吳志勇，顧紅，程大偉，李蘭，何莎莎，李明，陳錦永

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所，果樹生長發(fā)育與品質(zhì)控制重點開放實驗室，鄭州 450009）

油菜素甾醇（brassinosteroids，BRs）是繼生長素（auxin）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CTK）、赤霉素（gibberellin，GA）、乙烯（ethylene，ETH）和脫落酸（abscisic acid，ABA）之后被發(fā)現(xiàn)的第6類植物激素，參與調(diào)控植物發(fā)育的各個過程，其中對植物根系發(fā)育過程具有重要調(diào)控作用。根系是植物的重要器官，具有吸收水分和養(yǎng)分、改善土壤理化性質(zhì)、合成激素等功能，對植物生長發(fā)育具有重要作用。健壯的根系對產(chǎn)量提高至關(guān)重要，研究人員將通過改良和利用根系結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)量認(rèn)定為新的綠色革命［1］，但其茁壯成長需要內(nèi)源激素和外界環(huán)境的共同調(diào)節(jié)。BR作為調(diào)控植物根系生長發(fā)育的重要激素之一，與眾多內(nèi)源植物激素相互作用，形成一個復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控植物根、莖、葉、花等器官的生長發(fā)育［2］。目前，科學(xué)家對BR的生理功能、結(jié)構(gòu)、合成與代謝途徑以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等方面的研究取得了諸多進(jìn)展。本文總結(jié)概述了BR信號通路及其在模式植物擬南芥根系中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步揭示其在根系生長發(fā)育中的調(diào)控機(jī)制，為BR在調(diào)控根系發(fā)育中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 BR的發(fā)現(xiàn)

1970年，美國科學(xué)家Mitchell等［3］從油菜花粉中提取出一種活性極高的物質(zhì)，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)其對菜豆生長具有較為明顯的促進(jìn)作用，并將其命名為油菜素（brassin）。1979年，Grove等［4］對其化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，認(rèn)定為一種甾醇類化合物，正式將其命名為油菜素內(nèi)酯（brassinolide，BL）。此后，眾多與油菜素內(nèi)酯類似的化合物從不同植物中被分離出來，統(tǒng)稱為油菜素甾醇類化合物（brassinosteroids，BRs）［5］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，植物根、莖、葉、果實、種子等器官均含有BR，且BR在其發(fā)育過程中具有不可替代的作用。因此，認(rèn)為BR對植物生長發(fā)育具有重要作用。

2 BR信號通路研究

BRI1（brassinosteroid insensitive 1）受體在細(xì)胞表面接收BR信號。目前認(rèn)為BR信號激活BRI1活性存在兩種機(jī)制：一種機(jī)制認(rèn)為BAK1（BRI1-associated recepor kinase 1）是 BRI1共受體，與其結(jié)構(gòu)相似，二者在體內(nèi)外均可進(jìn)行相互作用，BR首先誘導(dǎo)BRI1與BAK1形成異二聚體，然后在BRI1和BAK1之間發(fā)生相互磷酸化［6-9］，進(jìn)而調(diào)控根細(xì)胞發(fā)育；另一種機(jī)制認(rèn)為BR結(jié)合并誘導(dǎo)BRI1的同型二聚體構(gòu)象發(fā)生變化，激活其活性后再磷酸化 BAK1［10］，磷酸化后的 BRI1 和 BAK1作用于下游原件BES1（BRI1-EMS-suppressor 1）和BZR1（brassinazole-resistant 1），使它們在細(xì)胞核內(nèi)接收上游信號［10-14］，二者活性被激活后進(jìn)一步調(diào)控根細(xì)胞發(fā)生分裂或分化。

在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，BIN2（brassinosteroid insensitive 2）激酶是抑制BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵。分析突變體bin2-1表明，BIN2在BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中通過磷酸化作用使BES1和BZR1失活，它們不能與DNA結(jié)合而喪失功能，從而阻遏BR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［15-18］。相反，BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)正常是BIN2激酶被降解所造成的，且施加有活性的外源BR能夠減少BIN2激酶的積累［19］。此外，研究發(fā)現(xiàn)BSU1（BRI1-suppressor1）編碼的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶也能拮抗BIN2激酶，通過調(diào)控BES1的磷酸化狀態(tài)提高BES1的去磷酸化水平，進(jìn)一步活化細(xì)胞核內(nèi)BR誘導(dǎo)基因的表達(dá)［20］。

3 BR調(diào)控植物根系生長發(fā)育

3.1 BR調(diào)控根系干細(xì)胞生態(tài)位

干細(xì)胞生態(tài)位由QC（quiescent center）細(xì)胞和周圍干細(xì)胞組成，QC細(xì)胞對于維持干細(xì)胞生態(tài)位穩(wěn)定和生長狀態(tài)至關(guān)重要（圖1）。研究表明，BR對QC細(xì)胞和干細(xì)胞具有重要調(diào)控作用，BRI1家族成員BRL1（BRI1-like1）、BRL3和共受體BAK1在干細(xì)胞中表達(dá)水平較高，BR與它們結(jié)合并激活其活性，活化后的BRL1和BRL3相互作用調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子WOX5（wuschel-related homeobox 5），并進(jìn)一步調(diào)控QC細(xì)胞的穩(wěn)定和分裂［21-23］。

圖1 BR調(diào)控根系干細(xì)胞生態(tài)位［21］Fig.1 BR regulates root stem cell niche［21］

前人研究發(fā)現(xiàn)，BRAVO CENTER（brassinosteroids at vascular and organizing center）和ERF115（ethylene response factor 115）在調(diào)控QC細(xì)胞方面起到相反的作用［24-25］。BR信號激活BES1轉(zhuǎn)錄因子后直接抑制BRAVO表達(dá)，從而調(diào)控QC細(xì)胞，且BRAVO具有自我轉(zhuǎn)錄功能［24］。另外，研究發(fā)現(xiàn)了Groucho/Tup1轉(zhuǎn)錄家族TPL（topless）和BES1-TPL的相互作用能夠提高BES1的轉(zhuǎn)錄活性，且BES1-TPL的相互作用能更有效地抑制BRAVO表達(dá)，這對于BES1介導(dǎo)的QC細(xì)胞分裂是必不可少的［25］。BZR1也可以直接抑制BRAVO表達(dá)，從而促進(jìn)QC細(xì)胞分裂［26］。相反，BZR1介導(dǎo)的BR信號通過激活ERF115，使得PSK5表達(dá)上調(diào)，進(jìn)而促進(jìn)QC細(xì)胞分裂［27］。

PLETHORA（PLT）是AP2轉(zhuǎn)錄因子家族的成員，對于維持干細(xì)胞生態(tài)位具有重要作用［28-29］。AUXIN能夠誘導(dǎo)PLT表達(dá)，但BZR1介導(dǎo)的BR信號能夠抑制其表達(dá)，這表明BR和AUXIN對QC細(xì)胞分裂具有拮抗作用［30］。

H2O2（hydrogen peroxide）對于BR促進(jìn)QC細(xì)胞分裂也是必需的（圖1）。H2O2能夠促進(jìn)BZR1和BES1轉(zhuǎn)錄，但BZR1的氧化還原介質(zhì)TRXh5的過表達(dá)卻使其轉(zhuǎn)錄活性降低，抑制QC細(xì)胞分裂［31］。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，BES1和BZR1轉(zhuǎn)錄因子能夠直接與ACS7/9/11啟動子相互作用來調(diào)控ETH表達(dá)，從而調(diào)控根系生長［32］，但是否能夠調(diào)控干細(xì)胞生態(tài)位，目前還沒有明確結(jié)論，需要進(jìn)一步研究。

3.2 BR調(diào)控根尖分生區(qū)

根分生組織是決定根發(fā)育的關(guān)鍵區(qū)域，不斷進(jìn)行增殖和分化。BR對其調(diào)控具有時空平衡和激素互作平衡的特點［33］。作用部位不同，BR調(diào)控機(jī)制也不盡相同。根表皮細(xì)胞中的BRI1感受BR信號，能夠完全恢復(fù)突變體bri1-116的分生組織大小，而中柱的BRI1對其影響較小，這表明表皮中的BRI1可以通過感知BR信號控制根分生組織大?。?4］。研究也發(fā)現(xiàn)，根表皮中的BRI1感受BR信號能夠促進(jìn)根分生組織中AUXIN表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)根分生組織增殖，而中柱中BR信號激活BAK1、BRL1和BRL3活性則抵消這種作用，表現(xiàn)為促進(jìn)分化［35］。

SHY2（short hypocotyl 2）是AUXIN信號的阻遏物，BRX（brevis radix）參與BR信號途徑，在BR同AUXIN、CTK互作調(diào)控根分生組織生長和發(fā)育過程中，SHY2和BRX發(fā)揮著重要作用。從圖2可以看出，根分生組織發(fā)育早期受到激素平衡的調(diào)控，CTK通過作用于ARR12轉(zhuǎn)錄因子激活SHY2表達(dá)，并進(jìn)一步抑制PIN表達(dá)，從而調(diào)控根分生組織發(fā)育［36-37］。BRX能被IAA大量誘導(dǎo)，卻被BR輕微抑制，在與SHY2競爭中，BRX占據(jù)優(yōu)勢，可短暫增強(qiáng)PIN3表達(dá)，二者共同調(diào)控根分生組織發(fā)育［38-39］。此時，根分生組織主要進(jìn)行分裂生長。隨著根分生組織的發(fā)育，CTK也激活了ARR1/AHK3轉(zhuǎn)錄因子，它與ARR12轉(zhuǎn)錄因子一起誘導(dǎo)SHY2表達(dá)，SHY2大量表達(dá)能夠抑制BRX功能，二者共同調(diào)控根分生組織發(fā)育［37-40］。此外，最近研究發(fā)現(xiàn)，BR信號可通過誘導(dǎo)BES1的表達(dá)抑制SHY2表達(dá)，且BES1還能夠直接作用于PIN7來調(diào)控根分生組織發(fā)育［41］。以上結(jié)果表明，BR能較好地維持根分生組織分裂與分化的平衡。

圖2 BR調(diào)控根尖分生區(qū)Fig.2 BR regulates root apical meristem

3.3 BR調(diào)控根細(xì)胞伸長

細(xì)胞伸長對根系生長發(fā)育具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，BR對根表皮細(xì)胞伸長具有特異作用。在根毛細(xì)胞中表達(dá)的BRI1促進(jìn)了根伸長區(qū)內(nèi)所有不同類型細(xì)胞的伸長，而在非根毛細(xì)胞中表達(dá)的BRI1則表現(xiàn)出相反作用［42］（圖3）。此外，非根毛細(xì)胞中BRI1表達(dá)還促進(jìn)了ETH合成基因的表達(dá)，導(dǎo)致ETH含量增加，使得非根毛細(xì)胞的細(xì)胞壁中積累了大量結(jié)晶纖維素，從而抑制根的生長［42］。

圖3 BR調(diào)控根細(xì)胞伸長Fig.3 BR regulates root cell elongation

RALF（rapid alkalinization factor）是一種肽類激素。過表達(dá)AtRALF1能夠使根細(xì)胞體積減小，而沉默AtRALF1則能增加根細(xì)胞體積，從而促進(jìn)根生長［43］（圖3）。RALF和BR同時處理則會使BR合成基因以及RALF誘導(dǎo)的與細(xì)胞壁重排相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)，從而影響根細(xì)胞生長［43］。

BR和AUXIN在根細(xì)胞生長過程中的拮抗作用通過BZR1完成（圖3）。BZR1主要在過渡區(qū)和伸長區(qū)的表皮細(xì)胞核中轉(zhuǎn)錄，能夠激活大部分參與細(xì)胞壁形成的基因表達(dá)，而AUXIN通過抑制BZR1轉(zhuǎn)錄，間接抑制這些基因表達(dá)，這表明BR和AUXIN在根細(xì)胞伸長中表現(xiàn)為相互拮抗［30］。

此外，最新研究表明，低氮可上調(diào)BAK1的表達(dá)量，通過激活BR信號，進(jìn)一步促進(jìn)下游BSK3表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)根細(xì)胞伸長［44］。

3.4 BR調(diào)控側(cè)根生長發(fā)育

植物側(cè)根能夠從周圍環(huán)境汲取水分和養(yǎng)分，對維持植物生長具有重要作用。AUXIN和BR共同調(diào)控側(cè)根生長發(fā)育（圖4）。早期研究發(fā)現(xiàn)，低濃度BR通過增加AUXIN的極性運輸促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育；相反，高濃度BR則抑制側(cè)根形成［45-46］。DWF4（dwarf 4）是BR合成路徑上的重要調(diào)控因子。研究發(fā)現(xiàn)，AUXIN通過促進(jìn)DWF4轉(zhuǎn)錄來調(diào)控側(cè)根發(fā)育，且DWF4可促進(jìn)BR合成，因此BR和AUXIN在調(diào)控側(cè)根發(fā)育方面表現(xiàn)出協(xié)同作用，雖然BR也可以抑制DWF4轉(zhuǎn)錄，但是DWF4的負(fù)反饋機(jī)制可能更多的是在維持BR含量穩(wěn)定方面起重要作用［47-49］。此外，BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的負(fù)調(diào)控因子BIN2 對側(cè)根發(fā)育有積極作用，Puna［47］推測，BIN2可能參與到DWF4的調(diào)控中，具體機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，BIN2在上游調(diào)控因子TDIF-TDR（tracheary element differentiation inhibitory factor-tdif receptor）作用下通過磷酸化ARF7/19，能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)側(cè)根發(fā)育中的AUXIN信號［49］。Kim等［50］研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)BARK1（BAK1-associatingreceptor-likekinase1）能夠促進(jìn)側(cè)根發(fā)育，并觀察到ARF（auxinresponsefactor）的表達(dá)量在BARK1過表達(dá)植株中會被上調(diào)，因此猜測BARK1蛋白可能通過AUXIN的調(diào)控參與到BR調(diào)控的側(cè)根發(fā)育中。

此外，BR還與其他信號共同調(diào)控側(cè)根發(fā)育（圖4）。RALF是一種多肽信號，沉默AtRALF可以增加側(cè)根數(shù)量，而過表達(dá)AtRALF則減少側(cè)根數(shù)，且AtRALF能夠誘導(dǎo)BR合成路徑中DWF4和CPD（constitutivephotomorphogenesisanddwarfism）基因表達(dá)量下調(diào)，這些結(jié)果表明AtRALF在調(diào)控側(cè)根發(fā)育方面和BR相互拮抗［51］。RAV1是一種DNA結(jié)合蛋白，BR能夠下調(diào)RAV1轉(zhuǎn)錄，RAV1過表達(dá)能夠延緩側(cè)根發(fā)育，但具體機(jī)制還需進(jìn)一步研究［52］。LPE（lysophosphatidylethanolamine）是 PLA2水解磷脂酰乙醇胺的產(chǎn)物，能夠激活BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的基因表達(dá)，促進(jìn)側(cè)根發(fā)育［53］。Vercruyssen 等［54］發(fā)現(xiàn)，BR和CKX3（cytokinin oxidase/dehydrogenase 3）的聯(lián)合作用能夠進(jìn)一步促進(jìn)側(cè)根的形成和伸長，且認(rèn)為CTK的缺乏增強(qiáng)了BR對側(cè)根生長的影響。之后研究發(fā)現(xiàn)，CTK受體基因AHK2和AHK3突變能促使植株產(chǎn)生高密度側(cè)根，且ahk2、ahk3雙突變體在側(cè)根生長中對BR高度敏感，這表明CTK通過AHK2和AHK3與BR在側(cè)根發(fā)育中相互拮抗［55］。Glc對調(diào)節(jié)側(cè)根發(fā)育也有重要作用，研究表明，Glc通過激活 HXK1（hexokinase 1）促進(jìn)BR信號傳導(dǎo)，并通過調(diào)節(jié)根系中生長素輸出載體PIN1、PIN2、PGP1和MDR1以及生長素輸入載體AUX1、LAX2和LAX3的轉(zhuǎn)錄水平，促進(jìn)參與側(cè)根發(fā)生的AUX/IAAs（IAA14/SLR等）的降解，AUX/IAAs的降解進(jìn)一步激活A(yù)RF7/ARF19，從而促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育［46］。此外，最新研究發(fā)現(xiàn)，BR誘導(dǎo)BRS1（BRI1 suppressor 1）轉(zhuǎn)錄能夠促進(jìn)側(cè)根原基突破內(nèi)皮層、皮層和表皮，從而促進(jìn)側(cè)根長出［56］。

圖4 BR調(diào)控側(cè)根生長發(fā)育Fig.4 BR regulates lateral root growth and development

3.5 BR調(diào)控根毛生長發(fā)育

根毛由分生區(qū)的表皮細(xì)胞分化形成，根毛的形成不僅增大了主根和側(cè)根的整體表面積，而且增強(qiáng)了與土壤周圍環(huán)境的互動（圖5）。表皮細(xì)胞因其在皮層細(xì)胞下的位置不同而發(fā)育成根毛細(xì)胞和非根毛細(xì)胞兩種不同類型的細(xì)胞，當(dāng)表皮細(xì)胞位于兩個相鄰皮層細(xì)胞的空隙時會發(fā)育成根毛細(xì)胞，而緊鄰單個皮層細(xì)胞時會發(fā)育成非根毛細(xì)胞［57-59］。研究表明，根毛細(xì)胞的分化受到一系列轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，如WER（werewolf）、TTG（transparenttesta glabra）、GL3（glabra 3）、EGL3（enhancer of glabra 3）、GL2（glabra 2）、CPC（caprice）等［60-64］。Kuppusamy等［65］首次將BR應(yīng)用于根毛發(fā)育的研究，提出BR對根毛細(xì)胞的調(diào)控是必需的，通過調(diào)控WER、GL2和CPC的轉(zhuǎn)錄來影響根毛細(xì)胞的早期發(fā)育階段，非根毛細(xì)胞中的BR信號通過作用于BRI1誘導(dǎo)WER表達(dá)，導(dǎo)致CPC積累，而CPC能夠轉(zhuǎn)移到鄰近的根毛細(xì)胞中，抑制WER和GL2表達(dá)。此外，Kuppusamy等［65］還進(jìn)一步證實了根毛細(xì)胞中轉(zhuǎn)移進(jìn)來的CPC能夠促進(jìn)SCM（scrambled）積累，進(jìn)一步抑制WER表達(dá)。Cheng等［66］研究發(fā)現(xiàn)，在沒有 BR 時，WER-GL3/EGL3-TTG1復(fù)合體由于WER表達(dá)量下調(diào)和BIN2的磷酸化導(dǎo)致其在根毛細(xì)胞和非根毛細(xì)胞中的形成和活性都受到抑制，從而抑制GL2表達(dá)；當(dāng)有BR時，BR信號能夠抑制BIN2激酶活性，使得根毛細(xì)胞中的EGL3和TTG1未被磷酸化而行使正常功能，形成的WER-EGL3-TTG1復(fù)合體能夠促進(jìn)GL2的表達(dá)；在非根毛細(xì)胞中，GL3與WER和TTG1形成復(fù)合體并促進(jìn)GL2的表達(dá)。

最新研究發(fā)現(xiàn)，AGP21（arabinogalactan peptide 21）對根毛發(fā)育也是必需的（圖5）。BR信號激活轉(zhuǎn)錄因子BZR1正向調(diào)控AGP21，AGP21通過抑制GL2的表達(dá)，激活下游基因RHD6（roothairdefective6）、RSL4（roothairdefectivelike-4）、EXP7（exportin7），從而促進(jìn)根毛的發(fā)育［67］。

圖5 BR調(diào)控根毛生長發(fā)育［33］Fig.5 BR regulates root hair growth and development［33］

3.6 BR調(diào)控根系向地性

植物根系向著地心引力的方向生長，能夠深入土壤中吸收水分和養(yǎng)分，維持地上部分生長。BR與AUXIN共同調(diào)控根的向地性。BR通過促進(jìn)AUXIN輸出載體PIN2蛋白從根尖向伸長區(qū)的積累，并刺激ROP2（rho-of-plant2）在向性反應(yīng)中的表達(dá)和分散定位，從而增強(qiáng)植物的向性反應(yīng)［68］。Kim等［69］研究發(fā)現(xiàn)，BR能夠提高突變體auxi-7和pin2根的向地性，而施加AUXIN能夠減弱BR誘導(dǎo)的根系重力敏感性。Lanza等［70］研究發(fā)現(xiàn)，BR通過改變PIN2極性定位和AUXIN梯度來調(diào)節(jié)根的重力響應(yīng)。BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與內(nèi)吞PIN2分選之間的相互作用，通過減少細(xì)胞伸長差異來確定重力誘導(dǎo)根彎曲的速率，BR通過調(diào)控PIN2分類和在細(xì)胞內(nèi)的分布來控制著側(cè)向PIN2梯度的形成，但這并不是根系彎曲的先決條件，而是抑制了AUXIN的不對稱流動和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)［71］。

BR還與其他信號共同調(diào)控根系向地性。Glc通過增加BR受體BRI1的內(nèi)吞作用，增強(qiáng)BR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，誘導(dǎo)根偏差反應(yīng)，而CTK和ETH與BR起拮抗作用，在BR下游起作用，以控制這種反應(yīng)［72-73］。big5-1突變體和big3-1、big5-1雙突變體根系彎曲加速，表現(xiàn)出強(qiáng)的根系重力反應(yīng)，用BR處理野生型擬南芥表現(xiàn)出扭曲的根系生長，相比之下突變體對BR處理不敏感，彎曲根顯著減少［74］。

4 展望

BR作為一種植物內(nèi)源激素，與其他激素一樣，也有其龐大而復(fù)雜的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。雖然BR在根系發(fā)育過程中的主要調(diào)控機(jī)制研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但仍有許多問題尚待研究，如：①為何低含量的BR能夠促進(jìn)根系發(fā)育，而高含量的BR卻抑制根系發(fā)育；②BR是否還與其他信號分子在調(diào)控根系發(fā)育方面有關(guān)聯(lián)；③植物如何通過感受內(nèi)外環(huán)境線索來控制BR動態(tài)平衡等。

綜上分析，今后應(yīng)從以下幾個方面對植物根系展開研究：①從蛋白層面深入解析低含量BR和高含量BR調(diào)控根系發(fā)育的機(jī)制；②進(jìn)一步挖掘與BR互作的其他信號分子種類及其互作機(jī)理；③從空間和時間方面研究根系中BR動態(tài)平衡機(jī)制；④從調(diào)控根系網(wǎng)絡(luò)的整體性方面研究BR與其他激素相互作用的分子機(jī)制。因此，對BR調(diào)控根系發(fā)育機(jī)制的深入研究，不僅為完善根系發(fā)育機(jī)制提供理論基礎(chǔ)，也對提高作物產(chǎn)量具有重要意義。