80483-89-2/油菜素甾醇在植物生長(zhǎng)、發(fā)育和脅迫響應(yīng)中的作用機(jī)制

油菜素甾醇（Brassinosteroids, BRs）是一種植物類固醇激素，其在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)等多個(gè)方面發(fā)揮著重要作用。早在20世紀(jì)70年代，植物生物學(xué)家就已經(jīng)開始了對(duì)BR的研究，1996年的多項(xiàng)研究證明了BR起內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的作用，并鑒定了植物質(zhì)膜定位的BR受體激酶。之后的研究則對(duì)BR介導(dǎo)的從細(xì)胞表面受體到細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄因子的信號(hào)傳導(dǎo)進(jìn)行了深入研究。

The Plant Cell在線發(fā)表了美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)的尹延海教授和比利時(shí)根特大學(xué)Eugenia Russinova教授題為Brassinosteroids: Multi-Dimensional Regulators of Plant Growth, Development, and Stress Responses的綜述文章。該文對(duì)BR感知和BR信號(hào)傳導(dǎo)的分子機(jī)制、BR介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫響應(yīng)等方面進(jìn)行了概述，并討論了BR在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛在應(yīng)用。

該文首先對(duì)植物對(duì)BR的感知進(jìn)行了闡述。BR從合成位點(diǎn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmic reticulum, ER）轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)外體，并直接與質(zhì)膜定位的受體BR INSENSITIVE1（BRI1）或其同源蛋白BRL1（BRI1-LIKE1）、BRL3結(jié)合（均屬于富含亮氨酸重復(fù)序列 (leucine-rich repeat, LRR) 型植物受體蛋白激酶家組蛋白）。BRI1通過(guò)其胞外域（包括一個(gè)N端信號(hào)肽，25個(gè)LRR以及位于LRR21和LRR22之間的70個(gè)氨基酸島狀結(jié)構(gòu)域）感知BRs。通過(guò)對(duì)BRI1胞外域以及油菜素內(nèi)酯（brassinolide, BL）復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，LRR 23-25為BL的A-D環(huán)的結(jié)合提供了疏水表面，而LRR21、LRR22和島狀結(jié)構(gòu)域形成了BL烷基鏈結(jié)合的“口袋”結(jié)構(gòu)。與BL結(jié)合之后，BRI1胞外域中的島狀結(jié)構(gòu)域變得有序并且位置相對(duì)固定，這為結(jié)合BRI1激活所需的共受體蛋白如SERK3/BAK1（SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR KINASE3/BRI1-ASSOCIATED KINASE1）創(chuàng)建了機(jī)會(huì)。SERK3/BAK1蛋白可以與BRI1相互作用，是BR信號(hào)的遺傳成分和BRI1的磷酸化靶標(biāo)。SERK1的胞外域可以與BRI1相連的BL結(jié)合，這表明BL發(fā)揮“分子膠”的功能將BRI1及其共受體結(jié)合在一起。該綜述還指出，BRI1抑制蛋白BKI1（BRI1 KINASE INHIBITOR1）可以干預(yù)BRI1-SERK3/BAK1的相互作用，BR誘導(dǎo)的BRI1和SERK3/BAK1胞外域的異二聚反應(yīng)會(huì)改變其胞質(zhì)激酶結(jié)構(gòu)域，以消除BKI1的抑制作用并觸發(fā)這兩個(gè)激酶域的反磷酸化。而BIR3（BAK1-INTERACTING RECEPTOR-LIKE KINASES3）則被報(bào)道為共受體SERK3 / BAK1的負(fù)調(diào)節(jié)因子，通過(guò)與SERKs的胞外域相互作用來(lái)抑制BRI1-SERK異二聚體的形成。

該綜述還對(duì)BR信號(hào)的傳導(dǎo)途徑進(jìn)行了解析。質(zhì)膜上的BRI1和SERK3/BAK1感知到BR后，一個(gè)完善的級(jí)聯(lián)將BR信號(hào)傳導(dǎo)到BRI1-EMS-SUPPRESSOR1（BES1）和BRASSINAZOLE-RESISTANT1（BZR1）家族轉(zhuǎn)錄因子，從而調(diào)控BR相關(guān)的基因表達(dá)。首先，該綜述從BR信號(hào)的抑制與激活進(jìn)行了闡述，BIN2（BRASSINOSTEORID INSENSITIVE2）以及BSS1（BRZ-SENSTITIVE-SHORT HYPOCOTYL1）可以通過(guò)與BES1和BZR1的相互作用抑制BR信號(hào)。而當(dāng)存在BR時(shí)，BRI1和BAK1受體復(fù)合物會(huì)激活下游胞質(zhì)BSKs（BR SIGNALING KINASES）和CDG1（CONSTITUTIVE DIFFERENTIAL GROWTH1），從而激活磷酸酶BRI1-SUPPRESSOR1（BSU1）。該綜述還指出，盡管BIN2是BR信號(hào)的負(fù)調(diào)節(jié)因子，但它也參與了一個(gè)反饋環(huán)，通過(guò)正調(diào)節(jié)因子BSK3的磷酸化促進(jìn)BR信號(hào)的傳遞。TTL（TETRATRICOPEPTIDE THIOREDOXIN-LIKE）蛋白可以在質(zhì)膜處將BR信號(hào)傳導(dǎo)成分聚集在一起。研究發(fā)現(xiàn)，TTL3定位于細(xì)胞質(zhì)，但是BR處理導(dǎo)致其余質(zhì)膜結(jié)合，并將BR信號(hào)中的多個(gè)參與者包括BRI1, BSU1和BZR1）形成一個(gè)復(fù)合體，并且會(huì)促進(jìn)BSU1調(diào)控的BIN2中的Tyr200去磷酸化，導(dǎo)致BIN2蛋白失活。其次，BR對(duì)BIN2活性的抑制以及蛋白磷酸酶2A（PP2A）對(duì)BES1和BZR1的去磷酸化作用導(dǎo)致BES1和BZR1在細(xì)胞核中變得活躍，從而控制BR反應(yīng)基因的表達(dá)。BES1，BZR1和同源物BEH1-BEH4冗余地充當(dāng)BR反應(yīng)基因表達(dá)的主調(diào)控因子，并且多項(xiàng)研究揭示了BRs調(diào)控的BES1/BZR1目標(biāo)轉(zhuǎn)錄因子（BES1/BZR1-targeted TFs, BTFs），這些BTFs與BR信號(hào)通路在多個(gè)層面上相互作用。BES1和BZR1與其他TF，組蛋白修飾酶和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑共同激活BR誘導(dǎo)的基因表達(dá)。之后，該綜述指出BR整合了多種激素和環(huán)境信號(hào)，最終導(dǎo)致BR調(diào)控基因的激活或抑制，并且信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)的某些組成部分（例如BZR1/BES1家族成員）可以與其他非BR依賴性途徑共享。最后，該綜述強(qiáng)調(diào)了組蛋白修飾酶和染色質(zhì)重塑因子在BR調(diào)控基因去抑制中的重要性，該研究還指出除了磷酸化途徑，BES1和BZR1還可以通過(guò)活性氧氧化，BES1轉(zhuǎn)錄的可變剪接，泛素化和BES1 / BZR1蛋白降解等其他機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)。

Overview of the BR signaling pathway

BR在植物發(fā)育和脅迫響應(yīng)中也發(fā)揮重要作用。BR會(huì)影響種子發(fā)育、開花時(shí)間、花粉發(fā)育、器官的向性反應(yīng)以及側(cè)根發(fā)育等多個(gè)過(guò)程。該綜述指出，BR通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程來(lái)控制根分生組織的大小，同時(shí)也在細(xì)胞擴(kuò)增中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這表明BR信號(hào)可同時(shí)影響細(xì)胞分裂和擴(kuò)增，而細(xì)胞和組織環(huán)境對(duì)于確定哪種作用將占主導(dǎo)地位至關(guān)重要。此外，盡管BRs的應(yīng)用促進(jìn)了對(duì)熱，冷和干旱脅迫等的耐受性，但BR途徑被干擾后也通常會(huì)增加植物對(duì)干旱脅迫的耐受性。BES1的調(diào)節(jié)代表了BR與干旱脅迫響應(yīng)之間串?dāng)_的關(guān)鍵，在干旱脅迫期間，BES1通過(guò)靶向蛋白質(zhì)降解和轉(zhuǎn)錄失活而受到抑制，而BES1在促進(jìn)生長(zhǎng)的條件下抑制干旱脅迫響應(yīng)。總之，BRs可以促進(jìn)或抑制多種應(yīng)激反應(yīng)，其結(jié)果取決于受影響的特定成分和組織。

Summary of BR regulated developmental processes in Arabidopsis

最后，BR生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)途徑在物種之間是保守的，BR在植物生長(zhǎng)、發(fā)育和逆境響應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，使其成為提高農(nóng)藝性狀的主要目標(biāo)。該綜述指出，BR通過(guò)調(diào)節(jié)背面硬壁細(xì)胞在葉片直立性方面發(fā)揮著獨(dú)特的作用；并可通過(guò)改變BR生物合成基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)葉角；BR還調(diào)節(jié)花序結(jié)構(gòu)。該綜述提出，BR的應(yīng)用有助于緩解植物的逆境，而對(duì)BR調(diào)節(jié)作物逆境響應(yīng)的分子機(jī)制以及進(jìn)一步了解BR信號(hào)在不同作物，環(huán)境和發(fā)育環(huán)境下的運(yùn)作機(jī)制是未來(lái)的重要研究方向。