牛建峰 王 霞 余 斌 王廣策①

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 實驗海洋生物學(xué)重點實驗室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋生物與生物技術(shù)實驗室, 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

脫落酸介導(dǎo)的逆境響應(yīng)信號傳導(dǎo)系統(tǒng)及在藻類中的分布與功能*

牛建峰1,2王 霞1,3余 斌1,3王廣策1,2①

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 實驗海洋生物學(xué)重點實驗室, 青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室海洋生物與生物技術(shù)實驗室, 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

植物激素是一類由植物合成的痕量有機物質(zhì), 調(diào)控著植物的生長發(fā)育及對環(huán)境的適應(yīng)。藻類屬低級植物類群, 且具有與高等植物類似的激素類型, 相對而言,藻類中激素含量更少, 卻發(fā)揮著更高效的生理活性。無論針對藻類還是高等陸地植物,脅迫響應(yīng)研究一直是十分活躍的領(lǐng)域。其中, 脫落酸(abscisic acid, ABA)作為應(yīng)激激素,所起的調(diào)節(jié)作用已得到人們的普遍共識。本文總結(jié)了近年來 ABA在藻類中的分布, ABA對抗氧化酶系的調(diào)控, ABA信號傳導(dǎo)路徑在陸地植物中的發(fā)現(xiàn)與代謝機制, 以及利用蛋白質(zhì)分子系統(tǒng)學(xué)對ABA信號傳導(dǎo)途徑的起源與進化。在此基礎(chǔ)上提出: 未來藻類ABA參與的抗逆代謝調(diào)控研究應(yīng)著重以潮間帶海藻為材料, 參考陸地植物研究的成果, 應(yīng)用生物信息學(xué), 結(jié)合生物化學(xué)等手段, 進行相關(guān)機制的探索。

植物激素; ABA; 活性氧; 逆境響應(yīng); 信號傳導(dǎo)

植物激素是一類由植物自身合成的痕量有機物質(zhì), 具有結(jié)構(gòu)簡單、生理效應(yīng)復(fù)雜的特點(Santner et al., 2009)。通常來說, 同一激素可調(diào)控多個代謝過程, 而同一特定生理過程往往需要多種不同激素的協(xié)同作用。這些激素間的相互作用與外界環(huán)境信號一起構(gòu)成了非常精細和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)(Wolters and Jürgens, 2009), 調(diào)控著植物的生長發(fā)育及其對外界環(huán)境的適應(yīng)(康云艷等, 2007)。植物激素研究在信號途徑解析及相關(guān)基因克隆、功能鑒定等方面的發(fā)展, 使得人們對植物激素的合成、運輸、降解和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及激素在植物代謝中的作用有了比較深入的了解(熊國勝等, 2009)。對植物激素功能的研究, 為合理利用植物激素、有目的地進行植物生長發(fā)育等過程的調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。目前, 一些生長調(diào)節(jié)物質(zhì), 包括生長素、細胞分裂素及乙烯等類似物已被廣泛開發(fā)和應(yīng)用, 其對我國農(nóng)作物和果蔬農(nóng)業(yè)的化學(xué)控制作出了重要貢獻(許智宏等, 2006)。例如, 通過對乙烯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的調(diào)控, 人們培育了耐儲藏的轉(zhuǎn)基因番茄(溫小杰等, 2010)。

藻類屬低級植物類群, 雖然其形態(tài)簡單,但它們的生長、發(fā)育同樣受激素的調(diào)控。20世紀40年代, Van Overbeek使用燕麥胚芽鞘彎曲法檢測到褐藻中含有植物激素活性, 此后, 一系列具有生長素活性(Featonby-Smith and Van Staden, 1984)、細胞分裂素活性(Zhang et al., 1991)、脫落酸活性(Hussain and Boney, 1973)和赤霉素活性(Jacobs, 1993)的物質(zhì)相繼被檢測出來。目前, 已發(fā)現(xiàn)的激素大多與高等植物體內(nèi)的激素類似, 其含量更少, 卻發(fā)揮著更高效的生理活性作用(劉雪梅, 2012)。

無論是藻類還是高等陸地植物, 脅迫響應(yīng)機制研究一直是十分活躍的領(lǐng)域之一。在對抗脅迫的各種機制中, 脫落酸(abscisic acid, ABA)所起的調(diào)節(jié)作用已得到人們的普遍共識。ABA是以異戊二烯為基本單位的一種倍半萜羧酸類植物激素, 其最典型的功能在于可提高植物對抗干旱、寒冷、高溫、失水脅迫的能力, 因而被稱為脅迫激素或應(yīng)激激素(溫小杰等, 2010)。ABA介導(dǎo)的逆境響應(yīng)過程可簡單概括為脅迫因子作用下, 內(nèi)源ABA含量增加, 多種抗逆基因被誘導(dǎo)表達, 植物抗性增強。研究還發(fā)現(xiàn), 這些抗逆相關(guān)基因的表達也可以被外源添加的ABA所誘導(dǎo)。

1 脫落酸的鑒定

ABA最初由美國科學(xué)家于1963年從棉鈴中提取的, 因其能顯著促進棉苗外植體葉柄脫落而被稱為脫落素Ⅱ。英國Wareing等也從槭樹葉片中提取到一種能控制植物休眠的物質(zhì), 被命名為休眠素。1965年證實, 脫落素Ⅱ和休眠素為同一種物質(zhì), 統(tǒng)一命名為 ABA。隨后證實, ABA廣泛存在于陸地植物中。

ABA作為一種逆境相關(guān)激素, 在藻類中也普遍存在。1973年, Hussain和Boney(1973)運用質(zhì)譜法在節(jié)結(jié)囊葉藻(Ascophllum nudosum)中檢測到了該激素的存在, 此后, 通過酶聯(lián)免疫的方法, Hirsch等(1989)檢測了64個藻類物種中激素的含量, 這些藻隸屬于9門20綱36目,具有不同的進化地位, 包括了從單細胞原核藻到高度分化的大型藻; 同時, 這些藻采自不同的地區(qū), 既有南半球種類, 也有北半球種類; 它們生長于不同的生態(tài)位, 包括淡水藻、海水藻、寄生藻, 及對高鹽、低 pH、熱和冷具有抗性的抗逆種類。研究發(fā)現(xiàn), 所有這些藻類中均含有 ABA類物質(zhì), 濃度為 0.5μg/mol至0.22mg/mol, 其中95%以上是ABA。如使用鮮重或葉綠素及蛋白濃度表示, ABA含量為 3～34ng/g(鮮重), 6～330ng/g(葉綠素)及10～136ng/g(蛋白)。同時發(fā)現(xiàn), 富含類胡蘿卜素的藻類ABA含量明顯低于綠色藻類; 無色藻類 ABA含量高于相應(yīng)的含色素的品系; ABA含量與藻類的分化程度呈正相關(guān), 分化程度越高, 其ABA含量越高。因此, ABA并不僅分布于莖葉植物, 也廣泛分布于藻類植物,包括原核的藍細菌及無色藻類, 但從細菌中未檢測到ABA。到目前為止, 在約100種藻類中鑒定出了ABA, 其分布于紅藻門(Rhodophyta)、褐藻門(Phaeophyta)、隱藻門(Cryptophyta)、硅藻門(Bacillariophyta)、裸藻門(Euglenophyta)及綠藻門(Chlorophyta)等(Hartung, 2010)。

2 ABA參與的抗逆響應(yīng)相關(guān)研究

2.1 ABA通過誘導(dǎo)活性氧清除系統(tǒng)活性的增加而提高植物抗氧化防護能力

據(jù)報道, 水分脅迫下小麥幼苗中首先產(chǎn)生 ABA 和活性氧(reactive oxygen species, ROS), 隨后抗氧化酶活性增加(Jiang and Zhang, 2001)。ABA抑制劑鎢酸鹽處理的植株中抗氧化酶活性未增加, 而外加ABA可以逆轉(zhuǎn)鎢酸鹽的抑制效應(yīng), 暗示著ABA可增強抗氧化酶的活性(Yoshida et al., 2004)。

ROS是脅迫反應(yīng)的中間產(chǎn)物, 在植物組織受到環(huán)境脅迫時大量生成(Fryer et al., 1998)。ROS主要包括·O2–、H2O2、·OH和1O2類型, 植物細胞的葉綠體、線粒體、過氧化物酶體、細胞壁、質(zhì)膜等部位都可產(chǎn)生 ROS。低濃度的ROS可誘導(dǎo)防御基因表達和適應(yīng)反應(yīng), 高濃度的 ROS則會損害細胞, 造成細胞死亡。因此, 細胞內(nèi)的 ROS水平必須被嚴格控制(Xiong et al., 2001)。正常條件下, ROS的生成和清除處于一定的平衡狀態(tài), 不會對細胞造成損傷。在高等植物中, 過氧化氫產(chǎn)生的酶性來源包括質(zhì)膜煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶、細胞壁過氧化物酶、質(zhì)外體草酸氧化酶和胺氧化酶(Neill, 2002)。非酶性來源包括葉綠體經(jīng)梅勒反應(yīng)(Mehler reaction)生成的·O2–, 過氧化物酶體經(jīng)乙醇酸循環(huán)產(chǎn)生的H2O2, 線粒體末端氧化系統(tǒng)產(chǎn)生的H2O2。ABA能夠誘導(dǎo)植物細胞內(nèi)·O2–和H2O2等ROS的大量產(chǎn)生。而用ABA抑制劑鎢酸鹽處理時,則減少了·O2–和 H2O2的生成, 降低了植物抗氧化防護能力(Jiang and Zhang, 2002a)。由此可見, ABA誘導(dǎo)的ROS對于信號轉(zhuǎn)導(dǎo)具有極其重要的意義。

作為細胞內(nèi)過氧化氫主要來源之一的NADPH氧化酶也含有Ca2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域(Keller et al., 1998; Torres et al., 1998)。而且, Ca2+結(jié)合蛋白CaM調(diào)控激酶活性, 產(chǎn)生NADPH氧化酶活性所需的 NADPH, 誘導(dǎo) ROS產(chǎn)生(Sagi and Fluhr, 2001), Ca2+/CaM能結(jié)合并且激活連環(huán)蛋白(catenin, CAT), 使H2O2水平下降(Yang and Poovaiah, 2002)。近年來的研究表明, 在ABA誘導(dǎo)的玉米葉片抗氧化防護過程中, Ca2+、NADPH氧化酶及ROS之間的互作起著至關(guān)重要的作用(Jiang and Zhang, 2003)。這些結(jié)果表明, Ca2+可能既是ROS的上游信號分子, 也可能是ROS清除的下游信使。

已有證據(jù)顯示, ABA不僅誘導(dǎo)植物抗氧化酶基因的表達, 而且也增強抗氧化防護酶的活性。例如, 總超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、Cu/Zn-SOD、Mn-SOD、 Fe-SOD、CAT、抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)和糖皮質(zhì)激素受體(glucocoticoid receptor, GR)的活性(Yoshida et al., 2004)在ABA積累的條件下會明顯增加。Jiang等(2001, 2002a, 2002b)的研究結(jié)果顯示, ABA不僅能誘導(dǎo)玉米葉片中抗氧化防護酶活性提高, 而且也能使得非酶性的抗氧化劑, 如抗壞血酸、谷胱甘肽、生育酚和類胡蘿卜素含量提高, 但與之對應(yīng)的, 鎢酸鹽處理的植株在水分脅迫下抗氧化酶活性并未升高, 而外源的ABA則可以逆轉(zhuǎn)鎢酸鹽的抑制效應(yīng)。這暗示了內(nèi)源ABA對植物體中水分脅迫誘導(dǎo)的抗氧化防護具有顯著的正調(diào)節(jié)作用, 能誘導(dǎo)包括酶類和非酶類組成的整個抗氧化防護系統(tǒng)能力的提高。

2.2 藻類中 ABA通過調(diào)控多種代謝途徑對逆境產(chǎn)生適應(yīng)

盡管早在20世紀70年代就已確認藻類中含有內(nèi)源 ABA(Tillberg, 1970; Tietz et al., 1986, 1989), 而且隨后的研究也證明ABA廣泛分布于藻類植物中, 但是關(guān)于藻類ABA生理作用的研究進展卻相對緩慢, 對ABA在藻類中的確切功能仍不明確。研究發(fā)現(xiàn), 鹽藻Dunaliella parva在高滲脅迫3h內(nèi)就可引起細胞質(zhì)中ABA濃度升高, 且ABA含量隨鹽度脅迫程度的增加而增加; 在另一種鹽藻 D. acidophila中, ABA含量隨培養(yǎng)基pH的升高而增加; 類胡蘿卜素合成抑制劑達草滅的使用會引起D. acidophila內(nèi)源ABA含量的增加;外源ABA的施用, 并不影響D. acidophila或D. parva的光合作用與呼吸作用, 也不能影響黑暗下鹽藻對高鹽脅迫的適應(yīng)。在小球藻(Chlorella vulgaris)中, 高溫、干旱、酸或鹽度等多種環(huán)境因子均能誘導(dǎo) ABA濃度的增加(Cowan and Rose, 1991; Tominaga et al., 1993; Bajguz, 2009)。對用ABA處理24h后的萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardti)來說, 短期失水脅迫對其造成的傷害與未經(jīng)處理的樣本無明顯差異; 而用ABA處理的樣本的細胞內(nèi)活性氧含量顯著下降, 同時過氧化氫酶與抗壞血酸氧化酶表達增加, 這些結(jié)果說明ABA既可抑制活性氧的產(chǎn)生, 又可誘導(dǎo)抗氧化酶的表達, 最終減緩失水對萊茵衣藻造成的傷害,與在高等植物中的作用一致, 但不能降低失水或高鹽脅迫導(dǎo)致的對藻體的直接損傷(Yoshida et al., 2003, 2004)。在150mmol/LABA的作用下, 低溫和強光脅迫使萊茵衣藻光合活性的降低可以適當(dāng)?shù)玫綔p緩, 但甜菜堿、類胡蘿卜素及脂肪酸的合成沒有上調(diào), 而在高等植物遭受脅迫時, 這些抗逆物質(zhì)通常由ABA誘導(dǎo)合成。萊茵衣藻中, 銅離子脅迫也會誘導(dǎo)細胞間活性氧的增加。已有研究表明, ABA可以抑制銅離子誘導(dǎo)的活性氧的產(chǎn)生, 從而明顯減緩重金屬對生長的抑制作用。ABA誘導(dǎo)的對重金屬離子脅迫的響應(yīng)機制在高等植物中未見報道, 這種機制很可能是藻類特有的ABA抗逆響應(yīng)作用通路(Yoshida et al., 2003, 2004)。在單細胞綠藻, 如杜氏鹽藻(D. salina)中, ABA可能作為一種類胡蘿卜素形成調(diào)控因子而起作用, 在高鹽脅迫下誘導(dǎo)產(chǎn)生類胡蘿卜素物質(zhì)(Cowan and Rose, 1991)。

藻類中ABA在脅迫條件下的累積對藻類生理產(chǎn)生影響與調(diào)控, 使其對逆境產(chǎn)生適應(yīng),只是ABA作為抗逆激素行使功能的一種形式,更為重要的是, ABA還可能調(diào)控藻類中特異的代謝過程。例如, 微藻中ABA可以促進硝酸鹽的吸收及呼吸作用的增強(Ullrich and Kunz, 1984)。ABA還可以刺激雨生紅球藻(Haemat ococcus pluvialis)不動孢子的形成(Kobayashi et al., 1997), 分別采用細胞質(zhì)蛋白質(zhì)合成抑制劑及細胞器蛋白質(zhì)合成抑制劑研究了ABA的調(diào)控位點, 發(fā)現(xiàn)在ABA與細胞器蛋白合成抑制劑的共同作用下, 提高了不動孢子形成的比例, 而不加 ABA時, 雨生紅球藻從游動孢子向不動孢子的轉(zhuǎn)化被完全抑制。這說明不動孢子的形成需要葉綠體中新的蛋白質(zhì)的合成, 在細胞器蛋白合成抑制劑存在的條件下, 外源ABA誘導(dǎo)了雨生紅球藻不動孢子的形成過程。目前的研究結(jié)果也顯示, 不動孢子的形成與干旱及活性氧脅迫相關(guān), 因此活性氧誘導(dǎo)的ABA調(diào)控了雨生紅球藻從營養(yǎng)細胞向不動孢子的轉(zhuǎn)化(Kobayashi et al., 1997)。使用單線態(tài)氧淬滅劑和超氧陰離子自由基去除劑可以完全抑制雨生紅球藻從游動孢子向不動孢子的轉(zhuǎn)化, 而ABA加入后則可誘導(dǎo)不動孢子的生成, 因此干旱條件下光合系統(tǒng)生成的活性氧誘導(dǎo)了ABA的合成(Kobayashi et al., 1997)。而在從綠色游動孢子向紅色不動孢子轉(zhuǎn)化的過程中, ABA含量最高的時期是兼養(yǎng)生長的營養(yǎng)細胞期, 不動孢子形成時, ABA 的合成顯著下降, 即隨著細胞的成熟, ABA的含量降低。

2.3 ABA介導(dǎo)的脅迫響應(yīng)機制研究

陸地植物中, 關(guān)于ABA感知、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及對代謝的調(diào)控已經(jīng)研究得相當(dāng)透徹。從ABA激素刺激到準確的一系列生理響應(yīng), 包括以受體為中心的ABA信號的細胞識別、以第二信使為中心的胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)換, 以及以蛋白磷酸化為中心的信號放大與傳導(dǎo)等過程(Leung and Giraudat, 1998)。目前, 被廣泛認可的 ABA受體蛋白家族為 PYR/PYL/RCARs,分別由來自美國和德國兩個獨立的研究組用不同的方法證明, 該蛋白家族由 14個成員組成(Ma et al., 2009; Park et al., 2009)。PYR/PYL/ RCARs可以與ABA發(fā)生特異性的結(jié)合, 具體作用過程可概括如下: 無 ABA存在時, 負調(diào)控因子 Ser/Thr磷酸酯酶2C(PP2C)與SnRK2 (植物特有的一類 Ser/Thr類蛋白激酶)結(jié)合并抑制了SnRK2的激酶活性, ABA信號通路處于被阻斷狀態(tài)(Ma et al., 2009; Park et al., 2009)。PYR/PYL/RCARs受體與ABA特異結(jié)合后, 再與PP2C結(jié)合, 導(dǎo)致SnRK2激酶活性釋放。PP2C蛋白氨基端具有延伸出的 EF手形鈣離子結(jié)合位點, 表明ABI1蛋白是一種鈣離子調(diào)節(jié)的磷酸酯酶, 它通過磷酸化反應(yīng)連接ABA到鈣離子之間的信號傳遞(Leung and Giraudat, 1998)。Ca2+信號產(chǎn)生后, 被下游的受體識別并傳遞, 目前已知的受體主要有鈣依賴蛋白激酶(Ca2+dependent protein kinase, CDPKs或 CPKs)、鈣調(diào)磷酸酶亞基樣蛋白(calcinurium B-like, CBLs)、鈣調(diào)素(calmodulins, CaMs)和鈣調(diào)素樣蛋白(CaM-like, CMLs)。CPK4和 CPK11作為蛋白激酶, 通過磷酸化ABA信號途徑中的轉(zhuǎn)錄結(jié)合因子 ABF1和 ABF4來實現(xiàn)對ABA信號途徑的調(diào)控(Zhu et al., 2007)。ABFs是一類亮氨酸拉鏈(leucine zipper)(bZIP)類型的轉(zhuǎn)錄因子, 通過結(jié)合ABA應(yīng)答元件(ABRE), 參與對ABA信號通路的調(diào)控。ABRE是一個保守的順式元件, 存在于被ABA所誘導(dǎo)的基因或轉(zhuǎn)錄啟動子中。而另外一些負調(diào)控因子 AFPs可以結(jié)合到轉(zhuǎn)錄因子ABI5上, 導(dǎo)致正調(diào)控因子分解, ABA信號傳導(dǎo)通路被抑制。

研究報道表明, Ca2+信號參與了 ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑, 當(dāng)超表達 CPK時, 擬南芥表現(xiàn)出對 ABA的超敏感性(Chico et al., 2002)。CPK4和 CPK11作為蛋白激酶, 通過磷酸化ABA信號途徑中的轉(zhuǎn)錄因子ABF1和ABF4來實現(xiàn)對 ABA 信號途徑的調(diào)控 (Zhu et al., 2007)。ABA可以誘導(dǎo) Ca2+結(jié)合蛋白的表達(Frandsen et al., 1996)。干旱脅迫下小麥葉片的 CaM含量迅速上升, 隨脅迫程度的進一步加重, 含量又有所下降, 這一變化早于 SOD活性的變化, 且不隨可溶性蛋白質(zhì)的變化而變化(黃國存等, 1995), 因而顯示CaM在干旱信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。細胞溶質(zhì) Ca2+濃度的增加是ABA早期信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的一個重要成分。最近的研究表明, ABA和水分脅迫都可以引起 H2O2的產(chǎn)生, 導(dǎo)致細胞質(zhì)Ca2+和CaM 增加。H2O2產(chǎn)生的酶性來源包括質(zhì)膜NADPH氧化酶、細胞壁過氧化物酶等(Neill et al., 2002), 因此, Ca2+、NADPH氧化酶及ROS之間的互作在植物抗氧化防護過程中起著至關(guān)重要的作用(Jiang and Zhang, 2003)。

2.4 苔蘚植物中ABA介導(dǎo)的逆境響應(yīng)機制

苔蘚是最古老的陸地植物, 是從水生向陸生過渡的一個類群, 水生植物登陸后所面臨的嚴重缺水環(huán)境使它們慢慢進化出了相應(yīng)的機制。苔蘚類植物對環(huán)境脅迫具有很強的耐性, 但對環(huán)境變化的敏感性又高于其他高等植物, 其體內(nèi)較高的ABA含量被認為是能耐干旱的原因之一(Robinson et al., 2000)。運用外源ABA, 郭強和王曉琴(2016)發(fā)現(xiàn), 小立碗蘚(Physcomitrella patens)中光合作用的快速恢復(fù)受ABA調(diào)控, 這可能是其適應(yīng)極端環(huán)境的主要原因之一。李麗娟(2005)在小立碗蘚中克隆了DREB-like基因, 發(fā)現(xiàn)DREB-like基因與高等植物 DREB類轉(zhuǎn)錄因子相似性較高,在干旱脅迫處理下能快速和強烈表達, 其機制同高等植物類似。

2.5 藻類中ABA介導(dǎo)的逆境響應(yīng)機制

Lo′pez-Cristoffanini等通過雙向電泳結(jié)合質(zhì)譜鑒定的技術(shù), 在褐藻 Pyropia orbicularis中發(fā)現(xiàn)了一批與干出相關(guān)的蛋白表達上調(diào),其中包括電壓依賴型離子通道蛋白, 此蛋白在陸地植物中被認為在降低滲透壓壓力方面發(fā)揮作用, 由 ABA 誘導(dǎo)的離子釋放介導(dǎo)(Geiger et al., 2009)。通過脅迫條件下蛋白組數(shù)據(jù)的分析, 發(fā)現(xiàn)干出引起潮間帶海藻 P. orbicularis中ABA過表達, 因而推測ABA的過表達導(dǎo)致離子通道活化, 離子的流動降低了失水對藻體造成的傷害(Lo′pez-Cristoffanini et al., 2015)。王春陽(2013)通過蛋白質(zhì)生物信息學(xué)的比對分析, 在綠藻或紅藻中只能發(fā)現(xiàn)部分參與ABA信號傳導(dǎo)路徑的蛋白同源物, 推測ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在藻類中可能存在與陸地植物不完全相同的代謝路徑。關(guān)于藻類中完整的ABA信號傳導(dǎo)路徑及具體的分子機制仍未見明確報道。

3 ABA的代謝及其信號傳導(dǎo)系統(tǒng)的起源與進化

3.1 ABA的合成

ABA是以異戊二烯為基本單位的一種十五碳倍半萜羧酸類植物激素, 可通過兩種途徑合成, 分別為類萜途徑和類胡蘿卜素途徑。類萜途徑中, 十五碳倍半萜烯內(nèi)酯由甲瓦龍酸(mevalonic acid, MVA)經(jīng)過焦磷酸法尼酯(farnesyl pyrophosphate, FPP), 再經(jīng)過一系列未知途徑形成脫落酸, 此途徑又稱為 C15直接途徑。類胡蘿卜素途徑中, ABA通過類胡蘿卜素途徑合成, 首先由類胡蘿卜素作為反應(yīng)的前體在質(zhì)體中形成玉米黃質(zhì), 后經(jīng) 9-順式-環(huán)氧類胡蘿卜素雙加氧酶(NCED)家族的催化形成黃質(zhì)醛, 黃質(zhì)醛在細胞質(zhì)中經(jīng)短鏈醇脫氫酶(ABA2)、醛氧化酶(AAO3)催化形成ABA(Zeevaart and Creelman, 1988; Chernys and Zeevaart, 2000), 該途徑也被稱為脫落酸的間接合成途徑。一般認為, 在高等植物中,主要以間接途徑合成脫落酸。

利用14C標記的方法, Hirsch等(1989)在鹽藻中發(fā)現(xiàn)了ABA代謝物質(zhì)菜豆酸及二氫菜豆酸, 確定了 C-甲羥戊酸為前體, 在鹽藻細胞中合成 ABA。這說明在微藻中已出現(xiàn)了同高等植物類似的ABA代謝途徑, 調(diào)控著體內(nèi)ABA的水平。但有研究證明, 類胡蘿卜素合成抑制劑達草滅在無色藻類中并沒有對 ABA合成起到抑制作用, 反而引起ABA含量的增加, 說明微藻中ABA的合成可能與類胡蘿卜素的合成無關(guān), 存在直接合成的路徑(Hirsch et al., 1989)。Sun等(2015)檢測到條斑紫菜中存在焦磷酸法尼酯合成酶, 該酶在ABA直接合成中發(fā)揮作用, 但未發(fā)現(xiàn)間接合成途徑中的相關(guān)酶, 包括NCED。由此, 推斷條斑紫菜中存在 ABA直接合成途徑, 與鹽藻(Dunaliella) (Bopp-Buhler et al., 1991)和真菌(Cercospora cruenta)(Yamamoto et al., 2000)中合成途徑相似, 而與高等植物中普遍存在的類胡蘿卜素裂解的間接合成途徑不同(Hirai et al., 2000)。因此, 藻類中可能存在與陸地植物不完全相同的ABA代謝途徑。

3.2 ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑的進化

王春陽(2013)通過蛋白比對的方法, 選取ABA信號傳導(dǎo)途徑主要限速酶類, 通過研究這些蛋白在單細胞藻類、多細胞藻類、苔蘚植物及陸地植物中的分布情況, 發(fā)現(xiàn)參與 ABA信號傳導(dǎo)路徑的同源蛋白在陸生植物中均能找到, 而綠藻或紅藻中只能發(fā)現(xiàn)部分蛋白的同源物, 包括 PP2C、SnRK2及依賴 ATP的ABA轉(zhuǎn)運蛋白ABCG25。這說明ABA信號通路的起源早于陸生植物的起源。但ABA受體蛋白PYR和一些轉(zhuǎn)錄因子卻未被鑒定出來。因而, 本文推測, 藻類中 ABA信號傳導(dǎo)通路可能與陸地植物存在較大區(qū)別。

植物激素的起源和進化與植物形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變及其對環(huán)境的適應(yīng)是同步的, 通過對蛋白結(jié)構(gòu)比對分析發(fā)現(xiàn), ABA的受體存在一個START結(jié)構(gòu)域, 此區(qū)域決定了配基的特異性(Iyer et al., 2001)。與ABA受體結(jié)構(gòu)最為相近的是一種脂肪氧合酶, 因而推測, 一種古老的脂肪氧合酶同源物發(fā)生了結(jié)構(gòu)調(diào)整, 形成了ABA受體。在PP2C-SnRK2復(fù)合體中, 磷酸化作用、激酶失活這一機制屬于廣泛存在的激酶-激酶磷酸酶調(diào)控系統(tǒng)(Soon et al., 2012)。因此, ABA信號通路很可能是在一個古老的激酶-激酶磷酸酶調(diào)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 引入含有START結(jié)構(gòu)域的一種酶, 進化出了更加精細和功能完善的通路。不同植物的ABA信號傳導(dǎo)通路蛋白中, 特有的結(jié)構(gòu)域主要存在于ABA受體結(jié)合蛋白及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子中。目前已知植物中參與ABA合成及代謝的蛋白種類較多, 且途徑多樣, 同時植物激素主要是次生代謝物質(zhì), 因而在低等藻類中可能存在與陸地植物截然不同的ABA受體及轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子,介導(dǎo)包括抗逆響應(yīng)的多種分子過程。

4 藻類中 ABA介導(dǎo)的抗逆代謝研究展望

目前, 人們已基本了解了ABA對藻類生長發(fā)育的影響及其在藻類中的分布, 但對ABA在藻類中的生物合成、運輸、信號傳導(dǎo)途徑及其與其他激素之間的互作研究仍比較缺乏。此外, ABA作用方式同陸地植物也存在較大差異。綜上所述, 開展ABA在藻類抗逆代謝過程中的研究, 有助于完善人們對 ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的認識及進化的解析。基因組序列的解讀、重要技術(shù)平臺的建立, 使得科學(xué)家有可能在更深層次揭示植物激素的代謝、信號感知和傳遞, 激素間、激素與其他信號分子, 以及激素與環(huán)境間的相互作用機制(許智宏和李家洋, 2006)。結(jié)合系統(tǒng)進化的觀點, 借鑒陸生植物研究的技術(shù)、方法與成果, 應(yīng)用生物信息學(xué)結(jié)合生物化學(xué)等手段, 研究藻類ABA激素作用的分子機制, 是未來研究的一個重要方向。

潮間帶是一種周期性水陸交替的特殊環(huán)境, 對失水、強光、溫度驟變的有效適應(yīng)是生活于潮間帶的藻類所具有的重要代謝過程,也是開展抗逆響應(yīng)研究較好的實驗材料。因而,對藻類中ABA介導(dǎo)的抗逆機制的研究, 應(yīng)聚焦于潮間帶海藻, 選擇遺傳背景相對清晰, 有潛力發(fā)展成為模式物種的種類開展工作, 為全面闡釋ABA代謝及其介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)機制的起源與進化提供信息。

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Signal Transduction Mechanism of Stress Responding Mediated by ABA and Its’Distribution and Function in Algae

NIU Jian-Feng1,2, WANG Xia1,3, YU Bin1,3, WANG Guang-Ce1,2*
(1. Key Laboratory of Experimental Marine Biology, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Laboratory of Marine Biology and Biotechnology, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) *Corresponding author, E-mail: gcwang@qdio.ac.cn

Phytohormone is a kind of trace organic substance which is synthesized by plant. The main function of plant hormone lies in regulation to the growth, development and acclimation to the environments. Algae belong to the lower plant group and have similar kinds of phytohormones. Compared to the terrestrial plant, the content of phytohormone in the algae is less than that in higher plant. The investigation regarding to stress responding is always active no matter in higher plant or algae. As a stress responding hormone, the function of abscisic acid has been recognized widely. Here, we summarized the progress in the identification of ABA in algae, signal transduction mechanism of stress responding mediated by ABA, and evolution analysis based on the protein structure and translation patterns. Then, we suggested that the study regarding to the stress responding in algae should focused on the mechanisms in the intertidal algae.

phytohormone; abscisic acid; reactive oxygen species; stress responding; signal transduction

S917.3

10.12036/hykxjk20160721001

* 資助項目: 國家自然科學(xué)基金面上項目(41476140)。牛建峰, 男, 副研究員, E-mail: jf_niu@qdio.ac.cn

① 通訊作者: 王廣策, 男, 研究員, 主要從事藻類生理與分子發(fā)育調(diào)控研究, E-mail: gcwang@qdio.ac.cn

2016-7-21, 收修改稿日期: 2016-08-02