细胞分裂素合成基因ipt研究进展综述

2005,34(2):66-69.

Subtropical Plant Science

细胞分裂素合成基因ipt研究进展(综述)

吴吉林，王再花，叶庆生，李 玲

（华南师范大学生命科学学院，广东省植物发育生物工程重点实验室，广东广州 510631）

摘 要：异戊烯基转移酶是细胞分裂素生物合成第一步的催化酶，也是限速酶。其编码基因ipt已被克隆，

运用生物信息学方法，在拟南芥中鉴定出与微生物同源的编码异戊烯基转移酶的基因家族，推测这些基因

可能存在特殊时空表达来调控细胞分裂素的合成途径。本文着重介绍ipt在细胞分裂素合成中的作用和研究

进展。

关键词：细胞分裂素；异戊烯基转移酶；ipt

中图分类号：Q946.885+.4; Q789 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2005)02-0066-04

A Review of the Advances in Cytokinin Biosynthesis ipt Gene

WU Ji-lin, WANG Zai-hua, YE Qing-sheng, LI Ling

(Guangdong Key Lab of Biotechnology for Plant Development, College of life science, South China Normal University, Guangzhou 510631, Guangdong China)

Abstract:Isopentenyl-transferases catalyze the first and rate-limiting steps of cytokinin

biosynthesis, and the corresponding genes have been cloned. A family of genes from Arabidopsis

coding for cytokinin biosynthesis enzymes have been identified by a bioinformatic approach. It is

speculated that these genes might be expressed in distinct spatial and temporal patterns to

regulate cytokinin biosynthesis. This review specially introduced the functions and advances of

ipt in cytokinin biosynthesis.

Key words: cytokinin; isopentenyl-transferases; ipt

细胞分裂素在植物生长发育的许多方面行使重要功能，如细胞分裂、光合作用、衰老及营养代谢等。自从20世纪60年代初期首次分离获得天然细胞分裂素——反式-玉米素（t-Z）以来，已经知道植物体内存在多种形态的细胞分裂素[1]。天然细胞分裂素N6-取代基腺嘌呤衍生物一般包含一个类异戊二烯基或芳香环衍生物侧链。现在，已研究了几种与细胞分裂素生物合成有关的酶的特性，有些还被纯化并克隆得到了相应的基因[2]。

编码细胞分裂素生物合成限速步骤合成酶——异戊烯基转移酶（isopentenyl-transferases）的基因首先在根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中得到鉴定，命名为tmr，后来称为ipt，但对其生化特性了解甚少[3,4]。2000年，随着拟南芥（Arabidopsis）基因组测序工作的完成，为ipt的研究提供了新机遇。最近研究表明，拟南芥的异戊烯基转移酶是被一个小的多基因家族编码，其结构与细胞腺苷酸异戊烯基转移酶和tRNA异戊烯基转移酶相似。进行基因产物的生化分析还揭示了ADP和ATP是反应的优先底物[5]。这个发现使人们不得不重新考虑细胞分裂素合成途径。本文简要介绍细胞分裂素合成基因ipt编码酶的特性及其与细胞分裂素合成的关系。

1 ipt编码异戊烯基转移酶与细胞分裂素合成相关

目前存在两类异戊烯基转移酶，一类修饰腺嘌呤的tRNA，称为tRNA-IPT（EC.2.5.1.8），修饰的核

收稿日期：2004-09-02

作者简介：吴吉林（1978-），男，湖南涟源人，硕士研究生，从事植物发育与分子生物学研究。

注：叶庆生为通讯作者。

第2期 吴吉林,等：细胞分裂素合成基因ipt 研究进展(综述) ﹒67﹒苷位于反密码子的邻位，影响转录的保真度及其效率。tRNA-IPT 催化二甲烯二磷酸（dimethylallyl diphosphate ，DMAPP ）的异戊烯基转移到前体tRNA 分子的腺嘌呤残基上，形成成熟的tRNA 分子[5]。另一类催化形成iPMP ，称为腺苷酸异戊烯基转移酶（IPT ；EC2.5.1.27），已在根癌农杆菌中鉴定，其结构与tRNA-IPT 相似。Takei 等推测这两类IPT 可能从共同的祖先基因分离出来[6]。

多年来人们推测细胞分裂素可能来源于tRNA 分子。从植物tRNA 的水解产物中分离出来的有[7]：顺式-玉米素核苷（c -ZR ）、反式-玉米素核苷(t -ZR)、异戊烯基腺苷（iPA ）、甲硫基-iPA 、顺式-甲硫基-ZR 及反式-甲硫基-ZR 。其中c -ZR 为植物tRNA 衍生出来的最丰富的细胞分裂素，因此推测它源于tRNA 的降解。根据tRNA 的转化效率及细胞分裂素产生的效率计算，发现tRNA 降解不是细胞分裂素的主要来源。tRNA 释放出来的顺式玉米素(c -Z)能被转换成活性t -Z ，主要是由于顺-反异构酶参与互变过程[2]。 2 拟南芥细胞分裂素生物合成基因的鉴定

1984年，Akiyoshi 等鉴定了根癌农杆菌中的ipt/tmr 基因，当基因发生突变时，产生根状肿瘤，该基因编码的酶显示出异戊烯基转移酶活性[8]。在一些细菌中也发现ipt 基因，从多种植物组织的粗提物中也检测到IPT 酶活性。在拟南芥中已经证实编码该酶的基因家族有9个成员，命名为AtIPT1-AtIPT9[6,9]。进化系统树（图1）分析表明AtIPT2和AtIPT9与tRNA-IPT 更相似，而其他7种AtIPTs 形成独特的进化支，其编码基因与细菌ipt/tmr 基因同源性更大[10]。

除了AtIPT2和AtIPT8外，其余7种AtIPT 基

因的重组蛋白除皆能使E.coli 产生具活性的细

胞分裂素[6]。AtIPT4在转基因拟南芥中过表达

使植物在未添加外源细胞分裂素的培养基中

发生典型的细胞分裂素应答，这与根癌农杆菌

ipt 过表达的结果一致[9]。此外，AtIPT1和

AtIPT 3～8在E.coli 中的表达合成了异戊烯基腺

嘌呤（iP ）和反式-玉米素（t -Z ），从而证实了

IPT 的活力。AtIPT1和AtIPT4的重组酶被纯化，

并鉴定出它们具有催化合成细胞分裂素的活

性[6,9]。

Golovko 等首次从拟南芥中克隆与细菌编

码异戊烯基转移酶同源的基因，此基因在酵母

（S. cerevisiae ）中的表达能弥补MOD5（tRNA-

ipt 基因）缺失突变体的抗抑制因子表型[5]。将拟南芥tRNA 异戊烯基转移酶基因在酵母表达

载体PEL61中克隆，随后转化到酵母突变菌株

MT-8

（MOD5缺失）中表达，产生大量iPA ，表明拟南芥IPT cDNA 编码的蛋白可替代MOD5蛋白的功能。但转入拟南芥IPT cDNA 的酵母tRNA 所含的iPA 水平明显低于对照[5]，说明植物IPT 蛋白识别酵母tRNA 前体的效率低于MOD5。其中有一部分转化细胞的tRNA 未被修饰，说明植物IPT 对底物的要求有所不同。

3 ipt 在细胞分裂素合成中的重要作用

通过对拟南芥细胞分裂素合成基因的认识，了解细胞分裂素从头合成至少存在3条途径（图2）。

3.1 AMP 途径

Takei 等发现从拟南芥中纯化的AtIPT1能促进AMP 和DMAPP 在体外合成iPMP [6]。运用快速的IPT 测试法测定放射性元素标记从AMP 融合到了iPA 中[4]。与此途径相似的是，细菌IPT 酶催化DMAPP 上的异戊烯基侧链转移到AMP 的N 6位点[9]。