油菜素內(nèi)酯調(diào)控植物根系發(fā)育機制研究進展

吳志勇，顧紅，程大偉，李蘭，何莎莎，李明，陳錦永

（中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所，果樹生長發(fā)育與品質(zhì)控制重點開放實驗室，鄭州 450009）

油菜素甾醇（brassinosteroids，BRs）是繼生長素（auxin）、細胞分裂素（cytokinin，CTK）、赤霉素（gibberellin，GA）、乙烯（ethylene，ETH）和脫落酸（abscisic acid，ABA）之后被發(fā)現(xiàn)的第6類植物激素，參與調(diào)控植物發(fā)育的各個過程，其中對植物根系發(fā)育過程具有重要調(diào)控作用。根系是植物的重要器官，具有吸收水分和養(yǎng)分、改善土壤理化性質(zhì)、合成激素等功能，對植物生長發(fā)育具有重要作用。健壯的根系對產(chǎn)量提高至關(guān)重要，研究人員將通過改良和利用根系結(jié)構(gòu)來提高產(chǎn)量認定為新的綠色革命［1］，但其茁壯成長需要內(nèi)源激素和外界環(huán)境的共同調(diào)節(jié)。BR作為調(diào)控植物根系生長發(fā)育的重要激素之一，與眾多內(nèi)源植物激素相互作用，形成一個復雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，共同調(diào)控植物根、莖、葉、花等器官的生長發(fā)育［2］。目前，科學家對BR的生理功能、結(jié)構(gòu)、合成與代謝途徑以及信號轉(zhuǎn)導通路等方面的研究取得了諸多進展。本文總結(jié)概述了BR信號通路及其在模式植物擬南芥根系中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，進一步揭示其在根系生長發(fā)育中的調(diào)控機制，為BR在調(diào)控根系發(fā)育中的應用提供理論依據(jù)。

1 BR的發(fā)現(xiàn)

1970年，美國科學家Mitchell等［3］從油菜花粉中提取出一種活性極高的物質(zhì)，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)其對菜豆生長具有較為明顯的促進作用，并將其命名為油菜素（brassin）。1979年，Grove等［4］對其化學結(jié)構(gòu)進行分析，認定為一種甾醇類化合物，正式將其命名為油菜素內(nèi)酯（brassinolide，BL）。此后，眾多與油菜素內(nèi)酯類似的化合物從不同植物中被分離出來，統(tǒng)稱為油菜素甾醇類化合物（brassinosteroids，BRs）［5］。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，植物根、莖、葉、果實、種子等器官均含有BR，且BR在其發(fā)育過程中具有不可替代的作用。因此，認為BR對植物生長發(fā)育具有重要作用。

2 BR信號通路研究

BRI1（brassinosteroid insensitive 1）受體在細胞表面接收BR信號。目前認為BR信號激活BRI1活性存在兩種機制：一種機制認為BAK1（BRI1-associated recepor kinase 1）是 BRI1共受體，與其結(jié)構(gòu)相似，二者在體內(nèi)外均可進行相互作用，BR首先誘導BRI1與BAK1形成異二聚體，然后在BRI1和BAK1之間發(fā)生相互磷酸化［6-9］，進而調(diào)控根細胞發(fā)育；另一種機制認為BR結(jié)合并誘導BRI1的同型二聚體構(gòu)象發(fā)生變化，激活其活性后再磷酸化 BAK1［10］，磷酸化后的 BRI1 和 BAK1作用于下游原件BES1（BRI1-EMS-suppressor 1）和BZR1（brassinazole-resistant 1），使它們在細胞核內(nèi)接收上游信號［10-14］，二者活性被激活后進一步調(diào)控根細胞發(fā)生分裂或分化。

在BR信號轉(zhuǎn)導過程中，BIN2（brassinosteroid insensitive 2）激酶是抑制BR信號轉(zhuǎn)導的關(guān)鍵。分析突變體bin2-1表明，BIN2在BR信號轉(zhuǎn)導中通過磷酸化作用使BES1和BZR1失活，它們不能與DNA結(jié)合而喪失功能，從而阻遏BR的信號轉(zhuǎn)導［15-18］。相反，BR信號轉(zhuǎn)導正常是BIN2激酶被降解所造成的，且施加有活性的外源BR能夠減少BIN2激酶的積累［19］。此外，研究發(fā)現(xiàn)BSU1（BRI1-suppressor1）編碼的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶也能拮抗BIN2激酶，通過調(diào)控BES1的磷酸化狀態(tài)提高BES1的去磷酸化水平，進一步活化細胞核內(nèi)BR誘導基因的表達［20］。

3 BR調(diào)控植物根系生長發(fā)育

3.1 BR調(diào)控根系干細胞生態(tài)位

干細胞生態(tài)位由QC（quiescent center）細胞和周圍干細胞組成，QC細胞對于維持干細胞生態(tài)位穩(wěn)定和生長狀態(tài)至關(guān)重要（圖1）。研究表明，BR對QC細胞和干細胞具有重要調(diào)控作用，BRI1家族成員BRL1（BRI1-like1）、BRL3和共受體BAK1在干細胞中表達水平較高，BR與它們結(jié)合并激活其活性，活化后的BRL1和BRL3相互作用調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子WOX5（wuschel-related homeobox 5），并進一步調(diào)控QC細胞的穩(wěn)定和分裂［21-23］。

圖1 BR調(diào)控根系干細胞生態(tài)位［21］Fig.1 BR regulates root stem cell niche［21］

前人研究發(fā)現(xiàn)，BRAVO CENTER（brassinosteroids at vascular and organizing center）和ERF115（ethylene response factor 115）在調(diào)控QC細胞方面起到相反的作用［24-25］。BR信號激活BES1轉(zhuǎn)錄因子后直接抑制BRAVO表達，從而調(diào)控QC細胞，且BRAVO具有自我轉(zhuǎn)錄功能［24］。另外，研究發(fā)現(xiàn)了Groucho/Tup1轉(zhuǎn)錄家族TPL（topless）和BES1-TPL的相互作用能夠提高BES1的轉(zhuǎn)錄活性，且BES1-TPL的相互作用能更有效地抑制BRAVO表達，這對于BES1介導的QC細胞分裂是必不可少的［25］。BZR1也可以直接抑制BRAVO表達，從而促進QC細胞分裂［26］。相反，BZR1介導的BR信號通過激活ERF115，使得PSK5表達上調(diào)，進而促進QC細胞分裂［27］。

PLETHORA（PLT）是AP2轉(zhuǎn)錄因子家族的成員，對于維持干細胞生態(tài)位具有重要作用［28-29］。AUXIN能夠誘導PLT表達，但BZR1介導的BR信號能夠抑制其表達，這表明BR和AUXIN對QC細胞分裂具有拮抗作用［30］。

H2O2（hydrogen peroxide）對于BR促進QC細胞分裂也是必需的（圖1）。H2O2能夠促進BZR1和BES1轉(zhuǎn)錄，但BZR1的氧化還原介質(zhì)TRXh5的過表達卻使其轉(zhuǎn)錄活性降低，抑制QC細胞分裂［31］。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，BES1和BZR1轉(zhuǎn)錄因子能夠直接與ACS7/9/11啟動子相互作用來調(diào)控ETH表達，從而調(diào)控根系生長［32］，但是否能夠調(diào)控干細胞生態(tài)位，目前還沒有明確結(jié)論，需要進一步研究。

3.2 BR調(diào)控根尖分生區(qū)

根分生組織是決定根發(fā)育的關(guān)鍵區(qū)域，不斷進行增殖和分化。BR對其調(diào)控具有時空平衡和激素互作平衡的特點［33］。作用部位不同，BR調(diào)控機制也不盡相同。根表皮細胞中的BRI1感受BR信號，能夠完全恢復突變體bri1-116的分生組織大小，而中柱的BRI1對其影響較小，這表明表皮中的BRI1可以通過感知BR信號控制根分生組織大?。?4］。研究也發(fā)現(xiàn)，根表皮中的BRI1感受BR信號能夠促進根分生組織中AUXIN表達，進而促進根分生組織增殖，而中柱中BR信號激活BAK1、BRL1和BRL3活性則抵消這種作用，表現(xiàn)為促進分化［35］。

SHY2（short hypocotyl 2）是AUXIN信號的阻遏物，BRX（brevis radix）參與BR信號途徑，在BR同AUXIN、CTK互作調(diào)控根分生組織生長和發(fā)育過程中，SHY2和BRX發(fā)揮著重要作用。從圖2可以看出，根分生組織發(fā)育早期受到激素平衡的調(diào)控，CTK通過作用于ARR12轉(zhuǎn)錄因子激活SHY2表達，并進一步抑制PIN表達，從而調(diào)控根分生組織發(fā)育［36-37］。BRX能被IAA大量誘導，卻被BR輕微抑制，在與SHY2競爭中，BRX占據(jù)優(yōu)勢，可短暫增強PIN3表達，二者共同調(diào)控根分生組織發(fā)育［38-39］。此時，根分生組織主要進行分裂生長。隨著根分生組織的發(fā)育，CTK也激活了ARR1/AHK3轉(zhuǎn)錄因子，它與ARR12轉(zhuǎn)錄因子一起誘導SHY2表達，SHY2大量表達能夠抑制BRX功能，二者共同調(diào)控根分生組織發(fā)育［37-40］。此外，最近研究發(fā)現(xiàn)，BR信號可通過誘導BES1的表達抑制SHY2表達，且BES1還能夠直接作用于PIN7來調(diào)控根分生組織發(fā)育［41］。以上結(jié)果表明，BR能較好地維持根分生組織分裂與分化的平衡。

圖2 BR調(diào)控根尖分生區(qū)Fig.2 BR regulates root apical meristem

3.3 BR調(diào)控根細胞伸長

細胞伸長對根系生長發(fā)育具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，BR對根表皮細胞伸長具有特異作用。在根毛細胞中表達的BRI1促進了根伸長區(qū)內(nèi)所有不同類型細胞的伸長，而在非根毛細胞中表達的BRI1則表現(xiàn)出相反作用［42］（圖3）。此外，非根毛細胞中BRI1表達還促進了ETH合成基因的表達，導致ETH含量增加，使得非根毛細胞的細胞壁中積累了大量結(jié)晶纖維素，從而抑制根的生長［42］。

圖3 BR調(diào)控根細胞伸長Fig.3 BR regulates root cell elongation

RALF（rapid alkalinization factor）是一種肽類激素。過表達AtRALF1能夠使根細胞體積減小，而沉默AtRALF1則能增加根細胞體積，從而促進根生長［43］（圖3）。RALF和BR同時處理則會使BR合成基因以及RALF誘導的與細胞壁重排相關(guān)的基因表達下調(diào)，從而影響根細胞生長［43］。

BR和AUXIN在根細胞生長過程中的拮抗作用通過BZR1完成（圖3）。BZR1主要在過渡區(qū)和伸長區(qū)的表皮細胞核中轉(zhuǎn)錄，能夠激活大部分參與細胞壁形成的基因表達，而AUXIN通過抑制BZR1轉(zhuǎn)錄，間接抑制這些基因表達，這表明BR和AUXIN在根細胞伸長中表現(xiàn)為相互拮抗［30］。

此外，最新研究表明，低氮可上調(diào)BAK1的表達量，通過激活BR信號，進一步促進下游BSK3表達，進而促進根細胞伸長［44］。

3.4 BR調(diào)控側(cè)根生長發(fā)育

植物側(cè)根能夠從周圍環(huán)境汲取水分和養(yǎng)分，對維持植物生長具有重要作用。AUXIN和BR共同調(diào)控側(cè)根生長發(fā)育（圖4）。早期研究發(fā)現(xiàn)，低濃度BR通過增加AUXIN的極性運輸促進側(cè)根的發(fā)育；相反，高濃度BR則抑制側(cè)根形成［45-46］。DWF4（dwarf 4）是BR合成路徑上的重要調(diào)控因子。研究發(fā)現(xiàn)，AUXIN通過促進DWF4轉(zhuǎn)錄來調(diào)控側(cè)根發(fā)育，且DWF4可促進BR合成，因此BR和AUXIN在調(diào)控側(cè)根發(fā)育方面表現(xiàn)出協(xié)同作用，雖然BR也可以抑制DWF4轉(zhuǎn)錄，但是DWF4的負反饋機制可能更多的是在維持BR含量穩(wěn)定方面起重要作用［47-49］。此外，BR信號轉(zhuǎn)導的負調(diào)控因子BIN2 對側(cè)根發(fā)育有積極作用，Puna［47］推測，BIN2可能參與到DWF4的調(diào)控中，具體機制還需要進一步研究。在另一項研究中發(fā)現(xiàn)，BIN2在上游調(diào)控因子TDIF-TDR（tracheary element differentiation inhibitory factor-tdif receptor）作用下通過磷酸化ARF7/19，能夠進一步調(diào)節(jié)側(cè)根發(fā)育中的AUXIN信號［49］。Kim等［50］研究發(fā)現(xiàn)，過表達BARK1（BAK1-associatingreceptor-likekinase1）能夠促進側(cè)根發(fā)育，并觀察到ARF（auxinresponsefactor）的表達量在BARK1過表達植株中會被上調(diào)，因此猜測BARK1蛋白可能通過AUXIN的調(diào)控參與到BR調(diào)控的側(cè)根發(fā)育中。

此外，BR還與其他信號共同調(diào)控側(cè)根發(fā)育（圖4）。RALF是一種多肽信號，沉默AtRALF可以增加側(cè)根數(shù)量，而過表達AtRALF則減少側(cè)根數(shù)，且AtRALF能夠誘導BR合成路徑中DWF4和CPD（constitutivephotomorphogenesisanddwarfism）基因表達量下調(diào)，這些結(jié)果表明AtRALF在調(diào)控側(cè)根發(fā)育方面和BR相互拮抗［51］。RAV1是一種DNA結(jié)合蛋白，BR能夠下調(diào)RAV1轉(zhuǎn)錄，RAV1過表達能夠延緩側(cè)根發(fā)育，但具體機制還需進一步研究［52］。LPE（lysophosphatidylethanolamine）是 PLA2水解磷脂酰乙醇胺的產(chǎn)物，能夠激活BR信號轉(zhuǎn)導中的基因表達，促進側(cè)根發(fā)育［53］。Vercruyssen 等［54］發(fā)現(xiàn)，BR和CKX3（cytokinin oxidase/dehydrogenase 3）的聯(lián)合作用能夠進一步促進側(cè)根的形成和伸長，且認為CTK的缺乏增強了BR對側(cè)根生長的影響。之后研究發(fā)現(xiàn)，CTK受體基因AHK2和AHK3突變能促使植株產(chǎn)生高密度側(cè)根，且ahk2、ahk3雙突變體在側(cè)根生長中對BR高度敏感，這表明CTK通過AHK2和AHK3與BR在側(cè)根發(fā)育中相互拮抗［55］。Glc對調(diào)節(jié)側(cè)根發(fā)育也有重要作用，研究表明，Glc通過激活 HXK1（hexokinase 1）促進BR信號傳導，并通過調(diào)節(jié)根系中生長素輸出載體PIN1、PIN2、PGP1和MDR1以及生長素輸入載體AUX1、LAX2和LAX3的轉(zhuǎn)錄水平，促進參與側(cè)根發(fā)生的AUX/IAAs（IAA14/SLR等）的降解，AUX/IAAs的降解進一步激活ARF7/ARF19，從而促進側(cè)根的發(fā)育［46］。此外，最新研究發(fā)現(xiàn)，BR誘導BRS1（BRI1 suppressor 1）轉(zhuǎn)錄能夠促進側(cè)根原基突破內(nèi)皮層、皮層和表皮，從而促進側(cè)根長出［56］。

圖4 BR調(diào)控側(cè)根生長發(fā)育Fig.4 BR regulates lateral root growth and development

3.5 BR調(diào)控根毛生長發(fā)育

根毛由分生區(qū)的表皮細胞分化形成，根毛的形成不僅增大了主根和側(cè)根的整體表面積，而且增強了與土壤周圍環(huán)境的互動（圖5）。表皮細胞因其在皮層細胞下的位置不同而發(fā)育成根毛細胞和非根毛細胞兩種不同類型的細胞，當表皮細胞位于兩個相鄰皮層細胞的空隙時會發(fā)育成根毛細胞，而緊鄰單個皮層細胞時會發(fā)育成非根毛細胞［57-59］。研究表明，根毛細胞的分化受到一系列轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，如WER（werewolf）、TTG（transparenttesta glabra）、GL3（glabra 3）、EGL3（enhancer of glabra 3）、GL2（glabra 2）、CPC（caprice）等［60-64］。Kuppusamy等［65］首次將BR應用于根毛發(fā)育的研究，提出BR對根毛細胞的調(diào)控是必需的，通過調(diào)控WER、GL2和CPC的轉(zhuǎn)錄來影響根毛細胞的早期發(fā)育階段，非根毛細胞中的BR信號通過作用于BRI1誘導WER表達，導致CPC積累，而CPC能夠轉(zhuǎn)移到鄰近的根毛細胞中，抑制WER和GL2表達。此外，Kuppusamy等［65］還進一步證實了根毛細胞中轉(zhuǎn)移進來的CPC能夠促進SCM（scrambled）積累，進一步抑制WER表達。Cheng等［66］研究發(fā)現(xiàn)，在沒有 BR 時，WER-GL3/EGL3-TTG1復合體由于WER表達量下調(diào)和BIN2的磷酸化導致其在根毛細胞和非根毛細胞中的形成和活性都受到抑制，從而抑制GL2表達；當有BR時，BR信號能夠抑制BIN2激酶活性，使得根毛細胞中的EGL3和TTG1未被磷酸化而行使正常功能，形成的WER-EGL3-TTG1復合體能夠促進GL2的表達；在非根毛細胞中，GL3與WER和TTG1形成復合體并促進GL2的表達。

最新研究發(fā)現(xiàn)，AGP21（arabinogalactan peptide 21）對根毛發(fā)育也是必需的（圖5）。BR信號激活轉(zhuǎn)錄因子BZR1正向調(diào)控AGP21，AGP21通過抑制GL2的表達，激活下游基因RHD6（roothairdefective6）、RSL4（roothairdefectivelike-4）、EXP7（exportin7），從而促進根毛的發(fā)育［67］。

圖5 BR調(diào)控根毛生長發(fā)育［33］Fig.5 BR regulates root hair growth and development［33］

3.6 BR調(diào)控根系向地性

植物根系向著地心引力的方向生長，能夠深入土壤中吸收水分和養(yǎng)分，維持地上部分生長。BR與AUXIN共同調(diào)控根的向地性。BR通過促進AUXIN輸出載體PIN2蛋白從根尖向伸長區(qū)的積累，并刺激ROP2（rho-of-plant2）在向性反應中的表達和分散定位，從而增強植物的向性反應［68］。Kim等［69］研究發(fā)現(xiàn)，BR能夠提高突變體auxi-7和pin2根的向地性，而施加AUXIN能夠減弱BR誘導的根系重力敏感性。Lanza等［70］研究發(fā)現(xiàn)，BR通過改變PIN2極性定位和AUXIN梯度來調(diào)節(jié)根的重力響應。BR信號轉(zhuǎn)導與內(nèi)吞PIN2分選之間的相互作用，通過減少細胞伸長差異來確定重力誘導根彎曲的速率，BR通過調(diào)控PIN2分類和在細胞內(nèi)的分布來控制著側(cè)向PIN2梯度的形成，但這并不是根系彎曲的先決條件，而是抑制了AUXIN的不對稱流動和信號轉(zhuǎn)導［71］。

BR還與其他信號共同調(diào)控根系向地性。Glc通過增加BR受體BRI1的內(nèi)吞作用，增強BR信號轉(zhuǎn)導，誘導根偏差反應，而CTK和ETH與BR起拮抗作用，在BR下游起作用，以控制這種反應［72-73］。big5-1突變體和big3-1、big5-1雙突變體根系彎曲加速，表現(xiàn)出強的根系重力反應，用BR處理野生型擬南芥表現(xiàn)出扭曲的根系生長，相比之下突變體對BR處理不敏感，彎曲根顯著減少［74］。

4 展望

BR作為一種植物內(nèi)源激素，與其他激素一樣，也有其龐大而復雜的信號調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。雖然BR在根系發(fā)育過程中的主要調(diào)控機制研究已經(jīng)取得很大進展，但仍有許多問題尚待研究，如：①為何低含量的BR能夠促進根系發(fā)育，而高含量的BR卻抑制根系發(fā)育；②BR是否還與其他信號分子在調(diào)控根系發(fā)育方面有關(guān)聯(lián)；③植物如何通過感受內(nèi)外環(huán)境線索來控制BR動態(tài)平衡等。

綜上分析，今后應從以下幾個方面對植物根系展開研究：①從蛋白層面深入解析低含量BR和高含量BR調(diào)控根系發(fā)育的機制；②進一步挖掘與BR互作的其他信號分子種類及其互作機理；③從空間和時間方面研究根系中BR動態(tài)平衡機制；④從調(diào)控根系網(wǎng)絡(luò)的整體性方面研究BR與其他激素相互作用的分子機制。因此，對BR調(diào)控根系發(fā)育機制的深入研究，不僅為完善根系發(fā)育機制提供理論基礎(chǔ)，也對提高作物產(chǎn)量具有重要意義。