高级植物生理-植物激素-2
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三、植物激素对植物生长发育 调节的理论基础
㈠ 植物激素作用方式的基本特点和作用方式
㈡ 植物激素浓度对植物生长发育的调节
㈢ 细胞对植物激素的敏感性 ㈣ 植物激素作用的信号传递 ㈤ 植物激素与基因表达
㈢ 细胞对植物激素的敏感性
敏感性的概念并不是新的， 只是有人完全否定 植物生长发育进程 与内源激素水平变化间 的相关性. 把细胞对植物激素 的敏感的变化 看作是调节植物生长发育 的决定因子。
生长素 F -box 受体的发现， 是生长素信号转导研究中的一个重大的突破。
SCF TIR1 是细胞中生长素信号转导所必需的。 拟南芥中 SCF TIR1 复合体中 SKP1 的同系物称为 ASK1 。 SCF TIR1 复合体的作用是将泛素蛋白链 连在生长素诱导的组成型表达的转录调节子上， 从而降解它们。 这些调节因子称为 AUX / IAA 蛋白。
实验证实： IAA快速和专一地诱导了 几种 mRNA的转录。
（1）生长素诱导基因
生长素和受体结合 活化一些转录因子（transcription factor）， 进入核内 控制特定基因的表达。 根据转录因子的不同，生长素诱导基因分为两类： 早期基因（early gene） 或初级反应基因（primary response gene） 晚期基因（late gene） 或次级反应基因（secondary response gene）
另一类实验表明ABA的受体处于胞内
实验 用膜片钳技术
把ABA直接注入蚕豆气孔的胞质溶胶， 抑制内向K﹢通道，K﹢不能进入细胞， 气孔就不开放。
在上述ABA显微注射实验中， 注入的ABA有可能被降解， 或者因为注射造成的细胞伤害 抑制了生理反应的产生， 导致胞内ABA不能发挥激素作用。 针对这些问题，有人设计了一种 笼化ABA(caqed ABA)， 包装ABA没有生物活性， 但可被短暂的紫外光照射光解， 释放出活性ABA。
识别和结合； 转导信号； 产生相应的生物效应。
( 2)受体的多样性
①分布：不同激素的受体分布不同，即使同一种 激素的受体 也可能分布在不同亚细胞区域。
ABA受体的位置
普遍认为脱落酸受体是蛋白质。 存在两类实验: 一类表明ABA的受体在膜外。 实验 把ABA分别注射入 鸭跖草 ：不能使气孔关闭； 大麦糊粉层： 不能抑制GA诱发α-淀粉酶的合成。
④受体在细胞内存在状态的多样性
结合态受体， 指与膜结合的， 在调节生育中起重要作用； 游离态受体， 指可溶性的。
3. 影响细胞对激素敏感性的因素
①受体数目，接受程度； ②受体与激素的亲和性； ③植物反应能力, 因其他因子存在而受到限制； ④内源激素浓度高， 对低浓度的外源激素不能表现反应； ⑤外源激素使用效果受以下影响 ： 植物细胞对激素吸收效率、 外源激素在植物体内运输量与代谢率， 其他内源激素浓度变化。
早期基因的表达
是被原来已有的转录基因活化刺激所致， 外施蛋白质合成抑制剂不能堵塞其表达。 所需时间非常短，从几分钟到几个小时。
生长素诱导的早期基因
分为五大类： AUX／IAA基因家族 SAUR基因家族 GH3基因家族 类GST基因家族 ACS基因家族
晚期基因（late gene）
拟南芥突变体分析鉴定了 F-box 蛋白--- TIR1 ( transport inhibitor response 1 ）。
TIR1 对生长素依赖的下胚轴伸长和侧根形成 具有重要作用。 这个蛋白就是 SCF 的一个亚基， 含一个 F - box 基序， 它决定了底物识别的特异性。 具有 TIR1的 SCF 复合体标记为 SCFTIR1 ， 当 TIR1 和 IAA 结合后， 会促进 SCFTIR1复合体 特异识别目标蛋白质 Aux / IAA 蛋白， 并启动 Aux / I AA 蛋白的降解。
当加入IAA后， 活化的泛素连接酶（ubiquitin ligase） 把AUX／IAA蛋白质破坏、降解， 就形成活化ARF同源二聚体（homodimer）。 与早期基因启动子的 回文生长素响应元件(AuxRE)结合， 转录就活化。 早期基因的转录引起生长素的响应， 表现出生理反应。
参与 TIR1 生长素信号转导途径的转录调节因子 有两个家族： 生长素反应因子和 AUX / I AA 蛋白。 生长素反应因子 （ auxin response factor , ARF ）是短寿命蛋白， 并特异地与生长素早期反应基因启动子上的 生长素反应元件（ auxin response element , AuxRE ) TGTCTC 结合。
2 . TIR1/ AFB 生长素受体蛋白 TIR1蛋白（ transport inhibitor response protein 1 ，运输抑制剂响应蛋白 1 ）
是泛素连接酶复合体成员。 泛素介导的蛋白质降解系统 是真核生物中广泛存在的具有重要意义的调节系统。 以色列科学家Aaron Ciechanover 等因为发现了该途径而 获得了 2004 年的诺贝尔化学奖。 大量的研究证明，泛素降解途径参与了 包括生长素在内的多数植物激素的信号转导系统。
可光解的笼形ABA光解为（S）顺式ABA的反应式 （Allen等，1994）
作为对照，研究者又设计了非光解的包装ABA， 将上述两种包装ABA 通过显微注射入鸭跖草的保卫细胞， 经过30min的恢复后 用紫外光照30s 。 结果发现无处理和非光解包装ABA处理的对照 没有气孔关闭现象; 而光解包装的笼化ABA的处理 发生了气孔关闭现象。 据此可以认为， ABA受体可能存在于是在细胞内 。
1. IAA与基因表达
差示筛选
（differentil screening）
植物组织在IAA处理前后， 其基因表达会产生差异。 IAA处理的组织， 诱导出新mRNA（DNA表达，转录）； 无IAA处理的则缺少这种mNRA。 筛选出只有在IAA处理后 才会得到表达的基因。 用这些基因制备放射性探针， 进行分子杂交； 根据杂交的放射性强度， 就可得到IAA处理后 不同时间内该测定基因的转录率。
细胞对植物激素的敏感性
是指植物对一定浓度的激素的反应程度. 难于作具体的测量， 一般 用诱导某一特定生理反应 所需要的激素浓度来确定。 如已知诱导果实成熟所需Eth浓度： 香蕉0.1μg· L-1, 甜瓜3μg· L-1。 说明香蕉对Eth敏感性比甜瓜要强。
当前植物激素研究的前沿：
从分子水平上揭示植物激素的作用机理 （细胞对植物激素敏感性的生理基础）。 某细胞对某激素的敏感性就取决于 该细胞的专性受体分子的容量（数目） 与结合性（亲和性）。
能被某些早期基因编码的蛋白够调节。 晚期基因转录对激素是长期反应。
因需要重新合成蛋白质， 其表达被蛋白质合成抑制剂所抑制。
（2）生长素诱导早期基因表达的机制
必须具有能被生长素活化的启动子， 即这些基因启动子上 具有一些能与生长素活化的转录因子 直接结合或间接结合的区域， 称为生长素响应元件 （auxin-responsive element，AuxRE）。
外源激素使用效果还受以下影响： 激素合成 结合态
浓 度
代 谢 激素 受体
敏感性
其他激素
植物反应
小结：
植物激素在植物体内运输后， 在效应器部位与靶细胞的受体结合， 受体具有器官和阶段发育的专一性， 同一激素的受体又有多样性， 不同激素受体具有专一性. 这些可能是激素作用错综复杂 的第一基础。
㈣ 植物激素作用的信号传递 ㈤ 植物激素与基因表达
②不同植物中的受体不同:
西葫芦 番 茄 玉米
质膜ABP 40KD 质膜 42KD 胚芽鞘 45KD 中胚轴、根ER 22、18KD。
③ 同一植株的不同器官发育阶段， 激素受体不同。
大麦HVA基因受ABA诱导: 其mRNA和蛋白质 在 3d 龄幼苗中检测 不 到 ; 经ABA处理的3d龄幼苗, 则所有器官中都存在。 在ABA处理7d龄的和更老植株中, 只有根中发现。
我国科学家成功地鉴定出了 脱落酸(abscisic acid, ABA)结合蛋白 ABAR和 GCR2。 ABAR为镁离子螯合酶的H亚基, 作为ABA信号转导的正调控因子 参与了调控种子萌发、植物生长发育 以及气孔开闭等重要生理过程。 GCR2为定位于细胞膜的G-蛋白偶联受体， 参与介导已知的ABA生理功能。 这些研究是近年来植物激素 生物学领域的重大突破。
生长素响应因子 （auxin response factor，ARF）
会调节早期生长素基因表达。 在没有IAA条件下， ARF与AUX／IAA蛋白质结合 形成不活化的异源二聚体 （heterodimer）， 堵塞AUX／IAA和其他早期基因的转录， 所以无生长素响应。
生长素响应因子 （auxin responTIR1蛋白与生长素直接结合． 它们的结合促进了 SCF TIR1 与 AUX / IAA 蛋白的结合。 目前．研究结果表明另外三个与 TIR1 相关的 F-box蛋白也具有生长素受体活性。 这些蛋白质叫做生长素信号 F-box蛋白 （ auxin signaling F-box protein , AFB ) ， 在泛素 E3 连接酶复合体中起作用。
现代研究认为 植物激素
与靶细胞中的专一受体结合 转变为胞内信号 启动一系列生理生化反应 （产生特定的生理响应）
1.衡量植物激素受体的标准
M.Venis(1985) ：
只有那些 与激素结合后， 呈现出特殊的 生理生化效应的物质， 才能称为受体。
2．激素受体的特性及功能：
( 1) 受体特性： ①一定的立体选择性(特异性)； ②高亲和力； ③饱和性； ④可逆性； ⑤分布在对激素有反应的特殊组织 ; ⑥具生物效应。 受体的三个相互联系的功能:
泛素介导的蛋白降解途径有三个组分： 泛素活化酶 E1 、泛素偶联酶 E2 和泛素连接酶 E3 。
E1 在 AFP 存在时 与泛素形成高能硫酯键将其活化， 活化的泛素分子可被转移给泛素偶联酶 E2 ， 在 E3 的协助下特异地选择底物蛋白， 将泛素结合到底物蛋白上。 已经结合到底物的泛素分子在上述途径的作用下 继续结合更多新的泛素分子， 经过多泛素化标记的底物蛋白质 最终被送到 26S 蛋白体内进行降解。
生长素受体
目前比较肯定的是 ABP1和 TIR1 / AFB 。 1 . ABP1 ( auxin binding proteinl ，Batt 等 1976 ） ABP1 大量存在于细胞的内质网膜上， 细胞质膜上： 胚芽鞘原生质体内大约有 2 ％的内质网 ABP1 蛋白被分泌到细胞质膜表面。
所有真核生物中都有 SCF 复合体， 它在调节蛋白质含量中具有重要作用。
F-box 蛋白在 SCF 复合体中的主要作用 是结合蛋白质底物使其发生 依赖 ATP 的泛素介导的降解。 F-box 蛋白除了含有促进蛋白质间互作所需的 Fbox 基序外，还含有其他基序， 如富亮氨酸重复序列。 F- box 基序本身还可以 将 F-box 蛋白连接到 SCF 复合体的其他亚基上。
在泛素蛋白降解途径的三个组分中， 泛素连接酶 E3 由于携带了底物特异性信息， 所以种类繁多。
拟南芥中有： HECT 、 COPI 、 APC 、 SCF 复合体等。 其中 SCF 复合体在植物激素信号转导中的功能 最为重要，研究也最为深人。
“F-box ”可溶性蛋白质是主要的生长素受 体．它属于 TIR1 / AFB 蛋白家族。 F-box 是含有 50 个氨基酸残基的序列， 它是蛋白质与蛋白质相互作用的位点。 最初人们发现的 F - box 蛋白是称为 SCF 的泛素 E3 连接酶复合体的一个亚基。 SCF 是根据它的三个主要亚基 SKP1、 cullin 和 F- box 蛋白命名的。
㈠ 植物激素作用方式的基本特点和作用方式
㈡ 植物激素浓度对植物生长发育的调节
㈢ 细胞对植物激素的敏感性 ㈣ 植物激素作用的信号传递 ㈤ 植物激素与基因表达
㈢ 细胞对植物激素的敏感性
敏感性的概念并不是新的， 只是有人完全否定 植物生长发育进程 与内源激素水平变化间 的相关性. 把细胞对植物激素 的敏感的变化 看作是调节植物生长发育 的决定因子。
生长素 F -box 受体的发现， 是生长素信号转导研究中的一个重大的突破。
SCF TIR1 是细胞中生长素信号转导所必需的。 拟南芥中 SCF TIR1 复合体中 SKP1 的同系物称为 ASK1 。 SCF TIR1 复合体的作用是将泛素蛋白链 连在生长素诱导的组成型表达的转录调节子上， 从而降解它们。 这些调节因子称为 AUX / IAA 蛋白。
实验证实： IAA快速和专一地诱导了 几种 mRNA的转录。
（1）生长素诱导基因
生长素和受体结合 活化一些转录因子（transcription factor）， 进入核内 控制特定基因的表达。 根据转录因子的不同，生长素诱导基因分为两类： 早期基因（early gene） 或初级反应基因（primary response gene） 晚期基因（late gene） 或次级反应基因（secondary response gene）
另一类实验表明ABA的受体处于胞内
实验 用膜片钳技术
把ABA直接注入蚕豆气孔的胞质溶胶， 抑制内向K﹢通道，K﹢不能进入细胞， 气孔就不开放。
在上述ABA显微注射实验中， 注入的ABA有可能被降解， 或者因为注射造成的细胞伤害 抑制了生理反应的产生， 导致胞内ABA不能发挥激素作用。 针对这些问题，有人设计了一种 笼化ABA(caqed ABA)， 包装ABA没有生物活性， 但可被短暂的紫外光照射光解， 释放出活性ABA。
识别和结合； 转导信号； 产生相应的生物效应。
( 2)受体的多样性
①分布：不同激素的受体分布不同，即使同一种 激素的受体 也可能分布在不同亚细胞区域。
ABA受体的位置
普遍认为脱落酸受体是蛋白质。 存在两类实验: 一类表明ABA的受体在膜外。 实验 把ABA分别注射入 鸭跖草 ：不能使气孔关闭； 大麦糊粉层： 不能抑制GA诱发α-淀粉酶的合成。
④受体在细胞内存在状态的多样性
结合态受体， 指与膜结合的， 在调节生育中起重要作用； 游离态受体， 指可溶性的。
3. 影响细胞对激素敏感性的因素
①受体数目，接受程度； ②受体与激素的亲和性； ③植物反应能力, 因其他因子存在而受到限制； ④内源激素浓度高， 对低浓度的外源激素不能表现反应； ⑤外源激素使用效果受以下影响 ： 植物细胞对激素吸收效率、 外源激素在植物体内运输量与代谢率， 其他内源激素浓度变化。
早期基因的表达
是被原来已有的转录基因活化刺激所致， 外施蛋白质合成抑制剂不能堵塞其表达。 所需时间非常短，从几分钟到几个小时。
生长素诱导的早期基因
分为五大类： AUX／IAA基因家族 SAUR基因家族 GH3基因家族 类GST基因家族 ACS基因家族
晚期基因（late gene）
拟南芥突变体分析鉴定了 F-box 蛋白--- TIR1 ( transport inhibitor response 1 ）。
TIR1 对生长素依赖的下胚轴伸长和侧根形成 具有重要作用。 这个蛋白就是 SCF 的一个亚基， 含一个 F - box 基序， 它决定了底物识别的特异性。 具有 TIR1的 SCF 复合体标记为 SCFTIR1 ， 当 TIR1 和 IAA 结合后， 会促进 SCFTIR1复合体 特异识别目标蛋白质 Aux / IAA 蛋白， 并启动 Aux / I AA 蛋白的降解。
当加入IAA后， 活化的泛素连接酶（ubiquitin ligase） 把AUX／IAA蛋白质破坏、降解， 就形成活化ARF同源二聚体（homodimer）。 与早期基因启动子的 回文生长素响应元件(AuxRE)结合， 转录就活化。 早期基因的转录引起生长素的响应， 表现出生理反应。
参与 TIR1 生长素信号转导途径的转录调节因子 有两个家族： 生长素反应因子和 AUX / I AA 蛋白。 生长素反应因子 （ auxin response factor , ARF ）是短寿命蛋白， 并特异地与生长素早期反应基因启动子上的 生长素反应元件（ auxin response element , AuxRE ) TGTCTC 结合。
2 . TIR1/ AFB 生长素受体蛋白 TIR1蛋白（ transport inhibitor response protein 1 ，运输抑制剂响应蛋白 1 ）
是泛素连接酶复合体成员。 泛素介导的蛋白质降解系统 是真核生物中广泛存在的具有重要意义的调节系统。 以色列科学家Aaron Ciechanover 等因为发现了该途径而 获得了 2004 年的诺贝尔化学奖。 大量的研究证明，泛素降解途径参与了 包括生长素在内的多数植物激素的信号转导系统。
可光解的笼形ABA光解为（S）顺式ABA的反应式 （Allen等，1994）
作为对照，研究者又设计了非光解的包装ABA， 将上述两种包装ABA 通过显微注射入鸭跖草的保卫细胞， 经过30min的恢复后 用紫外光照30s 。 结果发现无处理和非光解包装ABA处理的对照 没有气孔关闭现象; 而光解包装的笼化ABA的处理 发生了气孔关闭现象。 据此可以认为， ABA受体可能存在于是在细胞内 。
1. IAA与基因表达
差示筛选
（differentil screening）
植物组织在IAA处理前后， 其基因表达会产生差异。 IAA处理的组织， 诱导出新mRNA（DNA表达，转录）； 无IAA处理的则缺少这种mNRA。 筛选出只有在IAA处理后 才会得到表达的基因。 用这些基因制备放射性探针， 进行分子杂交； 根据杂交的放射性强度， 就可得到IAA处理后 不同时间内该测定基因的转录率。
细胞对植物激素的敏感性
是指植物对一定浓度的激素的反应程度. 难于作具体的测量， 一般 用诱导某一特定生理反应 所需要的激素浓度来确定。 如已知诱导果实成熟所需Eth浓度： 香蕉0.1μg· L-1, 甜瓜3μg· L-1。 说明香蕉对Eth敏感性比甜瓜要强。
当前植物激素研究的前沿：
从分子水平上揭示植物激素的作用机理 （细胞对植物激素敏感性的生理基础）。 某细胞对某激素的敏感性就取决于 该细胞的专性受体分子的容量（数目） 与结合性（亲和性）。
能被某些早期基因编码的蛋白够调节。 晚期基因转录对激素是长期反应。
因需要重新合成蛋白质， 其表达被蛋白质合成抑制剂所抑制。
（2）生长素诱导早期基因表达的机制
必须具有能被生长素活化的启动子， 即这些基因启动子上 具有一些能与生长素活化的转录因子 直接结合或间接结合的区域， 称为生长素响应元件 （auxin-responsive element，AuxRE）。
外源激素使用效果还受以下影响： 激素合成 结合态
浓 度
代 谢 激素 受体
敏感性
其他激素
植物反应
小结：
植物激素在植物体内运输后， 在效应器部位与靶细胞的受体结合， 受体具有器官和阶段发育的专一性， 同一激素的受体又有多样性， 不同激素受体具有专一性. 这些可能是激素作用错综复杂 的第一基础。
㈣ 植物激素作用的信号传递 ㈤ 植物激素与基因表达
②不同植物中的受体不同:
西葫芦 番 茄 玉米
质膜ABP 40KD 质膜 42KD 胚芽鞘 45KD 中胚轴、根ER 22、18KD。
③ 同一植株的不同器官发育阶段， 激素受体不同。
大麦HVA基因受ABA诱导: 其mRNA和蛋白质 在 3d 龄幼苗中检测 不 到 ; 经ABA处理的3d龄幼苗, 则所有器官中都存在。 在ABA处理7d龄的和更老植株中, 只有根中发现。
我国科学家成功地鉴定出了 脱落酸(abscisic acid, ABA)结合蛋白 ABAR和 GCR2。 ABAR为镁离子螯合酶的H亚基, 作为ABA信号转导的正调控因子 参与了调控种子萌发、植物生长发育 以及气孔开闭等重要生理过程。 GCR2为定位于细胞膜的G-蛋白偶联受体， 参与介导已知的ABA生理功能。 这些研究是近年来植物激素 生物学领域的重大突破。
生长素响应因子 （auxin response factor，ARF）
会调节早期生长素基因表达。 在没有IAA条件下， ARF与AUX／IAA蛋白质结合 形成不活化的异源二聚体 （heterodimer）， 堵塞AUX／IAA和其他早期基因的转录， 所以无生长素响应。
生长素响应因子 （auxin responTIR1蛋白与生长素直接结合． 它们的结合促进了 SCF TIR1 与 AUX / IAA 蛋白的结合。 目前．研究结果表明另外三个与 TIR1 相关的 F-box蛋白也具有生长素受体活性。 这些蛋白质叫做生长素信号 F-box蛋白 （ auxin signaling F-box protein , AFB ) ， 在泛素 E3 连接酶复合体中起作用。
现代研究认为 植物激素
与靶细胞中的专一受体结合 转变为胞内信号 启动一系列生理生化反应 （产生特定的生理响应）
1.衡量植物激素受体的标准
M.Venis(1985) ：
只有那些 与激素结合后， 呈现出特殊的 生理生化效应的物质， 才能称为受体。
2．激素受体的特性及功能：
( 1) 受体特性： ①一定的立体选择性(特异性)； ②高亲和力； ③饱和性； ④可逆性； ⑤分布在对激素有反应的特殊组织 ; ⑥具生物效应。 受体的三个相互联系的功能:
泛素介导的蛋白降解途径有三个组分： 泛素活化酶 E1 、泛素偶联酶 E2 和泛素连接酶 E3 。
E1 在 AFP 存在时 与泛素形成高能硫酯键将其活化， 活化的泛素分子可被转移给泛素偶联酶 E2 ， 在 E3 的协助下特异地选择底物蛋白， 将泛素结合到底物蛋白上。 已经结合到底物的泛素分子在上述途径的作用下 继续结合更多新的泛素分子， 经过多泛素化标记的底物蛋白质 最终被送到 26S 蛋白体内进行降解。
生长素受体
目前比较肯定的是 ABP1和 TIR1 / AFB 。 1 . ABP1 ( auxin binding proteinl ，Batt 等 1976 ） ABP1 大量存在于细胞的内质网膜上， 细胞质膜上： 胚芽鞘原生质体内大约有 2 ％的内质网 ABP1 蛋白被分泌到细胞质膜表面。
所有真核生物中都有 SCF 复合体， 它在调节蛋白质含量中具有重要作用。
F-box 蛋白在 SCF 复合体中的主要作用 是结合蛋白质底物使其发生 依赖 ATP 的泛素介导的降解。 F-box 蛋白除了含有促进蛋白质间互作所需的 Fbox 基序外，还含有其他基序， 如富亮氨酸重复序列。 F- box 基序本身还可以 将 F-box 蛋白连接到 SCF 复合体的其他亚基上。
在泛素蛋白降解途径的三个组分中， 泛素连接酶 E3 由于携带了底物特异性信息， 所以种类繁多。
拟南芥中有： HECT 、 COPI 、 APC 、 SCF 复合体等。 其中 SCF 复合体在植物激素信号转导中的功能 最为重要，研究也最为深人。
“F-box ”可溶性蛋白质是主要的生长素受 体．它属于 TIR1 / AFB 蛋白家族。 F-box 是含有 50 个氨基酸残基的序列， 它是蛋白质与蛋白质相互作用的位点。 最初人们发现的 F - box 蛋白是称为 SCF 的泛素 E3 连接酶复合体的一个亚基。 SCF 是根据它的三个主要亚基 SKP1、 cullin 和 F- box 蛋白命名的。