植物生理专题--2015-激素信号转导.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Auxin regulates plant development,Wolters,H.,and Jrgens,G.(2009).Survival of the flexible:Hormonal growth control and adaptation in plant development.Nat.Rev.Genet.10:,305317,.,Inhibit branching in the shoot,Promote branching in the root,Lateral organ initiation at the shoot apical meristem,Maintain stem cell fate at the root apical meristem,Patterning and vascular development,发现,极性运输,生长素受体,信号转导,第,一,节,、生长素,(Auxin),生长素的许多效应是通过改变基因表达而引发,Wolters,H.,and Jrgens,G.(2009).Survival of the flexible:Hormonal growth control and adaptation in plant development.Nat.Rev.Genet.10:,305317,.,Genes controlling cell growth,Genes coordinating other hormone response pathways,Genes involved in signaling,一、,发现：,Site of response,Site of signal perception,Charles Darwin studied the way seedlings bend towards light,a direct effect of auxin action,Coleoptile drawing from,Darwin,C.,and Darwin,F.(1881)The power of movement in plants.Available,online,.,二、生长素生物合成与降解途径及水平调节,生长素生物合成：,色氨酸途径：包括：吲哚丙酮酸（,IPA,）途径、色胺（,TAM,）途径和吲哚乙腈（,IAN,）途径；,非色氨酸途径：由吲哚直接转化而来。,生长素生物降解：,通过,IAA,过氧化物酶脱羧氧化降解；,芳香环的,C,2,和,C,3,被氧化，但不脱羧；,光氧化，产生吲哚醛和亚甲基羟吲哚。,吲哚乙酸,(IAA),，最丰富的天然生长素,植物体内生长素水平的调节,1),通过,IAA,合成速率的调节；,2),通过与大分子量的和低分子量的化合物结合，形成无活性的络合物；,3),通过,IAA,降解速率的调节；,4)IAA,在细胞中的区域化,(,如在液泡,),以及运输，调节细胞液中游离,IAA,的水平。,三、,生长素的运输：极性运输,：只能从形态学上端向形态学下端运输。,Redrawn from Robert,H.S.,and Friml,J.(2009)Auxin and other signals on the move in plants.Nat.Chem.Biol.5:,325-332,.,极性运输的化学渗透学说,:,Auxin is a charged anion(IAA,-,)in the cytoplasm(pH 7).,In the more acidic cell wall(pH 5.5)some is uncharged(IAAH).The uncharged form crosses the plasma membrane into the cell where it is deprotonated and unable to exit other than through specific transporters.,IAA-+H+,IAAH,Cytoplasm pH 7,IAA-,IAAH,IAA-+H+,Cell wall pH 5.5,IAA,-,的向外运输是通过,内部负向膜电势所驱动,3.,在细胞质中,(pH7),，,IAA,解,离成,IAA,-,，堆积在细胞质中；,1.,以,IAAH,形式通过被动扩散,作用或以,IAA,-,形式通过共向,运输体进入细胞；,2.,细胞壁通过质膜,H,+,-,ATP,酶保持酸性；,4.,通过,IAA,-,外运载体逃逸出去,.,IAA,极性运输的化学渗透模型,四、,生长素的作用机制,60-70,年代形成了两种学说：酸生长学说和基因表达学说；,80,年代开始，主要围绕,IAA,的分子作用机制，探讨从激素与受体结合开始、到生理效应发生为止的信号传递链，以及该传递链上每个环节的分子组成和反应模式。,酸生长学说,IAA,与质膜上的受体结合，经跨膜信号转导，,增强质膜,H,+,-ATPase,活性，把,H,+,运送到初生细胞壁，,降低细胞壁的,pH,值，使细胞壁酸化，,使某些对酸不稳定的键,(,如氢键,),断裂，并激活降解细胞壁的酶和活化扩展蛋白，,使多糖分子之间联系松弛，细胞壁更容易伸展（可塑性增加），,引起细胞压力势降低，水势降低，细胞吸水，促进细胞的纵向扩大（即细胞伸长生长）。,证据：,1,）,IAA,促进细胞生长的效应是很快的，从处理到发挥效应的时间大约是,10,分钟，同时伴随着细胞壁的酸化；,2,）在中性缓冲液中，即使有,IAA,，细胞伸长也会受到抑制；,3,）在无,IAA,的酸性缓冲液中，仍然可促进细胞的伸长生长。,基因表达学说,IAA,与细胞质中的受体结合，诱导受体构象改变；,IAA-,受体复合体转移到细胞核内，复合体特异性高亲和的与某些基因上的特定序列相互作用，产生新的,mRNA,；,mRNA,转入到细胞质中，并被翻译成原初反应蛋白，将,IAA,信号放大；,每种原初反应蛋白也可以继而激活或阻竭其它基因的表达，从而将信号进行二级放大，最后引起一系列反应。,生长素促进细胞生长的酸生长学说模型,1,.,生长素受体,植物生长素的研究已有,100,多年，但生长素受体到底为何物一直是悬而未决的问题。,生长素受体是研究生长素信号传导链的最重要环节，近几十年来人们对它的研究始终未曾放松过，并经历了曲折而漫长的探索过程。,在这个探索过程中，大体上有两条线路。,第一条：生长素结合蛋白,ABP(auxin binding protein),的研究,根据存在位置，命名为：,ABP1,（内质网）、,ABP2,（质膜）和,ABP3,（液泡膜）,ABP1是最早,被,认为最可能,是,生长素受体候选者(,Batt,et al.,1976,),。,几十年来无数实验证明：单、双子叶植物中都发现,ABP1,同系物；且都参与生长素诱导的细胞伸长和分裂等过程。,如：一些类生长素物质的生物活性与其在内质网上的结合活性呈正相关；用,NAA,处理烟草叶肉质体在,1-2,分钟就导致质膜超极化；如果事先加入,ABP1,抗体，则抑制质膜超极化，说明,ABP1,参与了生长素诱导质膜超极化过程。,但这些仍不能说明,ABP1,是生长素的受体。,第二条路线：蛋白质降解途径的研究,上世纪末期，在研究生物体内泛素,-,蛋白酶体参与的蛋白质降解途径中，发现生长素可引起某些蛋白质降解、从而激活有关基因的表达。但对生长素如何启动有关蛋白降解知之甚少。,Ruegger,等,(,1997),筛选到一种生长素运输受到抑制的拟南芥突变体，从中分离到,TIR1,基因，其产物称之为运输抑制剂响应蛋白,1(,transport inhibitor response protein,1,，,TIR1),，但他们,1998,年证实，,TIR1,在生长素运输中并不起作用。,生长素受体,TIR1,的发现,TIR1是含有F-box的蛋白质,。,F-box是一个蛋白质与另一个蛋白质结合的特征性结构域，因此,推测,TIR1的作用可能是生长素信号转导中的一个成员。,Gray等(2001)发现TIR1可直接,与,Aux/IAA蛋白结合并启动,其,降解。之前人们就注意到Aux/IAA蛋白是参与生长素诱导的生理反应中特异的蛋白成分,。,Aux/IAA,是高等植物中普遍存在的一类蛋白，分子量,20-30 kD,。,拟南芥中有29个编码Aux/IAA蛋白质的基因。,Aux/IAA,属于早期的生长素反应基因，大部分基因的转录受生长素的上调。,Aux/IAA,和,ARF,蛋白结构,Aux/IAA含有4个保守的结构域,：,结构域II是与TIR,1结合的区域,；,结构域III和IV是与生长素响应因子(auxin response factor,ARF)相结合的部位,。无,生长素时,，,Aux/IAA蛋白通过这2个部位与ARF结合，,抑制,ARF,诱导的基因转录,。,ARF,是指能与生长素早期反应基因启动子中的生长素应答元件,(AuxRE),特异结合，并可调节生长素反应基因表达的转录激活或抑制因子。,TIR 1,生长素受体,TIR1,的发现,2005,年用,放射性标记证明,：,3,HIAA结合于SCF,TIR1,复合体(泛素连接酶3)上,，,即生长素受体存在于SCF,TIR1,复合体上,。,植物中的,SCF,TIR1,复合体包括,CUL1,、,ASK1,、,RBX1,和,TIR1,，前,3,种蛋白是,SCF,复合体所共有，且在植物和动物中都相当保守。,随后证明,生长素是和TIR1,、,而不是,和Aux/IAA蛋白结合，即生长素受体,是TIR1,、,而非Aux/IAA蛋白。,在一定IAA浓度范围内TIR1,与,Aux/IAA蛋白,的,结合能力随着IAA 浓度的提高而加大，表明TIR1,与,Aux/IAA蛋白结合,是依赖于,生长素,的,。,二者的结合在加入生长素5,min,后就发生，,20min,后二者的结合达到饱和(,Yang 2004,)。,2005,年,Nature,连续有两篇论文,(,Dharmasiri,等,2005a;Kepinski,和,Leyser 2005,),给出了明确的答案：认为,TIR1,就是人们长期寻找的植物生长素受体。,生长素,与TIR1,的,结合可促进TIR1,与,Aux/IAA的结合,当生长素信号在核中出现后，SCF,TIR1,复合体中的受体TIR1即与生长素结合而被活化，从而,与,结合ARF(染色体上)的Aux/IAA蛋白结合，使之从染色体上脱落下来，形成SCF,TIR1,-Aux/IAA复合体，,继而,复合体上的Aux/IAA蛋白被泛素化，然后,被,蛋白酶体降解。,之后，,脱离阻碍蛋白Aux/IAA的ARF成为活化的转录因子，与之结合的基因即开始转录。,2.,生长素与,TIR1,结合诱发,AUX/IAA,蛋白泛素化,生长素与,TIR1,结合诱发,AUX/IAA,蛋白泛素化，并进一步被蛋白酶体降解,解除,AUX/IAA,蛋白抑制，转录因子活化,SCF,TIR1,IAA,IAA,ARF,Aux/IAA,1.Auxin binds to SCF,TIR1,and Aux/IAA,2.Aux/IAA ubiquitinated and degraded by 26S proteasome,3.Degradation of repressor permits transcriptional activation by ARF transcription factors,ARF,生长素解除,AUX/IAA,蛋白抑制，转录因子活化,RNA,聚合酶,泛素,蛋白酶体,TIR1,介导的生长素信号传递途径,根据转录因子的不同，生长素诱导基因可分为：,早期基因,(,或初级反应基因,),：其表达是被原来已有的转录因子活化刺激所致，所以使用外源蛋白质合成抑制剂不能抑制早期基因的表达。其表达所需时间很短，从几分钟到几个小时。,5,大基因家族类：,AUX/IAA,基因家族、,SAUR,基因家族、,GH3,、类,GST,基因家族、,ACC,合成酶家族。,早期基因上必须有能被生长素激活的启动子才能被诱导表达。这些启动子上具有能被生长素活化的转录因子及直接或间接结合的区域，即生长素响应元件,(ARF),，调节早期基因表达。,早期基因（初级反应基因）,在没有,IAA,的条件下，,ARF,与,AUX/IAA,蛋白质结合形成不活化的异源二聚体，抑制,ARF,和其它早期基因的转录，无生长素效应。,加入,IAA,后，活化的泛素连接酶把,AUX/IAA,蛋白质破坏、降解，形成活化的,ARF,同源二聚体，与早期基因启动因子,ARF,结合，活化转录，引起生长素的响应，表现出生理反应。,晚期基因（次级反应基因）,某些早期基因编码的蛋白能够调节晚期基因的转录；,晚期基因转录对激素的反应是长期反应；,因为晚期基因需要重新合成蛋白质，所以其表达能被蛋白质合成抑制剂所抑制。,第二节、赤霉素,(GAs),-,植物高度的调节剂,一、发现和结构特征,1926.,研究水稻恶苗病中发现，由赤霉菌分泌物引起水稻徒长；,1935.,从,Gibberella fujikuroi,分理出这种物质（赤霉素）；,1959,：确定化学结构，命名为,GA,1,GA,2,GA,3,双键、羟基数目和位置不同形成了各种赤霉素；,按碳原子总数可分为,:,C,19,赤霉素,:,种类多，生理活性高；,GA,1,，,GA,3,GA,7,GA,30,GA,38,.,C,20,赤霉素,:,种类少，生理活性低或没有活性；,二、赤霉素的分布、运输和水平调节,1.,分布：,茎端、嫩叶、根尖、发育中的种子和果实、萌发中的种子的含量较高，也是合成,GA,的主要部位。,种子成熟后，活性赤霉素水平很低。运输没有极性。,2.,植物体内,GAs,水平的调节：,a.GAs,的降解通过羟基化作用被转变成非活性物质,;,b.GAs,与其它物质结合转变成无活性的束缚型,GAs,，是运输和贮藏主要形式。,c.,在植物中高活性的,GAs,可以转变成低活性的,GAs,。,三、,GAs,的主要生理作用,1.GAs,促进植物茎节生长,，特别是对矮生突变植物,(dwarf),：,矮变植物合成,GAs,的途径受阻，因而缺乏足够的,GAs,，表现出矮化现象。外施,GA,就可以刺激生长。,GAs,主要作用于已有的节间伸长，而不是促进节数增加。用,GA,处理，显著促进整株茎的伸长。,不存在超最适浓度的抑制作用。,赤霉素促进茎节伸长的作用机理,矮变种玉米的形成是因为缺乏使其它形式,GAs,转变成,GA,的酶、也可能是缺乏,GAs,受体或,GAs,信号转导途径某个环节发生了突变引起的。,玉米矮生突变种中，只有,GA,控制着茎的伸长；,控制,GA,合成的基因,绿色革命基因,Distinguished plant breeder and Nobel Laureate,Norman Borlaug,1914-2009,20,世纪作物产量的巨大增加,(,“,绿色革命,”,),是由于不断增加的化肥使用和半矮化品种的引入。,这些半矮化品种将能量更多地用于籽粒生产而不是茎秆生长，并且更健壮和抗倒伏。,Photos courtesy of S.Harrison,LSU Ag center,and,The World Food Prize,.,一些绿色革命基因影响,GA,合成,Reprinted by permission from Macmillan Publishers,Ltd.(Nature)Sasaki,A.,et al.(2002)Green revolution:A mutant gibberellin-synthesis gene in rice Nature 416:,701-702,copyright 2002.;,Olszewski,N.,Sun,T.p.,and Gubler,F.(2002),Gibberellin sgnaling:Biosynthesis,catabolism,and response pathways,Plant Cell 14:,S61-S80,.,Semidwarf rice varieties underproduce GA because of a mutation in a the GA,20,oxidase biosynthetic gene.,Wild-type,Semidwarf,Active,GA,促进茎节伸长的信号转导途径,Low GA,No transcription,GA receptor,DELLA protein,GA-responsive transcription factor,GA,DELLA,High GA,Transcription,Growth promotion,Proteolysis,DELLA,蛋白抑制生长，部分是由于抑制了转录过程。,GA,激活,DELLA,蛋白的水解。,Reprinted from Davire,J.-M.,de Lucas,M.,and Prat,S.(2008)Transcription factor interaction:a central step in DELLA function.Curr.Opin.Genet.Devel.18:,295303,.,凡是影响,DELLA,蛋白稳定性的基因就是一个,“,green revolution”,基因,The wheat,Rht1,locus encodes a DELLA protein.The dwarf allele lacks the DELLA domain and resists proteolysis.,GA,DELLA,Wild-type,Transcription,GA,Dwarf,rht1,Rht1,rht1,rht1,Reprinted by permission of Macmillan Publishers,Ltd.Peng,J.,et al.(1999)Green revolution genes encode mutant gibberellin response modulators.Nature 400:,256-261,.,GA,信号对水稻,DELLA,蛋白抑制因子的解除机理,GID1-可溶性受体,GID2SCF中的F-box蛋白,有些植物中，,GA,受体蛋白包含两个结构域：,调节区域（,DELLA,）和抑制区域（,GRAS,）,野生型抑制子,突变型抑制子,2.,GAs诱导禾谷类种子,-淀粉酶等水解酶合成,大麦种子由胚、胚乳和种皮组成。,种子萌发时，胚乳的糊粉层细胞分泌多种水解酶到胚乳中去水解其中的淀粉、蛋白质、植酸钙镁、RNA和某些细胞壁物质。,GAs,可促进这些水解酶被分泌到胚乳中,，特别是,-淀粉酶。,胚分泌GAs,到糊粉层,，诱导产生-淀粉酶；,种子发芽时，,GAs,从胚移动到糊粉层，刺激,-,淀粉酶和蛋白酶的合成，蛋白酶把不活化的,-,淀粉酶转变为活化型。,和,-,淀粉酶一起分解淀粉为葡萄糖，运到生长着的胚以满足其代谢需要。,萌发时，胚产生的,GA,来自于原来形成的,GA,库，通过盾片分泌到糊粉层细胞质膜表面与受体结合，形成,GA-,受体复合物；,GA,与,G,蛋白作用后，诱发两条信号传递链：,cGMP,途径,(,不依赖,Ca,2+,信号转导途径,),以及钙调蛋白和蛋白激酶途径。,或直接与核中的受体结合。,GAs诱导大麦,种子,-淀粉酶,合成的信号转导途径,cGMP,、钙调蛋白和蛋白激酶均被看作激活信号转导的中间体。,这些中间体进入细胞核，与阻碣蛋白结合，刺激,GA-MYB,基因表达，产生,GA-MYB mRNA,。在,细胞质,中，,GA-MYB mRNA,与,GA-MYB,转录因子作用，形成新的,GA-MYB,，再进入细胞核。,进入细胞核后，,GA-MYB,与,-,淀粉酶的启动子结合，激活该酶的转录,合成,-,淀粉酶,mRNA,。,然后，运输到粗糙内质网，合成,-,淀粉酶，再通过高尔基体将,-,淀粉酶分泌到胚乳中。,3.GA,其它生理效应的信号转导途径尚不清楚,