第六章 植物体内的信号传导

1. 第六章 植物体内的信号传导 植物在整个生长过程中，受到各种内外因素的影响，这就需要植物体正确地辨别各种信息并作出相应的反应，以确保正常的生长和发育。这种信息的胞间传递和胞内转导过程称植物体内的信号传导。 细胞信号传导的主要分子途径： 1、胞间信号传递: 信号在细胞间的传递。 2、膜上信号转换: 胞外信号经质膜信号转换，转变为胞内信号，然后再启动下游的各种信号转导系统。 3、胞内信号转导: 经磷脂酰肌醇信号系统 、环核苷酸信号系统、钙信号系统等将膜转导信号在胞内传递。 4、蛋白质可逆磷酸化: 通过蛋白磷酸化和去磷酸化过程，在胞内传递信号。

2. 图 6-5 细胞信号传导的主要分子途径

3. 第一节 胞间信号及在植物体内的传递 一、胞间信号 1、化学信号 是指细胞感受刺激后合成并传递到作用部位引起生理反应的化学物质. （1）植物激素类：如:IAA、ABA、CTK等。若随刺激强度的增加，合成并输出的化学信号物质随之增加，该物质称正化学信号如ABA，反之称负化学信号如CTK，干旱，CTK合成和输出减少。其它些生长调节物：如多胺、水杨酸、茉莉酸、茉莉酸甲酯。 （2）寡聚糖类物质：如1,3-β-D-葡聚糖、寡聚半乳糖醛酸、富有甘露糖的糖蛋白、聚氨基葡萄糖等。植物叶片受到虫咬后，受伤叶片会释放细胞壁降解产物寡聚糖，并经维管束转移其它叶片，诱导蛋白酶抑制物PIs基因的活化，合成PIs，以阻碍害虫或病原菌进一步侵害。

4. 2、物理信号 指细胞感受刺激后产生的能够起传递信号作用的电信号和水力学信号等。 （1）电信号：是指细胞和组织中发生的相对于空间和时间的快速变化的一类生物电位。如含羞草的茎叶、攀缘植物的卷须等，当受到外界刺激，发生运动时（如小叶闭合下垂、卷须弯曲等）时伴有电波的传递。 （2）水力学信号：植物细胞对水力学信号-压力势的变化很敏感，玉米叶片木质部压力的微小变化就能迅速影响叶片气孔的开度，压力势降低时气孔开放。

5. 二、胞间信号的传递 1、化学物质信号的传递途径 1）经韧皮部途径传递：植物体内的许多化学信号如ABA、JA-Me、水杨酸、寡聚糖等可经韧皮部传递，速度：0.1~1mm·s-1，最高可达4 mm · s-1。 2）经木质部向上运输：干旱根系合成的ABA可通过木质部蒸腾流进入叶片，并影响叶片中的ABA浓度，从而抑制叶片的生长和气孔的开放。 3）经气腔网络扩散：植物激素ETH和JA-Me等挥发性化学信号是经植物体内的气腔网络扩散而迅速传递的。 2、物理信号的传递 1）电信号传递：植物电波信号的短距离传递是通过共质体和质外体途径；长距离传递经维管束。动作电位的传递速度：1~20mm · s-1。

6. 2）水力学信号传递：是通过植物体内水连续体系中的压力变化来传递。水连续体系主要通过木质部系统贯穿植株的各部分。2）水力学信号传递：是通过植物体内水连续体系中的压力变化来传递。水连续体系主要通过木质部系统贯穿植株的各部分。 第二节 膜上信号的转换 胞间信号从产生位点经长距离传递到达靶细胞，靶细胞感受这些信号，并将胞外信号转变为胞内信号。受体与信号物质的结合是细胞感知胞外信号，并将此信号转变为胞内信号的第一步。 一、受体 是指能够特异地识别并结合信号、在细胞内放大和传递信号的物质。细胞受体的特征是特异性、高亲和性和可逆性。分两类：

7. 1、细胞表面受体 信号分子不能跨过质膜，在很多情况下，它们必须与质膜表面受体结合，经过跨膜信号转换，将胞间信号传入胞内。常见有: （1）植物激素受体:如存在质膜外侧的IAA、ABA、GA的受体. 。如将ABA微注射到鸭趾草保卫细胞，质膜外侧的ABA能被接受而能诱导气孔关闭。 最近Chang等在拟南芥（Arabidopsis）中克隆并测序了一个对乙烯不敏感的etri基因，其产物ETR可能就是ETH的受体，因为它处于信号传递的上游，且具有跨膜结构，在缺失突变体中，乙烯结合大大减少。

8. （2）光受体之一光敏素：光敏素早已被分离纯化、基因克隆。光敏素的空间结构也已测得，是一个二聚体结构，两个单体在C-端区域相连。近年来其分子结构的研究揭示：N-端区域：由1100Aa组成，包括：生色团结合位点、生色团裂合酶结构区域和决定整个光敏素吸收光谱的结构区域；C-端区域：包括与二聚体形成及Pfr降解有关结构。（2）光受体之一光敏素：光敏素早已被分离纯化、基因克隆。光敏素的空间结构也已测得，是一个二聚体结构，两个单体在C-端区域相连。近年来其分子结构的研究揭示：N-端区域：由1100Aa组成，包括：生色团结合位点、生色团裂合酶结构区域和决定整个光敏素吸收光谱的结构区域；C-端区域：包括与二聚体形成及Pfr降解有关结构。 2、细胞内受体：指位于亚细胞组分如细胞核、液胞膜上的受体称细胞内受体。 二、 G-蛋白 GTP结合调节蛋白（GTP binding regulatory protein）。在受体接受胞间信号分子到产生胞内信号分子之间，要经信号转换。通常认为信号转换是经过G 蛋白进行的。

9. 1、G-蛋白结构 G-蛋白在20世纪70年代初由Gilman and Rodbell在动物细胞中首先发现，为此，他们俩获得了1994年诺贝尔医学生理奖。 植物G蛋白的研究始于80年代后期，90年代以来，已毫无疑问地确定植物体内存在G蛋白。 细胞内的G蛋白一般分为两类，一类是由三种亚基（α、β、γ）构成的异源三聚体，另一类是只含有一个亚基单位（似α亚基）的单体小G蛋白。G蛋白生理活性依赖于GTP的结合以及GTP的水解。

10. 2、G-蛋白作用方式 （1） 当信号分子与受体结合后，受体羧基端构象发生变化，与G蛋白结合形成受体-G蛋白复合体， （2）受体与G蛋白结合，使G-蛋白的α亚基构象发生变化，并结合GTP而活化。 （3） G蛋白的α亚基脱离β、γ两个亚基，与下游组分结合，活化下游组分。 （4）当GTP水解为GDP后，G蛋白就回到原来构象。G蛋白的下游组分可能是PLC—磷酸脂酶C。

13. 三、组氨酸蛋白激酶转换途径 在植物细胞中还存在另一条跨膜信号转换途径，由组氨酸蛋白激酶（HPK）和一个反应调节蛋白质（RR）两部分组成。 信号传递信号过程： 1）当HPK接受信号后，其组氨酸残基发生磷酸化，并将磷酸基团传递给下游的RR。 2）RR接受磷酸基团（该部分具有Asp残基），同时将信号传递给下游组分，通常是转录因子，调控基因的表达。 现已证明,植物激素ETH的受体就是HPK。

14. 第三节 胞内信号的转导 若将胞外各种刺激信号作为细胞信号传导过程中的第一信使，则由胞外刺激信号激活或抑制的，具有生理调节活性的细胞内因子称第二信使（second messenger）。有多个系统： 一、磷脂酰肌醇信号系统 1、IP3和DAG的产生 在磷脂酶C（PLC：phospho-lipase C）作用下，水解磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2），产生肌醇-1,4,5-三磷酸(IP3：inositol-1,4,5-triphosphate) 和二酰甘油 (DAG: diacylglycerol )两种信号分子。 IP3和DAG称双信号系统。IP3和DAG通过不同方式传递信息。

15. 磷脂酰肌醇是一类由磷脂酸与肌醇结合的脂质化合物。肌醇分子六碳环上的羧基被不同数目的磷酸酯化。在植物质膜中主要有三种形式的肌醇磷脂：磷脂酰肌醇（PI：phosphatidylinositol）、磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）和脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)。磷脂酰肌醇是一类由磷脂酸与肌醇结合的脂质化合物。肌醇分子六碳环上的羧基被不同数目的磷酸酯化。在植物质膜中主要有三种形式的肌醇磷脂：磷脂酰肌醇（PI：phosphatidylinositol）、磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP）和脂酰肌醇-4,5-二磷酸(PIP2)。 磷脂酶C的拮抗剂：新霉素（neomycin）和C48/80。

16. 2、经IP3和DAG的信息传递 1）经IP3/ Ca2+的信息传递 IP3作为信号分子，主要作用于液泡膜上的Ca2+通道，使Ca2+从液胞中进入细胞质，引起胞内Ca2+浓度增加，经Ca2+信号系统发挥作用。 现已证明，ABA诱导气孔关闭，是经IP3—Ca2+-Channel系统发挥作用的。 Reggiani等以水稻根为材料，研究厌氧刺激GABA合成的信号转导时发现，厌氧信号的转导与IP3的信息传递系统有关。 Reggiani et al. .Plant Cell physiol, 2000,41(12): 1392~1396

17. 2）经DAG/PKC信息传递 DAG的作用受体是蛋白激酶C（PKC：protein kinase），是经激活蛋白激酶C来传递信息的。蛋白激酶C是一种依赖Ca2+和磷脂的蛋白激酶。 DAG的作用是提高PKC与Ca2+和磷脂的亲和力。PKC被激活后，使其它一些酶蛋白如磷脂酶C、G蛋白等磷酸化，而调节酶的活性。至今DAG/PKC途径在植物体内是否存在还有疑问，主要是在植物体未能确定存在PKC。

18. IP3和DAG的信息传递

19. 二、钙信号系统 植物细胞质Ca2+浓度10-7~10-6 mol · L-1，而细胞壁、内质网和液胞中的Ca2+浓度要比胞质中高100~1000倍，如细胞壁为1~5mol · L-1，细胞器为10-5~10-3 mol · L-1。细胞受刺激后，胞质Ca2+浓度会发生一个短暂、明显的升高，或发生梯度和区域化分布。Ca2+的跨膜运输系统调节着细胞质内的Ca2+浓度。 1、Ca2+的跨膜运输系统 （1）Ca2+ -ATPase（Ca2+泵）： 分布在质膜、液胞、内质网、线粒体内膜上，其可将细胞质内的Ca2+逆着电化学势梯度，从细胞质运转到细胞壁或胞内钙库如液胞、内质网、线粒体中，来调节细胞质内的钙离子浓度。

20. Ca2+ -ATPase分子量100KD，有10跨膜有α-螺旋 结构，1000氨基酸残基组成。属P型ATPase。底物为Ca2+和ATP，最适pH为7.0~7.5，水解1ATP，向外运输2 Ca2+，同时1Mg2+进入细胞。 （2）Ca2+离子通道（Ca2+Channel）： 有Ca2+泵相同的分布。质膜上Ca2+离子通道控制Ca2+的内流，胞内钙库如液胞膜上Ca2+离子通道主要控制Ca2+流入细胞质。 据报道，植物液泡膜上存在两种类型的Ca2+Channel，一种是肝素（heparin）抑制的IP3诱导的Ca2+释放通道；另一种是在甜菜根上发现的不依赖IP3而依赖电压的Ca2+通道。Ca2+ Channel阻断剂：异博定（verapamil）、钌红（ruthenium red）和镧。

21. （3）Ca2+/H+反向运输体 Ca2+/H+反向运输体主要存在于胞内钙库如液胞、内质网、线料体上。将胞质Ca2+泵入胞内钙库。 2、钙调蛋白 胞内Ca2+信号是通过钙调蛋白转导信号的。植物体内主要有两种钙调蛋白。 （1）钙调素（camodulin）：广泛分布于植物细胞质和质体、线粒体和细胞核中。CaM是一种耐热球蛋白，有148个Aa组成的多肽，分子量16.7KD。 CaM 和Ca2+有很高的亲和力，1个CaM分子可结合4个Ca2+ 。 CaM的三维结构呈哑铃形，长650nm，每个哑铃球有两个Ca2+结合位点，长的中心螺旋形成哑铃柄。

22. 植物细胞Ca2+的跨膜运输系统

24. 蛋白质主侧链上的6-8氧原子提供电子与Ca2+结合。Kretsinger将这种Ca2+结合区域结构称EF手结构。CaM有4个EF结构域。蛋白质主侧链上的6-8氧原子提供电子与Ca2+结合。Kretsinger将这种Ca2+结合区域结构称EF手结构。CaM有4个EF结构域。 E螺旋相当于食指，F螺旋相当于拇指，两者形成直角，其根部弯曲相当于螺旋之间的环， Ca2+正好位于三指形成的陷之中。

25. CaM有两种方式起作用 1）直接与酶结合， CaM和Ca2+结合，引起CaM构象的变化，使CaM的疏水区暴露于表面，并与酶结合， 直接诱导酶构象发生变化而调节酶的活性。如PDE，cAMP环化酶， Ca2+ -ATPase等。 2）通过活化依赖Ca2+-CaM的蛋白激酶，磷酸化许多酶，间接影响其活性。如磷酸化酶、蛋白质激酶、NAD激酶、谷氨酸脱羧酶、CAT和SOD等。这些酶被激活后,调节细胞的生长发育。 Olsson P, Yilmaz JL, et al. Expression of bovine calmodulin in tobacco plants confers faster germination on saline media.Plant Sci. 2004,166:1595-1604

26. （2）钙依赖型蛋白激酶 钙依赖型蛋白激酶属于丝氨酸/苏氨酸激酶，是植物细胞中特有的蛋白激酶家族，大豆、玉米、胡萝卜、拟南芥等高等植物都存在这类蛋白激酶。 例：拟南芥中的CDPK基因编码的钙依赖型蛋白激酶可使质膜ATPase、离子通道、水孔蛋白等磷酸化。大豆的CDPK有一个Ca2+结合位点，其可使质膜H+-ATPase、膜运输成分、细胞骨架成分磷酸化。 三、蛋白质磷酸化和去磷酸化： 1、植物体内的蛋白激酶（protein kinase）： 在植物中目前已知的蛋白激酶有30多种，植物中约有2% ~ 3%的基因编码蛋白激酶。根据磷酸化靶蛋白的氨基酸残基的种类，植物体内的蛋白激酶可分为3类：1）丝氨酸/苏氨酸激酶；2）酪氨酸激酶；3）组氨酸激酶；当然，有些蛋白激酶进行磷酸化的氨基酸残基，既可以是丝氨酸或苏氨酸残基，又可以是酪氨酸残基。

27. 蛋白激酶催化特定酶蛋白的丝氨酸、苏氨酸残基或酪氨酸、组氨酸残基磷酸化，从而改变酶的活性，产生相应的生理反应，以完成信号转达导过程。例：蛋白激酶可使转录因子磷酸化，通过修饰转录因子，激活或抑制基因的表达，使细胞对外来信号作出相应的响应。蛋白激酶催化特定酶蛋白的丝氨酸、苏氨酸残基或酪氨酸、组氨酸残基磷酸化，从而改变酶的活性，产生相应的生理反应，以完成信号转达导过程。例：蛋白激酶可使转录因子磷酸化，通过修饰转录因子，激活或抑制基因的表达，使细胞对外来信号作出相应的响应。 蛋白激酶和植物的向光性、抗寒性、抗病、根的向地性、光合作用等生理过程有关。 2、蛋白磷酸酯酶 使蛋白去磷酸化而终止信号。植物体内有多种蛋白磷酸酯酶，如豌豆、胡萝卜、小麦中有Type2A和Type2C蛋白磷酸酯酶。在豌豆保卫细胞中存在一种依赖Ca2+-蛋白磷酸酯酶，它与K+的转移气孔的开闭有关。