细胞分裂素对植物基因表达的调节_王兆龙

植物生理与分子生物学Plant Physiology and Molecular Biology收稿　1998-10-16 修定　1999-02-09　1　国家杰出青年科学基金项目资助。

细胞分裂素对植物基因表达的调节1王兆龙　曹卫星(南京农业大学农业部作物生长调控重点开放实验室,南京210095)Regulation of Plant Gene Expression by CytokininsWANG Zhao -Lon g ,CAO Wei -Xing (Key Laborato ry of Crop G r owth Regulatio n ,M inis try of A griculture ,Nanjing Agricul -tu ral Univers ity ,Nanjing 210095) 提要　细胞分裂素能显著改变植物基因转录的水平,在转录水平上或转录后水平上调控植物基因的表达。

蛋白质磷酸化在细胞分裂素的信号转导过程中起着重要的作用,但迄今为止细胞分裂素的顺式作用元件和反式作用因子尚未有报道。

文章最后就细胞分裂素对植物基因表达调节研究作了展望。

关键词　细胞分裂素　基因表达　转录　调节 细胞分裂素是一类较活跃的植物激素,它不仅能促进植物细胞的分裂和扩大,而且在芽分化的诱导、叶绿体的发育、养分的运输和分配、细胞衰老的抑制等方面都表现显著的效果。

近年来的研究表明,细胞分裂素对植物基因的表达有显著的调节作用[1～4]。

植物发育的调节基因常受到不同激素的共同调节,例如高的CTK /IAA 比例能诱导离体培养茎尖的再生;细胞分裂素能增加硝酸还原酶mR NA 转录的水平,而ABA 则能抑制这种作用[5]。

植物衰老也与I AA 、CTK 、ETH 、AB A 的相互作用有关[6]。

近年来,由于分子生物学和基因工程实验手段的应用,从分子水平上揭示植物激素的作用机理势在必行。

IAA 和AB A 的结合蛋白已有了不少的研究,特别是已克隆出了ABA 的顺式作用元件和反式作用因子。

然而,由于细胞分裂素在植物细胞内的合成、代谢及作用方式等的研究技术还存在着若干困难,以及细胞分裂素的生理生化作用比较复杂,以致我们对细胞分裂素的了解远不如生长素、赤霉素、脱落酸。

目前对细胞分裂素的研究相对比较薄弱,对其分子作用机理所知甚少,众多细胞分裂素结合蛋白的功能尚有待阐明,细胞分裂素的顺式作用元件和反式作用因子至今尚未有报道。

本文就细胞分裂素对植物基因表达调节的最新研究进展作一概述。

1　细胞分裂素调节的酶和多肽 植物激素与环境因子对植物细胞中各种酶的合成和活性具有调节作用,激素可以通过促进合成或抑制降解来增加酶的活性。

植物激素对酶活性的调节可以帮助人们从分子水平上进一步探讨激素的作用机理。

表1归纳了受细胞分裂素调节的主要酶和多肽。

细胞分裂素能调节蛋白质的生物合成。

Chen 等[7]用双向葡聚糖凝胶电泳观察到南瓜子叶在B A 处理后有些蛋白质的合成被诱导增强,而另一些蛋白的合成则受到抑制。

将从南瓜子叶中提取的poly (A )+RNAs 在离体条件下翻译成多肽,并用35S 甲硫氨酸标记,在处理60min 后出现mR NA 含量发生变化,且发现细胞分裂素可以促进或抑制一些多肽的翻译[7]。

同样,Abdelghani 等[8]用激动素处理烟草悬浮细胞时也发现增加或减少了一些多肽的合成。

虽然由细胞分裂素调节的有些蛋白质的性质和功能尚未得到鉴定,但现有的资料业已显示细胞分裂素可以调节蛋82植物生理学通讯　第36卷第1期,2000年2月DOI :10.13592/j .cn ki .ppj .2000.01.030表1　细胞分裂素调节的几种关键酶和多肽酶或多肽植物材料及组织硝酸还原酶(NR)大麦黄化叶片;烟草悬浮细胞磷酸甘油脱氢酶南瓜黄化子叶R uBP羧化酶南瓜黄化子叶;i pt转基因烟草叶片羟基丙酮酸还原酶南瓜黄化子叶R NA聚合酶Ⅰ南瓜离体子叶S-腺苷高半胱氨酸水解酶烟草悬浮细胞β-1,3葡聚糖酶烟草悬浮细胞;白花丹悬浮细胞几丁质酶烟草悬浮细胞PEP羧化酶玉米离体叶片;冰叶日中花植株、叶片过氧化物酶紫萍植株捕光叶绿素a/b结合蛋白烟草悬浮细胞;浮萍植株 白质的代谢,而且不同基因对同一激素处理的反应各不相同[5,9]。

2　细胞分裂素调节的基因 表2归纳了一些受细胞分裂素调节的基因。

在大多数研究中应用的细胞分裂素是BA,也有的研究用激动素、玉米素、iP、iPA,但所得结果相似,这也暗示不同细胞分裂素之间可以相互替代[1,10]。

当然也有一些例外,如B A、激动素、激动素核苷、玉米素都能增加田菁根中SrEnod2基因的转录水平,但iP和iPA却无效[11]。

通常细胞分裂素所用的浓度为1～10μmol·L-1,虽然这符合生物试法的浓度范围,但已大大超出了其内源1～10nmol·L-1的水平,因此不能排除这是超最适浓度所产生的结果。

一些研究表明了mR-NA的增加和减少对激素处理的剂量是敏感的。

Lu等[3]和Andersen等[10]报道了黄化组织中硝酸还原酶和羟基丙酮酸还原酶mRNA 的积累随着B A浓度的增加(10nmol·L-1～100μmol·L-1)呈直线上升;Dehio[11]用10 pmol·L-1～10μmol·L-1浓度的玉米素处理田菁的根瘤,发现10nmol·L-1或略高浓度的玉米素处理能增加结瘤基因SrEnod2的mR-NA的积累。

B A浓度增加10倍(2～20μmol·L-1)可使烟草悬浮培养细胞的pLS216cDNA 的瞬间积累增加约10倍[2]。

同样,细胞分裂素抑制冰叶日中花的PE Pase mR NA的积累和促进离体玉米叶片中PE Pase mRNA的积累,对处理剂量都是敏感的[9]。

蛋白质合成的抑制剂环已亚胺常用来检测基因转录水平的增加是否与蛋白质合成过程相偶联。

如果在环已亚胺的处理和无环已亚胺的处理中基因的转录水平都增加,则可推测这种反应与蛋白质合成是不相偶联的,这种转录水平的增加可能仅是依赖于细胞内存在的信号转导系统的调节作用。

环已亚胺既不能抑制大豆培养细胞的cim cDNA相应的mR NA的积累[1],也不能抑制细胞分裂素处理后的大麦黄化幼苗中硝酸还原酶mRNA 的积累[3],表明这些基因表达的快速响应是与其蛋白质合成途径不相偶联的。

有时相应蛋白质的合成只有在细胞分裂素处理引起mR NA的大量积累之后才能发生[12],这暗示该类基因(C4Ppc1,SrEnod2)可能不是细胞分裂素的原初反应基因。

83植物生理学通讯　第36卷第1期,2000年2月表2　受细胞分裂素调节的一些基因植物组织基因,cDN A南瓜黄化子叶r bc L(+),rbc S(+),psa L(+)烟草悬浮细胞cab(+),rbc S(+)浮萍植株cab(+),r bc S(+)ipt转基因烟草叶片,花r bc L(+),DEFA,PL ENA,G LO同源基因(-)羽扇豆黄化子叶cab(+),γ-ATP合成酶基因(+)小麦幼苗w pk4(+)拟南芥植株cab(+),chs启动子(+),PAL1,C HS,C HI,DFR(+)白花丹悬浮细胞pLS216cDNA(+),ms r(+)拟南芥悬浮细胞C YC D3(+),cdc2a启动子(+)大豆悬浮细胞cim1-ci m20(+);花粉致敏基因(+),SAM22,26,46cD NAs(-)百日菊细胞培养物p48h-10cD NA(+)烟草叶片r PL25同源基因(+),r pL34基因启动子(+)田菁根瘤,根Sr Enod2(+)紫苜蓿根Ms Enod12A启动子(+)白花丹ipt转基因植株pCkn52,pCkn37cDNAs(+),HSP和GRP同源基因(+)矮牵牛花冠sam(+)藜悬浮细胞NA DPH-DH同源基因(+)黄瓜黄化子叶cab(+),r bc S(+),C R9(-),C R20(-),86cD NAs C RR(-)葫芦藓植株ycf(-),atp A(-),ps b A(-),psb B(-)烟草叶园片β-1,3葡聚糖酶B启动子(-)紫萍全植株tur4(-)矮牵牛愈伤组织P21cD NA(-),巯基蛋白酶同源基因(-)烟草原生质体cdc2a启动子(-)苹果离体培养植株pSD3cDN A(+),HRG P同源基因(-),pSD4cD NA(-) (+)表示基因的表达受细胞分裂素促进;(-)表示受细胞分裂素抑制。

3　细胞分裂素对基因表达的调节 要了解细胞分裂素对mR NA水平的调节,必须鉴定出对激素调节的专性mRNA,并明确这些mR NA在何时何地怎样被激素调节。

Northern印迹技术只能对转录水平的差异作研究,而核径流技术可揭示其转录过程中的水平差异。

已有的研究显示细胞分裂素可以在转录和转录后水平上调节基因的表达。

3.1　转录水平上的调节　Dominov[2]用烟草培养细胞研究了细胞分裂素诱导的pLS216基因的转录速率和其mR NA的积累,发现当其mR NA积累速率达到最大时,转录的速率达到最高,而转录速率的改变是由细胞分裂素引起的。

Andersen等[10]和Lu等[3]指出对细胞分裂素响应的硝酸还原酶和羟基丙酮酸还原酶至少是部分在转录水平上受激素调控的。

细胞分裂素能将玉米叶片C4Ppc基因的转录速率提高6倍多[13]。

Deikman和84植物生理学通讯　第36卷第1期,2000年2月Hammer[14]将拟南芥培养在含细胞分裂素的培养基上,研究编码花色素苷合成途径中酶的基因转录水平,发现苯基苯乙烯酮合成酶基因和二氢黄酮醇还原酶基因的转录速率分别增加了10倍和34倍,而同一合成途径中的另两种基因(苯丙氨酸解氨酶和苯基苯乙烯酮异构酶基因)的转录速率却没有改变。

细胞分裂素引起的高恒态mRNA在细胞质内的累积,表明其可以在基因转录后水平上进行调节。

3.2　转录后水平上的调节　这方面的资料最早来自于对浮萍编码RuB Pase的小亚基和捕光叶绿素a/b结合蛋白基因(rbc S,cab)的mR NA转录和稳定性研究。

当从光下转为黑暗时,细胞分裂素处理可使rbc S和cab基因的mR NA丧失专一性的过程减缓,表明细胞分裂素可增加转录产物的稳定性,而不是改变这两种基因的转录水平。

在田菁的结瘤基因SrEnod2的研究中,细胞分裂素对基因表达的调控则完全是转录后水平[15,16]。

虽然细胞分裂素能引起SrEnod2基因的mRNA的明显积累,但基因的转录过程则未发现有改变。

核中SrEond2基因的mRNA只增加了1.2倍,但细胞内总mRNA增加了4倍,说明这不是在核中而是在细胞质中的积累,是转录后水平上的调节[17]。