糖与激素的关系

1. 糖与激素的关系 学生：唐　瑭 导师：梁建生 2004.02.28

2. Preface： 糖作为信号分子在微生物中已经被广泛了解,最近又 在动物和植物中被发现。糖在植物中的功能不仅是营养物 质还是影响许多与最重要的过程有关的各种基因表达的信 号化合物。这些基因包括编码与种子萌发、生根发芽、抽 叶开花和老化等相关的蛋白的基因。葡萄糖以及其它糖类 调控的基因表达表明这些营养分子还起着激素的作用。

3. 糖还调节在植物生长和发育中也被激素控制的许多重要的过程。拟南芥糖信号突变体的描述从相反方向说明糖对两种植物应激激素－脱落酸、乙烯的响应途径已经形成了一种信号网络。 目前分子学分析已经直接证明,葡萄糖可以控制abscisic 酸的生物合成基因、ABA信号基因和抑制乙烯在种子发育期间光下作生长信号的部份基因的表达。 本文正是从这几方面说明糖和激素信号途径之间有复杂广泛的联系。

4. Sugar-signalling mutants reveal the hormone connections

5. 对拟南芥糖信号突变体的遗传学和分子学分析发现糖和激素之间存在紧密的联系。这些突变体除了能改变糖响应，它们的表型还和ABA、乙烯生物合成突变体以及ABA、乙烯信号突变体的表型相似幻灯片 7。例如，小叶，叶色暗绿的gin1突变体与组成型乙烯突变体（野生型植株用葡萄糖处理再用乙烯前体ACC处理）。 令人惊讶的是ctr1突变株在没有外源葡萄糖加入时叶子比野生型致密得多，这是由于ctr1突变株植物的细胞较小，因而其叶子、花序和根系统比野生型致密幻灯片 8。还发现糖不敏感突变体gin1、gin5能诱导种子休眠，它的野生型表型正是ABA缺陷性突变体的特征。这些发现说明糖和ABA,糖和乙烯信号途径之间存在遗传学的联系。

6. Fig. 1. Arabidopsis glucose-insensitive (gin) mutants. Seedlings were grown on 6% glucose–Murashige and Skoog (MS) medium for 4–5 days under constant light. (a) Wild type (WT). (b) The glucose insensitive phenotype can be mimicked by treatment with the ethylene precursor 1-aminocyclopropane-1-carboxylate(ACC). (c) Abscisic acid-deficient gin1 (aba2) and (d) constitutive ethylene-signalling gin4(ctr1) mutants display a similar glucose-insensitive phenotype except for root elongation. (e) Endogenous abscisic acid is required for the glucose-oversensitive phenotype of the ethylene-insensitive mutant ein2 because (f) the gin1 ein2 double mutant exhibits the glucose-insensitive phenotype.

7. Abbreviations: ABA, abscisic acid; bZIP, basic leucine zipper domain; CPR5, constitutive expresser of PR; HXK1, hexokinase 1; MCSU, moco sulfurase; SDR, short-chain dehydrogenase/reductase; SnRK, SNF1-related protein kinase; ZEP1, zeaxanthin epoxidase. Mutant names: aba, ABA deficient; abi, ABA insensitive; ein, ethylene insensitive; insensitive; sun, sucrose uncoupled. Gene names and alternative protein names are listed.

8. Fig. 2. Growth retardation of gin mutants. (a) Wild type (WT), (b) abscisic acid-deficient gin1 (aba2), (c) constitutive ethylene-signalling gin4 (ctr1), (d) ethyleneinsensitive ein2, (e) gin1 ein2 double mutant. In the absence of exogenous glucose,different gin mutants exhibit growth retardation. There might be a signalling network connecting endogenous glucose, abscisic acid and ethylene signals. (b)The analysis of the gin1 (aba2) mutant reveals the crucial role of abscisic acid as a

9. Glucose controls ABA biosynthesis genes

10. 脱落酸是一种能引起芽休眠、叶子脱落和抑制生长等生理作用的植物激素。ABA是以异戊二烯为基本单位的倍半萜羧酸，分子式为C15H20O4，分子量为264.3。脱落酸是一种能引起芽休眠、叶子脱落和抑制生长等生理作用的植物激素。ABA是以异戊二烯为基本单位的倍半萜羧酸，分子式为C15H20O4，分子量为264.3。 Chemical structure of the natural hormone S-(+)-abscisic acid

11. 脱落酸生物合成的途径主要有两条： 1.类萜途径　脱落酸的合成是由甲瓦龙酸经过法呢基焦磷酸，再经过一些未明的过程而形成脱落酸。此途径亦称为ABA合成的直接途径。 2.类胡萝卜素途径　脱落酸的碳骨架与一些类胡萝卜素的末端部分相似。塔勒等将类胡萝卜素暴露在光下，会产生生长抑制物。后来发现紫黄质在光下产生的抑制剂是2－顺式黄质醛并迅速代谢成为脱落酸。由类胡萝卜素氧化分解生成ABA的途径亦称为ABA合成的间接途径。通常认为在高等植物中，主要以间接途径幻灯片 11合成ABA。

12. ABA biosynthesis violaxanthin：紫黄质　neoxanthin：新黄质　dioxygenase：加双氧酶 xanthoxin：黄氧素

13. 生物化学分析发现了几种糖信号突变体（gin1,gin5,isi4,sis4）比野生型含有更低水平的内源ABA，原先分离得到的ABA缺陷突变体aba1,aba2,aba3都表现一种葡萄糖不敏感表型，而且外源加入生理浓度为100nm的ABA之后它们又能恢复糖敏感表型，这进一步证明ABA含量水平和糖不敏感表型之间具有紧密关系。也发现高浓度葡萄糖存在时发育不良的种子中含有高水平的ABA。生物化学分析发现了几种糖信号突变体（gin1,gin5,isi4,sis4）比野生型含有更低水平的内源ABA，原先分离得到的ABA缺陷突变体aba1,aba2,aba3都表现一种葡萄糖不敏感表型，而且外源加入生理浓度为100nm的ABA之后它们又能恢复糖敏感表型，这进一步证明ABA含量水平和糖不敏感表型之间具有紧密关系。也发现高浓度葡萄糖存在时发育不良的种子中含有高水平的ABA。 近来，一些参与ABA生物合成的基因（ABA1，ABA2，ABA3，NCED3，AAO3）的分子克隆揭示了在糖感知过程中ABA的作用以及ABA积累的调节机制。发现葡萄糖能提高几种ABA生物合成基因的转录水平。一般低浓度（2%）幻灯片 17的葡萄糖会产生这种诱导作用，且提高糖的浓度并不能加强这种诱导作用。

14. Glucose controls ABA signalling genes

15. 正如表1所示,几种糖突变体（gin6, isi3,sis5,sun6)和ABA反应性突变体abi4具有相同的基因,利用外源ABA浓度对植株生长影响鉴定出abi4突变体(加入3µM外源ABA后，野生型表现为抑制种子萌发和幼苗发育,abi4突变体依然能萌发)。 ABI4与ABI3、ABI5一起编码AP2家族的转录因子(AP2对种子萌发和发育起主要作用)。在ABA单独存在时ABI4几乎不表达，加入6%的葡萄糖后ABI4表达被激活。它响应葡萄糖调节的DNA序列可能位于编码序列下游2kb的位置,在此插入T－DNA就可解除葡萄糖的诱导作用,虽然葡萄糖、ABA都能调节ABA生物合成基因和ABA信号基因的表达,但只有高浓度的葡萄糖能调控转录因子。

16. 除了abi4，abi5突变体也具有葡萄糖不敏感表型，编码的转录因子属于一种亮氨酸拉链基因家族，ABI5不仅被葡萄糖诱导还可以被ABA、甘露醇诱导。除了abi4，abi5突变体也具有葡萄糖不敏感表型，编码的转录因子属于一种亮氨酸拉链基因家族，ABI5不仅被葡萄糖诱导还可以被ABA、甘露醇诱导。 此外，ABI3的表达也能被6%幻灯片 17的葡萄糖激活只是比ABI4，ABI5的表达水平低。

17. Glucose Control of ABA & ABI Genes Col gin1-3 Ws gin1-1 GH 0% 2% 6% GH 2% 4% 6% GH 0% 2% 6% GH 0% 2% 6% GIN1 rRNA Col gin1-3 Col gin1-3 0% 2% 6% 0% 2% 6% 0% 2% 6% 0% 2% 6% AtHXK1 ABA1 ABI2 ABI3 AAO3 PDF1.2 UBQ

18. Glucose and ABA in growth promotion and inhibition

19. ABA通常在植物对各种环境因子如干旱、高渗、寒冷、机械伤害等的应答过程中起重要作用，因此ABA被称为应激激素。一般认为是抑制植物生长发育。ABA通常在植物对各种环境因子如干旱、高渗、寒冷、机械伤害等的应答过程中起重要作用，因此ABA被称为应激激素。一般认为是抑制植物生长发育。 柏新村和Kato等研究发现，水稻籽粒重量大和灌浆强度强的籽粒比籽粒重量轻或灌浆强度弱的籽粒具有较高的内源ABA水平，从而指出内源ABA对籽粒灌浆有促进作用。外源ABA对籽粒灌浆或粒重形成的调节作用正负效应取决于ABA施用的浓度和时间。而且，ABA对粒重形成的促进或抑制作用，主要是通过增加或减少弱势粒的胚乳细胞数而实现的。不同时间、不同浓度ABA对胚乳细胞分裂的不同生理效应，除了与激素的性质（低浓度促进，高浓度抑制）有关外，还与激素的作用时间有关。

20. 1979年，Minocha首先提出ABA可以依赖于生长素而刺激细胞分裂。1979年，Minocha首先提出ABA可以依赖于生长素而刺激细胞分裂。 Trewavas等研究发现,ABA对组织或细胞分裂的促进作用，仅表现在该组织或细胞正处在分生组织阶段，在胚或胚乳发育的中后期，ABA对细胞分裂表现为抑制作用 还有一些研究发现，IAA可以促进根中ABA响应而乙烯在种子萌发时抑制ABA信号。因此，葡萄糖对ABA生物合成和信号的调节途径也会与生长素、乙烯感应过程有联系。

21. ABA抑制胚根形成（种子萌发）糖能阻抑ABA的抑制作用ABA抑制胚根形成（种子萌发）糖能阻抑ABA的抑制作用

23. Conclusions and perspectives

24. 拟南芥糖信号突变体的遗传和表型分析已经阐明在糖和激素信号途径之间具有复杂、广泛的交互作用。过去一直认为复杂的植物调节过程是一种简单的线性转导途径的观点已经改变，糖和激素信号途径之间错综复杂的交互作用就是最好的例子幻灯片 21，原先认为在某一特定信号途径中独立存在的多种调节因子已经被发现与其它途径也相互联系而形成一个交互作用的节点，这有利于植物对周围物理化学环境作出灵敏的响应。一些转录因子比如ABI4 和 ABI5可以作为这样的节点从多条信号途径中接受信号并产生综合的响应。

26. 随着分子探针技术在基因研究上的不断发展应用，将会发现更直接具体的糖和激素互作的分子学联系。近10年来,植物信号转导中获得突变体的方法和分子克隆方法在信号研究中已得到成功的应用。突变体已成为分析植物信号感知途径及生理功能的重要工具。另外,人们也已广泛运用基因反义表达技术,研究编码信号分子基因的确切功能。作为复杂的植物信号网络的一部分,糖信号系统及其它信号系统(如激素和氮信号等)的对话机制及其在调控植物体整个生命进程的作用也急待研究,对其探索将是艰巨的。随着分子探针技术在基因研究上的不断发展应用，将会发现更直接具体的糖和激素互作的分子学联系。近10年来,植物信号转导中获得突变体的方法和分子克隆方法在信号研究中已得到成功的应用。突变体已成为分析植物信号感知途径及生理功能的重要工具。另外,人们也已广泛运用基因反义表达技术,研究编码信号分子基因的确切功能。作为复杂的植物信号网络的一部分,糖信号系统及其它信号系统(如激素和氮信号等)的对话机制及其在调控植物体整个生命进程的作用也急待研究,对其探索将是艰巨的。

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29. 谢谢大家！请批评指正！