李亞囡，李學(xué)華，王廣海，董 輝

（河北省農(nóng)林科學(xué)院 石家莊果樹研究所，河北 石家莊 050061）

油菜素內(nèi)酯（Brassinosteroids，BRs）是植物體內(nèi)一類多羥基的類固醇激素，在植物生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要作用。BRs最初被證實(shí)在細(xì)胞伸長中發(fā)揮了重要作用，隨著研究的不斷深入，BRs被發(fā)現(xiàn)參與了植物體的多種生理活動(dòng)，如細(xì)胞分裂、光形態(tài)建成、木質(zhì)部分化等，此外，在植物應(yīng)對(duì)非生物和生物脅迫中也發(fā)揮著重要的作用［1］。通過近20多年的研究表明，BRs信號(hào)通路中的信號(hào)傳導(dǎo)過程已經(jīng)被詳細(xì)地闡述，受BRs信號(hào)通路調(diào)控的基因有5000～8000個(gè)，其中約一半基因的表達(dá)水平被BRs信號(hào)通路上調(diào)［2］。BRs在調(diào)節(jié)植物生長及應(yīng)對(duì)非生物脅迫（如低溫、干旱、鹽堿及重金屬脅迫等）方面的研究報(bào)道較多［3］，而在應(yīng)對(duì)生物脅迫方面，尤其是應(yīng)對(duì)病毒侵染的應(yīng)答機(jī)制方面的研究較少。本文闡述了BRs信號(hào)通路及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)已報(bào)道的BRs參與植物抗病毒應(yīng)答的可能機(jī)制進(jìn)行了探討。

1 BRs信號(hào)通路及其調(diào)控機(jī)制

BRs的識(shí)別發(fā)生在細(xì)胞表面，其受體BRI1（BR Insensitive 1）是位于質(zhì)膜上的一種跨膜蛋白，其N-端具有BRs結(jié)合結(jié)構(gòu)域、C-端具有磷酸激酶結(jié)構(gòu)域。此外，BRs激活BRs信號(hào)通路還需要與位于質(zhì)膜上的共受體BAK1（BRI1-Associated Kinase 1）的參與［4］。

當(dāng)沒有BRs存在時(shí)，BRI1的C-端會(huì)與抑制蛋白BKI1（BRI1 Kinase Inhibitor 1）結(jié)合，從而抑制其磷酸激酶活性［5］；而共受體BAK1會(huì)與質(zhì)膜上的跨膜蛋白BIR3（BAK1-Interacting Receptor-like Kinases 3）相互作用，從而抑制其與BRI1形成復(fù)合體，使BRs信號(hào)通路處于關(guān)閉狀態(tài)［6］。

當(dāng)BRs存在時(shí)，BRs被BRI1識(shí)別并與共受體一起形成BRI1-BRs-BAK1復(fù)合體，此時(shí)BRI1和BAK1磷酸激酶活性的抑制被解除，相互磷酸化并進(jìn)入活化狀態(tài)［4］，通過磷酸化作用激活細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的磷酸激酶BSKS（BR Signaling Kinases）和CDG1（Constitutive Differential Growth 1）［7-8］，進(jìn) 而 激 活磷酸酶BSU1（BRI1-Suppressor 1）［7］。BSU1會(huì)使細(xì)胞質(zhì)中糖原合成酶激酶家族成員BIN2（Brassinosteroid Insensitive 2）去磷酸化而失活，從而解除其對(duì)BRs信號(hào)通路相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子BES1（BRI1-Emssuppressor 1）和BZR1（Brassinazole-Resistant 1）的抑制作用，BES1和BZR1在蛋白磷酸酶作用下去磷酸化，進(jìn)而調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)［9-10］。

BIN2是BRs信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控因子，其抑制BES1和BZR1的機(jī)制是通過磷酸化BES1和BZR1阻止其進(jìn)入細(xì)胞核，并降低其結(jié)合DNA的能力，促進(jìn)其降解，從而抑制其調(diào)節(jié)基因表達(dá)的能力［11］。BES1和BZR1活性還可以被細(xì)胞質(zhì)中的BSS1（BRZ-Sensitive-Short Hypocotyl 1）抑制，阻止其調(diào)節(jié)基因表達(dá)的能力［12］。

此外，BIN2的活性還受到多種機(jī)制調(diào)控。在BRs存在時(shí)，BIN2被E3泛素連接酶家族成員KIB1（Kink Suppressed in BZR1-1D）泛素化，隨后被蛋白酶體降解，從而解除對(duì)BRs信號(hào)通路的抑制作用［13］。細(xì)胞中還存在通過空間阻滯來抑制BIN2磷酸化BES1和BZR1的調(diào)節(jié)途徑，如有研究表明，在氣孔細(xì)胞中，POLAR蛋白（Polar Localization During Asymmetric Division and Redistribution）可以通過將BIN2隔離在質(zhì)膜上，從而影響其負(fù)調(diào)控作用［14］。此外，許多轉(zhuǎn)錄后的修飾作用也參與BIN2活性的調(diào)節(jié)過程，如HDA6（Histone Deacetylase6）促進(jìn)BIN2去乙酰基化，從而抑制其磷酸激酶活性［15］；細(xì)胞內(nèi)的活性氧ROS通過氧化作用可以激活BIN2活性［16］；BIN2在脫落酸存在時(shí)，可以被脫落酸信號(hào)通路負(fù)調(diào)控因子ABI1（Related to Abscisic Acid Insensitive）磷酸化激活［17］。由此可見，通過BIN2活性的多種調(diào)節(jié)機(jī)制，BRs信號(hào)途徑可以參與多種植物體的生命調(diào)節(jié)活動(dòng)和脅迫應(yīng)對(duì)機(jī)制。

與BIN2一樣，BES1和BZR1作為BRs信號(hào)通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，也受到多種調(diào)控機(jī)制影響。由BIN2介導(dǎo)的磷酸化調(diào)控途徑是被廣泛認(rèn)可的BRs信號(hào)通路調(diào)控機(jī)制。此外，BRs會(huì)誘導(dǎo)過氧化氫（H2O2）的產(chǎn)生，引起B(yǎng)ES1和BZR1的氧化，從而阻礙BIN2對(duì)其的磷酸化作用，同時(shí)BRs還會(huì)抑制硫氧還蛋白基因的表達(dá)，防止硫氧還蛋白對(duì)BZR1的還原作用［18］。

2 BRs在植物抗病毒方面的作用

2.1 BRs可以減弱病毒侵染對(duì)光系統(tǒng)的損傷

大多數(shù)病毒在侵染植物時(shí)會(huì)對(duì)植物光系統(tǒng)造成不同程度的損傷，使其光合效率降低。由于光系統(tǒng)可以通過參與能量代謝和氧還平衡的維持為植物體在應(yīng)對(duì)脅迫時(shí)發(fā)揮作用［19］。因此，光系統(tǒng)損傷不僅會(huì)影響植物體生長發(fā)育等正常的生命過程，也會(huì)影響植物防御應(yīng)答反應(yīng)的調(diào)控。Zhang等［20］研究表明，在黃瓜花葉病毒侵染煙草時(shí)，外施BRs可以有效減少因煙草花葉病毒侵染造成的光合效率降低及光系統(tǒng)損傷，這表明BRs在病毒侵染植物時(shí)可以減弱病毒對(duì)光系統(tǒng)的損傷。

2.2 BRs調(diào)控植物交替氧化酶表達(dá)參與抗病毒作用

植物抵抗病毒入侵是一個(gè)需要細(xì)胞氧化還原平衡及能量代謝精細(xì)調(diào)控的過程，線粒體是能量和ROS產(chǎn)生的主要來源，而交替氧化途徑作為線粒體能量耗散途徑之一，在調(diào)控植物抗脅迫中起到重要作用［21］。交替氧化酶（Alternative Oxidase, AOX）是位于植物線粒體內(nèi)膜上的交替氧化途徑的末端氧化酶，可以將線粒體細(xì)胞色素電子傳遞鏈途徑的電子分流，將能量通過熱量釋放，是植物細(xì)胞線粒體能量耗散途徑之一［22］。有研究表明，AOX不僅是交替氧化途徑中的關(guān)鍵酶，而且還參與植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫、冷脅迫、重金屬脅迫等的調(diào)控過程［23-24］，此外其也在植物抵御病原體侵染中發(fā)揮重要的作用［25］，例如在煙草中過表達(dá)AOX能增強(qiáng)其抗病性，并且能減少病毒侵染誘發(fā)的超敏反應(yīng)（Hypersensitive Response, HR）壞死，這表明AOX參與到了線粒體介導(dǎo)的HR反應(yīng)的調(diào)控中［26］；細(xì)胞色素途徑抑制劑抗霉素A能抑制黃瓜花葉病毒在擬南芥中的系統(tǒng)性移動(dòng)［27］。

有研究表明，AOX基因的表達(dá)受到BRs信號(hào)通路的調(diào)控。在煙草中BRs可以誘導(dǎo)AOX基因的表達(dá)，上調(diào)線粒體交替氧化酶活性，并且煙草AOX基因的啟動(dòng)子活性可以被外源BRs上調(diào)［28］。此外，BRs誘導(dǎo)AOX基因表達(dá)還與活性氧的參與有關(guān)，BRs通過調(diào)控NADPH氧化酶基因表達(dá)，誘導(dǎo)H2O2的產(chǎn)生，H2O2作為信號(hào)分子，進(jìn)一步誘導(dǎo)AOX基因表達(dá)［29］。還有報(bào)道表明，BRs可以誘導(dǎo)接種葉和上部未處理的葉中H2O2的產(chǎn)生，在煙草花葉病毒侵染煙草時(shí)，煙草也會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)性抗性［30］。

2.3 BRs信號(hào)通路參與植物免疫相關(guān)激素的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

植物激素是參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育及脅迫應(yīng)答的一類非常重要的小分子物質(zhì)，其中，水楊酸（Salicylic Acid, SA）、茉莉酸（Jasmonates, JAs）、乙烯（Ethylene, ET）被認(rèn)為在植物應(yīng)對(duì)生物脅迫的免疫應(yīng)答中發(fā)揮著重要作用［31］。植物體在應(yīng)對(duì)病毒侵染時(shí)，其抗性基因的產(chǎn)物通過與病毒相互作用，在侵染部位葉片引發(fā)HR反應(yīng)，產(chǎn)生壞死斑而阻止病毒向健康組織擴(kuò)散。隨后在植物未受侵染組織中會(huì)引發(fā)系統(tǒng)獲得性抗性（Systemic Acquired Resistance, SAR）或誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（Induced Systemic Resistance, ISR），其中，SAR的產(chǎn)生被認(rèn)為與SA的積累及其信號(hào)通路調(diào)控的病原相關(guān)蛋白基因（Pathogenesis-Related Genes，PR基因，如PR1、PR2）的激活有關(guān)，而ISR則與JA信號(hào)通路的激活有關(guān)［32］。

SA、JA、ET信號(hào)通路彼此相關(guān)聯(lián)而形成復(fù)雜的協(xié)同/拮抗調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，而ET被認(rèn)為是SA、JA信號(hào)通路的調(diào)節(jié)者。ET和JA信號(hào)通常被認(rèn)為是協(xié)同發(fā)揮作用，最典型的例子是擬南芥防御基因PDF1.2的激活需要ET和JA信號(hào)同時(shí)存在［33］。ET在調(diào)節(jié)SA信號(hào)通路中也被證實(shí)發(fā)揮了重要作用，有研究表明，煙草花葉病毒侵染煙草時(shí)，病毒侵染引起的ET積累在SA介導(dǎo)SAR的產(chǎn)生中是必需的［34］。

研究表明，BRs能通過增強(qiáng)ET合成酶ACS（1- Aminocyclopropane-1-Carboxylate Synthase）的活性來增加ET的積累［35］，并且BRs信號(hào)通路轉(zhuǎn)錄因子BZR1參與果實(shí)催熟過程中ET的積累［36-37］，這表明BRs信號(hào)通路可以與ET信號(hào)通路相互作用，參與ET信號(hào)通路介導(dǎo)的植物免疫應(yīng)答。此外，還有報(bào)道證實(shí)：BRs通過誘導(dǎo)產(chǎn)生H2O2，誘導(dǎo)ET的積累，而ET和H2O2作為信號(hào)分子可以激活細(xì)胞內(nèi)抗氧化途徑，減緩氧化損傷［38］，ET又可以通過激活線粒體交替氧化途徑，誘導(dǎo)對(duì)蕪菁花葉病毒的抗性［39］。這表明BRs信號(hào)通路可以通過參與植物免疫應(yīng)答激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)植物抗病毒應(yīng)答。

2.4 BRs通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路參與抗病毒作用

BRs除了參與植物免疫應(yīng)答激素調(diào)控網(wǎng)絡(luò)外，還可以通過影響多種信號(hào)通路，參與植物抗病毒應(yīng)答調(diào)控。

NO是一種可以發(fā)揮信號(hào)分子作用的小分子氣體。在植物中，NO最早被發(fā)現(xiàn)在植物抵抗細(xì)菌性病原體侵染中發(fā)揮著重要作用［40］，此后，也被證實(shí)參與了植物氣孔關(guān)閉、細(xì)胞壞死、萌發(fā)、葉片伸展、開花、植物抗逆應(yīng)答等多種生理活動(dòng)［41］。在植物抗病毒應(yīng)答方面，NO可以誘導(dǎo)煙草對(duì)病原菌的HR反應(yīng)，并且高濃度的NO積累能增強(qiáng)煙草對(duì)煙草花葉病毒的抗性［42］。已知的NO生物合成途徑有2種，即亞硝酸還原酶途徑和一氧化氮合成酶途徑［43-44］。作為植物體的一種重要信號(hào)分子，NO的合成和積累往往受到植物激素信號(hào)通路調(diào)控。研究表明，BRs處理能夠增加黃瓜和煙草中NO的產(chǎn)生［45］，能顯著增加擬南芥中NO的積累，并減少系統(tǒng)葉中黃瓜花葉病毒的積累［46］。BRs參與調(diào)控NO產(chǎn)生和積累的機(jī)制已有部分假說被提出，如Deng等［30］研究表明，BRs可能通過誘導(dǎo)H2O2激活NO生物合成途徑的亞硝酸還原酶途徑，從而增加NO的產(chǎn)生和積累，這表明BRs可以通過調(diào)控NO的積累而參與抗病毒作用。

促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）級(jí)聯(lián)反應(yīng)是真核生物非常保守的一條信號(hào)通路，其作用可以將胞外信號(hào)傳遞入細(xì)胞內(nèi)，調(diào)控細(xì)胞對(duì)外界信號(hào)的應(yīng)答。在植物中，MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)在植物應(yīng)對(duì)病原體的應(yīng)答中發(fā)揮重要作用，例如在煙草中，MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)元件能誘導(dǎo)蛋白激酶參與防御基因介導(dǎo)對(duì)煙草花葉病毒的抗性［46］。近年來的研究表明，BRs與MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)通路相關(guān)聯(lián)。在擬南芥中，MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)可以與BRs信號(hào)通路負(fù)調(diào)控單元BIN2相互作用［47］，此外，BRs可以通過激活MAPK信號(hào)通路調(diào)控氣孔發(fā)育，抑制MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)活性會(huì)減弱BRs引導(dǎo)的植物抗逆反應(yīng)［48］。有研究表明，BRs與MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)相互作用在植物抗病毒應(yīng)答方面也發(fā)揮了重要作用。在本氏煙中沉默MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)信號(hào)通路蛋白基因時(shí)會(huì)減弱其對(duì)煙草花葉病毒的抗性，并且BRs能增加MAPK信號(hào)通路作用蛋白的表達(dá)量，這表明BRs能調(diào)控MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)參與植物抗病毒作用［49］。

2.5 BRs調(diào)控防御應(yīng)答相關(guān)基因表達(dá)

BRs信號(hào)通路已被證實(shí)可以調(diào)控多種基因的表達(dá)，其中也包含多種與植物抗逆應(yīng)答相關(guān)的基因。Zhang等［20］研究表明：在使用BRs處理被花瓜花葉病毒侵染的擬南芥后，植物抗性相關(guān)基因WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族成員WRKY30和WRKY33、MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)通路蛋白MAPK3和MAPK6，SA調(diào)控抗病應(yīng)答蛋白PR1和PR2、抗氧化相關(guān)蛋白酶谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶的表達(dá)量顯著增加。其中，前文已描述SA信號(hào)通路、MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)以及植物抗氧化系統(tǒng)都在植物抗病毒應(yīng)答中發(fā)揮了重要作用。而WRKY轉(zhuǎn)錄因子家族成員在調(diào)控抗病毒應(yīng)答相關(guān)基因表達(dá)中也發(fā)揮了重要作用，例如在大米中WRKY30在抵抗病原物侵染時(shí)能增強(qiáng)JA積累和PR基因表達(dá)［50］，擬南芥的WRKY33被證實(shí)以SA-ET-JA信號(hào)網(wǎng)絡(luò)多種蛋白基因?yàn)榘袠?biāo)，參與表達(dá)調(diào)控［51］。由此可見，BRs可以通過調(diào)控防御應(yīng)答相關(guān)基因表達(dá)參與植物抗病毒作用。

3 小結(jié)與展望

在過去的幾十年中，BRs信號(hào)通路一直是植物調(diào)控防御應(yīng)答研究的熱點(diǎn)之一，通過眾多的突變體研究，BRs信號(hào)通路中重要的作用蛋白及其在植物生長和環(huán)境應(yīng)答調(diào)控中的重要作用被不斷地揭示。并且越來越多的證據(jù)表明，BRs信號(hào)通路并非單獨(dú)發(fā)揮作用，而是與其他激素信號(hào)通路以及多種植物應(yīng)激應(yīng)答信號(hào)通路相關(guān)聯(lián)，共同組成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。然而，即便BRs信號(hào)通路已被詳細(xì)地描述，仍然還有很多疑問需要進(jìn)一步的研究和揭示，例如BRs信號(hào)通路如何調(diào)控?cái)?shù)量如此之多的基因在不同的細(xì)胞、組織中的差異性表達(dá)，以平衡生長發(fā)育調(diào)控和環(huán)境脅迫應(yīng)答調(diào)控。

今后，隨著單細(xì)胞基因組學(xué)、改良蛋白質(zhì)組學(xué)、計(jì)算機(jī)模型等技術(shù)的發(fā)展，研究人員對(duì)BRs信號(hào)通路的了解會(huì)不斷加深，并將BRs及其調(diào)控作用應(yīng)用到農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物的栽培管理中，從而達(dá)到促進(jìn)農(nóng)作物提質(zhì)增效的目的。