摘要：油菜素內酯類化合物（brassinosteroids．BRs）是第六大類植物激素，對植物生長發(fā)育及逆境脅迫響應具有重要的調控作用。自1970年被發(fā)現(xiàn)至今，人們在BRs的生物學功能、結構及生物合成、信號轉導通路和其對農作物重要農藝性狀調控等方面研究取得一系列重要進展。本文就BRs生物合成途徑、BRs信號轉導通路及其對植物生長發(fā)育的調控機制等方面研究成果進行綜述，并對其未來發(fā)展和研究方向進行展望。

關鍵詞：油菜素內酯類化合物：生物合成途徑：信號轉導通路：生長發(fā)育：調控機制

中圖分類號：S482.8 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024） 08-0173-08

油菜素內酯類化合物（brassinosteroids，BRs）是甾醇類激素，是目前發(fā)現(xiàn)的第六大植物激素。高等動物只能在特定的組織器官合成甾醇類激素物質，而植物幾乎所有組織都具有甾醇類激素合成能力，具有更高的靈活性，便于結合自身生物學特性來適應多變的環(huán)境條件。BRs在植物開花、授粉、結實、種子萌發(fā)、器官發(fā)育和衰老以及光形態(tài)建成等生長發(fā)育的各個重要環(huán)節(jié)中起調控作用。BRs與生長素、細胞分裂素、赤霉素、脫落酸及茉莉酸等多種植物激素存在相互作用及調節(jié)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)BRs對小麥、水稻等重要糧食作物的產量性狀以及番茄、油菜、大白菜等園藝作物的食用器官形狀、大小和品質等重要農藝性狀的形成有重要調控作用，相關研究取得許多重要突破。有學者預測，BRs將成為實現(xiàn)新一輪綠色革命的主力軍。本文對以往有關BRs生物合成途徑、BRs信號轉導通路及其對植物生長發(fā)育的調控機制等方面研究進行綜述，并對其未來發(fā)展和研究方向進行展望。

1 BRs的發(fā)現(xiàn)及其生物合成途徑

1.1 油菜素內酯的發(fā)現(xiàn)

油菜素內酯是一類多羥基化的植物固醇類激素，在植物的整個生長發(fā)育過程中起著至關重要的作用。油菜素內酯從1970年被發(fā)現(xiàn)至今，已有50年的歷史。在這期間的一系列研究表明，這一新發(fā)現(xiàn)的植物激素結構上近似于動物的類固醇激素，能夠促進細胞伸長和分化、光形態(tài)建成、木質部分化，調節(jié)衰老、雄株的育性、花粉發(fā)育和果實成熟，調節(jié)植物響應多種環(huán)境信號以及生物和非生物逆境等。1970年，Mitchell等從大量的花粉中，提取到一種活性物質油菜素（bras-sms，BR），發(fā)現(xiàn)其具有不同于赤霉素的促進菜豆第二節(jié)間伸長的功能，這一提取物促進菜豆節(jié)間生長的能力強于生長素吲哚乙酸，與細胞分裂素無關。核磁共振分析認為油菜素是含有脂肪酸脂類的物質，被認為是一種新的植物激素。直到1979年，Grove等從227 kg的油菜花粉中提取了10 mg的活性物質，經(jīng)過色譜層析提純后，用X射線衍射鑒定其化學結構，確認其為3個己烷環(huán)及一個環(huán)戊烷稠合而成的甾醇類化合物，被正式命名為油菜素內酯（brassinolide，BL）。之后，又有一類甾酮類植物激素被鑒定，且認為是BL合成的直接前體，命名為栗甾酮（castasterone，CS）。迄今為止，植物領域已經(jīng)發(fā)現(xiàn)70余種油菜素內酯類化合物，統(tǒng)稱為油菜素內酯類化合物（Brassinosteroids，BRs）。目前已發(fā)現(xiàn)的BRs中分布最廣泛數(shù)量最多的是CS，而活性最高的是C-6位被氧化成酯鍵的BL。大多數(shù)BRs的化學結構、生物合成途徑、功能和信號轉導途徑已經(jīng)被解析。

1.2 油菜素內酯的生物合成

人們借助長春花（Catharanthus roseus L.）懸浮細胞系的BRs代謝研究系統(tǒng)以及菊芋、水稻和擬南芥油菜素內酯的生物合成途徑各類突變體，通過飼喂標記中間物并利用GC/MS分析代謝產物，揭示了植物體內BRs的生物合成途徑。BRs合成途徑包括C-22氧化途徑、C-6氧化途徑、早期C-22氧化途徑與晚期C-6氧化途徑等。第一階段，經(jīng)乙酰輔酶A-甲羥戊酸-異戊烯基焦磷酸-焦磷酸香葉基酯-焦磷酸法呢酯，由環(huán)烯醇合成菜油甾醇（campesterol．CR）。第二階段分為兩類：一類是依賴菜油甾醇的早期C-6和晚期C-6氧化途徑，其中早期C-6氧化路線為在C-22氧化之前先進行C-6氧化，即菜油甾醇經(jīng)過加氧、6a-羥化、氧化生成6-氧菜油甾烷醇，經(jīng)羥化生成茶甾酮，經(jīng)脫羥基、再羥化為香蒲甾醇，進而轉化為油菜素甾酮、油菜素內酯，而晚期C-6氧化途徑為在C-6氧化之前使C-22羥基化，活性較低的6-脫氧長春固酮可通過后期C6氧化途徑轉變?yōu)榛钚暂^高的BL;另一類是獨立于菜油甾醇的早期C-22氧化途徑，通過DIVF4使C-22羥基化。

2 BRs信號轉導通路

2.1 油菜素內酯受體激酶BRI1

BRII（brassinosteroid insensitive l）是一個跨膜的絲氨酸／蘇氨酸依賴性受體激酶，是BR的特異性受體。它屬于富含亮氨酸重復序列的膜受體激酶（LRR-RKs）的蛋白大家族，這一家族在擬南芥中發(fā)現(xiàn)有223個成員，在番茄中有234個成員，在水稻中有將近400個成員。LRR-RKs是植物細胞表面受體的主要組成部分，在感知細胞外信號以及調控植物發(fā)育過程中是必不可少的，同時參與植物地上部分生長發(fā)育和根部分生組織的保持等。與大多數(shù)典型的膜受體相同，BRI1蛋白包括胞外域、跨膜區(qū)以及胞內激酶域三個部分。BRI1胞外部分含有25個富含亮氨酸的重復序列。這個重復序列與其它LRR-RKs具有很高的同源性，在BRI1形成二聚體復合物時發(fā)揮重要作用。在這個區(qū)域的第21個和第22個重復序列之間，有一個包含70個氨基酸殘基的“氨基酸島”，這一結構為BRI1所特有，是BRI1結合配基BRs的區(qū)域，是其行使信號轉導功能必不可少的。此外，BRI1還包括一個單一的跨膜區(qū)域和胞質內具有絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶活性的結構域，最近研究發(fā)現(xiàn)，PHB3可以與BRI1和BAK1相互作用，參與BR的信號轉導。

2.2 油菜素內酯共受體激酶BAKI

BAK1（BRI1 -associated kinase 1）是油菜素內酯膜激酶受體BRI1的共受體，它與BRI1同屬于LRRRKs家族，也是一個絲氨酸／蘇氨酸依賴性蛋白激酶。與BRI1類似，BAK1具有典型的膜激酶受體結構，包含5個LRR重復序列的胞外區(qū)，單一的跨膜區(qū)和細胞質內的激酶區(qū)。2002年，Nam、Li等分別獨立通過激活標簽法和酵母雙雜交法克隆了BAK1基因，并驗證了BAK1參與BR信號轉導的功能。后來，Wang等研究表明，在BR信號轉導過程中，BRI1與BAK1形成異源二聚體，BAK1通過與BRI1連續(xù)相互的交互磷酸化作用，提高BRI1的活性，活化的BRI1再磷酸化激活下游組分，從而實現(xiàn)BR路徑信號的放大與傳遞。在擬南芥中，以野生型為背景過表達BAK1會導致植物器官的伸長，葉片、葉柄變得更長、更窄，這與過表達BRI1的表型相似。而BAK1基因完全無功能突變體會表現(xiàn)出半矮化的表型，株高降低，蓮座葉變小變圓，葉柄變短，對油菜素內酯的敏感度降低。BAK1又稱為SERK3（somatic embryogenesis receptor ki-nase 3），最初研究發(fā)現(xiàn)其在植物體細胞胚發(fā)生過程中，參與發(fā)育調控作用，其共有5個同源基因，另外4個同源基因分別命名為SERK1、SERK2、SERK4（又稱為BKK1）、SERK5。有研究報道，SERK1、SERK2、SERK3和SERK4蛋白也參與BR信號轉導功能：BAK1和BKK1參與光下幼苗死亡調控。大量研究表明，BAK1作為一個明星分子，與FLS2、BIK1、BIRs、PEPR1/2等抗病相關蛋白相互作用，參與植物抗病免疫的多個過程。最近研究發(fā)現(xiàn)，BAK1在協(xié)同BRI1參與糖介導的生長發(fā)育調控和植物響應光誘導H2O2清除方面發(fā)揮作用。

2.3 油菜素內酯信號轉導途徑

擬南芥中油菜素內酯合成酶分布于內質網(wǎng)上，因此，油菜素內酯很可能是在內質網(wǎng)上合成的。油菜素內酯合成后，由內質網(wǎng)運輸?shù)劫|外體中，從而與其位于細胞膜上的受體BRI1相結合。最新研究發(fā)現(xiàn)ABCB19是BR的跨膜運輸?shù)鞍?，填補了該領域的關鍵空白。當植物感知BR時，BR與BRI1的胞外域以及BAK1/SERK1/BKK1通過配基結合的方式形成復合體，從而導致BRI1的胞外域以及胞內域發(fā)生重排，使其自磷酸化，從而具有基本活性。當BL濃度低、BRI1缺失或BAK1/SERK1/BKK1三者同時敲除時，無法形成正常復合體，BR信號將無法轉導。

當細胞中BR配基分子濃度低時，BRI1激酶活性一方面受自身C末端自磷酸化位點的抑制，另一方面BKI1在質膜與BRI1相互作用，抑制BAK1與BRI1形成異源二聚體，進而抑制BRI1的激酶活性。BKI1是BR信號轉導中重要的負向調控因子之一，其是通過酵母雙雜交的方法篩選得到的BRI1的互作組分。BKI1與BRI1的互作，抑制了BRI1的激酶活性，從而抑制了BRI1與BAK1的互作。與BKI1的功能相類似，BIR3（BAK1-intreacting receptor-like kinases 3）也抑制BAK1蛋白或SERK1等其他SERK同源蛋白與BRI1蛋白的結合。BIN2是BR信號轉導路徑中另一個重要的調控因子。BIN2編碼一個糖原合成激酶3（GSK/shaggy-like kinase）。細胞中BR濃度低時BIN2處于具有激酶活性的磷酸化狀態(tài)，通過其羧基末端的12個氨基酸與轉錄因子BES1/BZR1互作，并將其磷酸化。磷酸化后的BZR1和BES1被磷酸化肽段結合蛋白14-3-3結合經(jīng)蛋白酶體降解，轉錄抑制子BZR1蛋白減少，從而失去對BRs合成基因DWF4、CPD、DET2等表達的抑制，使得BRs水平提高。此外，BESI和BZRI也通過與一個BROADCom-plex/Tramtrack/Bric．A．Brac家族蛋白BSS1（BRZ-sensitive-short hypocotyl 1）相互作用以維持非活性狀態(tài)。

當細胞中BR配基分子濃度高時，BRs與BRI1的胞外“島”域和第22個LRR相結合，使BRI1顯示出基礎的激酶活性。具有初始活性的BRI1招募BAK1，與BAK1結合后將BAK1部分磷酸化位點S290、T312、T446、T449、T450、T455激活，激活狀態(tài)的BAK1反過來又將BRI1一些位點磷酸化，完全激活其活性。之后BRI1和BAK1相互作用，并激活受體激酶BRI1活性，激活后的BRI1使BKI1的S270和S274位點磷酸化，之后磷酸化的BKI1與BRI1分離。磷酸化激活后的BRI1緊接著會通過磷酸化激活其下游一系列底物如BSKs（BR signaling kinases），CDG1（constitutive differential growth l）和CDLI等，從而通過磷酸化的級聯(lián)信號放大，將油菜素內酯信號傳遞到下游。BSK1是通過雙向電泳和質譜技術鑒定到的BRI1的互作組分，BSKs屬于胞質激酶（receptor-like cytoplasmic kinases， RLCK），BRI1能將其S230位點磷酸化，從而將其激活。通過后期遺傳學試驗證實其位于BSU1（bril suppressors 1）上游，并與之相互作用。CDG1和CDL1同樣屬于胞質激酶，BRI1能夠與CDG1的激酶結構域結合，從而將其磷酸化激活，激活后的CDG1具有調節(jié)BSU1的功能。激活后的BSKs/CDG1/CDL1復合體使得BSU1激活。BSUI是磷酸化蛋白質磷酸酶（phosphoproteinphosphatases，PPPs） ，激活的BSUI將糖原合成激酶BIN2的Tyr200位點去磷酸化，導致BIN2被蛋白酶體降解。之后，蛋白磷酸酶PP2A使BZR1和BES1去磷酸化，BZR1在細胞核中積累，誘導BRs合成基因的轉錄，BES1也在細胞核中積累，并與其它轉錄因子一起，在細胞核中激活BR誘導的調控植物生長發(fā)育的基因表達。

3 BRs對植物生長發(fā)育的調控機制研究

3.1 促進植物生長發(fā)育

BRs能在植物的整個生命周期中調節(jié)生長發(fā)育，其參與的主要生命過程包括植物下胚軸伸長、開花調控、葉片衰老、花粉發(fā)育以及根的生長發(fā)育等。其作用機理主要是通過促進細胞壁松弛及細胞伸長等細胞的生長，從而促進根的生長、葉片的展開、葉柄的伸長等。例如，當在培養(yǎng)基中添加1 μmol/L 24-表油菜素內酯（EBR），植株生長得到顯著恢復，下胚軸伸長、葉柄增長、葉面積明顯增加；大豆苗期噴施油菜素內酯，能顯著促進其上胚軸、節(jié)間以及葉柄的伸長；水稻的BRs合成突變體brd1在無菌條件下極度矮化，呈現(xiàn)出葉鞘極短、葉片短而卷曲以及分蘗量很少的表型，當外源噴施100 nmol/L BL時，植株生長恢復到野生型水平：對番茄幼苗外源噴施EBR試驗表明，油菜素內酯能提高番茄幼苗株高、葉片葉綠素含量和凈光合速率。

3.2 促進植物的光合作用

BR具有促進植物光合作用的直接證據(jù)，EBR可通過提高Calvin循環(huán)中的酶活性從而分別對光合作用光反應和碳水化合物代謝起反向和正向的調控作用。有報道表明，BR通過誘導光合基因表達和1，5-二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶（Rubisco）活力來提高Rubisco的羧化速率、初始活力及1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）再生速率，引起CO，同化速率和葉綠體電子傳遞速率的變化，從而改變植株的光合作用。此外，外源施加BL也能顯著促進光下大豆下胚軸和上胚軸的伸長，抑制黑暗條件下上胚軸的伸長，且在生長后期抑制大豆葉片衰老。外源施加油菜素內酯可以緩解鹽堿脅迫對羊草光合系統(tǒng)和抗氧化酶系統(tǒng)的破壞。胺鮮酯和油菜素內酯復配使用可以有效提高油用牡丹生理特性及籽粒產量。

3.3 提升植物的逆境防御能力

隨著BRs信號路徑研究的深入，目前已有大量文獻報道：在水稻、玉米、大豆等主要農作物及蘋果、番茄、黃瓜等多種果蔬作物中，油菜素內酯類物質的外源施用可以提高植物的抗氧化酶活性以及去毒能力，穩(wěn)定膜系統(tǒng)的結構功能，維持較高的能量代謝，調節(jié)細胞內生理環(huán)境，促進正常的生理生化代謝，以提高作物對高溫、低溫、弱光、高鹽、干旱、重金屬污染以及農藥等多種非生物逆境的抗性。EBR的外源施用能夠促進鹽脅迫植株中可溶性糖、游離氨基酸、脯氨酸、有機酸和各種大量必需無機離子的累積，且大幅降低Na+和Cr的水平，從而使作物的逆境耐性增強。干旱脅迫下外源EBR通過誘導辣椒葉片抗氧化酶活性增加，增強細胞的抗氧化酶活性，減輕干旱造成的膜脂過氧化傷害，增強辣椒幼苗的耐旱性。弱光脅迫下，番茄葉面積、比葉面積、莖葉夾角、莖葉垂角以及垂度均顯著提高，不利于光合作用進行。噴施EBR后，以上指標均降低，且番茄幼苗的表觀量子效率、暗呼吸速率、羧化效率以及Rubisco含量得到提高，光合性能得到改善，有效緩解了弱光脅迫對番茄幼苗的傷害。Kagale等研究表明，外源施用EBR能誘導一系列干旱以及冷脅迫下抗性基因的表達，從而增強擬南芥和甘藍型油菜對干旱以及冷脅迫的抗性。Xia等研究發(fā)現(xiàn)，外源噴灑BRs處理黃瓜后，參與農藥降解的基因（如P450和GST）表達和酶活性都得到提高，這些基因調控合成的蛋白酶將農藥降解轉化為水溶性物質或低毒無毒物質，或被直接排出體外，使植物體內農藥殘留比未處理的降低了30％- 70％。王紅紅等研究報道，BRs處理可降低植物的蒸騰量，減少對藥劑的吸收量以及減輕對作物葉片光合作用的抑制，從而消除和大大減輕施用西草精、丁草胺等除草劑或殺蟲劑引起的藥害。在高溫逆境環(huán)境下，BRs通過其信號轉導路徑中的BZRI（brassinazole resistant 1）轉錄因子在核內的積累，從而誘導PIF4等促進生長的基因的表達，最終提高植物的抗熱性。

3.4 增強植物對病原菌的抵抗能力

外源施用油菜素內酯能提高植物對多種病原菌的抗性。野生型煙草噴施BL后，對病毒性病原煙草花葉病毒（tobaccomosalc vlrus，TMV）、細菌性病原丁香假單胞菌（Pseudomonas synngae pv.tabaci，Pst）以及真菌性病原粉孢子（Oidium sp.）的抗性均有增強。BL通過誘導水稻葉片內幾丁質酶基因的表達，增強其葉片細胞間隙液中幾丁質酶的活性，加速幾丁質的分解從而增強水稻對病毒病、細菌病害以及真菌病害的廣譜性抗性。大白菜軟腐病是大白菜生產上的主要病害，噴施EBR后，大白菜的感病植株與對照組相比降低25. 8％。用0.01 -0.15 mg/L BRs濃度處理小白菜5d能顯著降低小白菜霜霉病的病情指數(shù)，處理組植株的株高以及鮮重、干重均顯著高于對照。外源低濃度EBR還可以提高番茄對根結線蟲的抗性，而高濃度EBR的施用會抑制植株的抗性，增強番茄植株的感病性。

4 展望

近50年來對油菜素內酯的研究取得長足進展，油菜素內酯在調控植物生長和光合作用及植物抗生物／非生物逆境等方面也展現(xiàn)出重要作用。近年來有關油菜素內酯調控小麥、水稻等主糧作物產量和品質等重要目標性狀形成的分子機制研究獲得重要突破，展示其將成為新一輪綠色革命主力軍的美好前景，可成為創(chuàng)建下一代綠色革命品種的理想靶標。然而，在此過程中仍有一系列挑戰(zhàn)需要克服。例如，在育種實踐中如何避免油菜素內酯多效性帶來的副作用，這不但需要進一步挖掘更多的油菜素內酯天然突變體，而且還需創(chuàng)建更多的人工優(yōu)異等位變異，用于精確高效地創(chuàng)建理想作物新品種。

此外，目前油菜素內酯合成及其在促進植物生長的直接信號轉導路徑研究已較透徹，而油菜素內酯如何參與光合作用及植物對生物／非生物逆境抗性的分子機理仍不夠明晰。明確油菜素內酯合成和信號轉導及其與光合作用、植物生物／非生物逆境調控等功能之間的關系，繪制油菜素內酯功能龐雜的分子機制網(wǎng)絡仍需要更多研究人員參與，這也將為其他植物激素功能研究提供直接有效的參考。

基金項目：國家自然科學基金面上項目（32172591，31972430）；濟南市“新高校20條”創(chuàng)新團隊項目（202228058）；旱區(qū)作物逆境生物學國家重點實驗室開放課題（CSBAA202207）；山東省農業(yè)科學院農業(yè)科技創(chuàng)新工程項目（CXGC2021817，CXGC2022F20，CXGC2023G25）；2022年泰安市良種工程項目；山東省重點研發(fā)計劃項目（軟科學項目）（2023RZB06046）；山東省創(chuàng)新發(fā)展研究院智庫項目（2023CFYZK007）