前已经初步勾画出有关ABA对气孔运动调节的轮廓 图1 ABA与膜上受体结合 产生肌醇三磷酸 IP3 和腺苷酸二磷酸核糖 cADPR 以激活胞内钙库中的Ca2 释放 同时胞外Ca2 也可以经过膜上的Ca2 通道 Ca2 channels 内流 从而使胞内Ca2 浓度升高 另外ABA还可以诱导胞质碱化 pH升高 胞内Ca2 浓度和pH升高可通过调节胞内蛋白激酶 蛋白磷酸酶的活性 而调节质膜上相关的离子通道 如激活质膜上的阴离子通道 anionchannels 和K 外流通道 K outchannels 钝化K 内流通道 K inchannels 从而诱导气孔关闭或者抑制气孔开放 3 3保卫细胞ABA的信号转导途径 3 4ABA信号转导的第二信使 3 4 1Ca2 信号 钙离子是重要的第二信使 实验 1 向鸭跖草保卫细胞内注射荧光钙离子 再用ABA处理 然后用激光共聚焦扫描显微技术进行观察 结果看到气孔关闭前Ca2 离子浓度大幅度升高 2 应用膜片钳技术观察到 ABA使胞内Ca2 浓度瞬间升高 同时Ca2 浓度呈现忽高忽低的振荡现象 3 Ca2 螯合剂EGTA和Ca2 通道抑制剂 均明显减弱ABA对气孔运动的影响 胞内Ca2 浓度的增加可能来自胞内Ca2 库或者胞外Ca2 库 1 研究发现质膜上存在三种