甾醇在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育中的研究進(jìn)展

李萍 郭發(fā)平 田敏 稅陽(yáng) 徐娜娜 白大嵩 余德金 張杰 胡運(yùn)高彭友林

（西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621000）

甾醇（sterol）是一種類異戊二烯衍生化合物，在所有真核生物的生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮著重要作用。甾醇是生物膜系統(tǒng)的重要組分，如動(dòng)物體內(nèi)的膽固醇（cholesterol）、麥角甾醇（ergosterol），植物體內(nèi)的谷甾醇（sitosterol）和菜油甾醇（campesterol）等都是膜的重要組成部分，可調(diào)節(jié)膜的流動(dòng)性和通透性以及膜相關(guān)蛋白的活性［1］，因此甾醇會(huì)影響到細(xì)胞功能。甾醇也是真核生物各類類固醇激素的合成前體，例如昆蟲中的蛻皮素［2］、哺乳動(dòng)物中的雄性激素［3］以及植物中的油菜素內(nèi)酯（brassinostreoid，BR）［4］等。最廣為人知的固醇是膽固醇，其在細(xì)胞分裂，細(xì)胞生長(zhǎng)，細(xì)胞死亡和各種發(fā)育過(guò)程中的信號(hào)傳導(dǎo)功能已有大量研究［4］。甾醇還參與了纖維素的合成以及其他激素通路的調(diào)節(jié)［5-6］，在植物胚胎發(fā)育、細(xì)胞分裂、細(xì)胞伸長(zhǎng)等過(guò)程中起著重要作用［7］。

1 植物甾醇生物合成途徑的相關(guān)基因及其調(diào)控機(jī)制

甾醇不僅是真核生物細(xì)胞膜的重要結(jié)構(gòu)成分，也是甾體激素生物合成的前體。植物甾醇廣泛存在于植物的根、莖、葉、果實(shí)和種子中，以游離甾醇和結(jié)合甾醇的形式存在［8］。它們主要由谷甾醇、豆甾醇（stigmasterol）和菜油甾醇組成［9］。由菜油甾醇衍生的油菜素甾醇（BRs）可以作為激素信號(hào)，對(duì)植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，并且在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的多種功能已被廣泛研究，包括：促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)、莖稈伸長(zhǎng)、花粉管伸長(zhǎng)、減小葉傾角、抑制根發(fā)育及細(xì)胞分裂等［4］。BRs發(fā)現(xiàn)于1970年，與生長(zhǎng)素（auxin）、乙烯（ethylene）、脫落酸（abscisic acid）、赤霉素（gibberellin）、細(xì)胞分裂素（cytokinin）并稱為植物的六大激素［10］。

BRs是植物甾醇合成途徑的產(chǎn)物，菜油甾醇及其差向異構(gòu)體是BRs合成的前體物質(zhì)（圖1）。植物甾醇和BRs的生物合成途徑已被廣泛研究，并且已經(jīng)通過(guò)很多生化和遺傳方法鑒定了該途徑中許多酶促反應(yīng)的基因［5］。從環(huán)烯醇到固醇和BR的生物合成途徑在2, 4-亞甲基苯酚處開始分散，之后平行分支產(chǎn)生谷甾醇和菜油甾醇（圖1），再通過(guò)菜油甾醇的特定途徑最后導(dǎo)致BR的生物合成。BR合成途徑中基因的突變會(huì)導(dǎo)致植物矮化［11］，矮化突變體的對(duì)應(yīng)的兩個(gè)基因STE1/DWF7和DWF1/DIM/CBB1［11］在BR合成的特異性途徑的上游起作用，這兩個(gè)基因參與了谷甾醇和菜油甾醇的生物合成（圖1）。固醇C-14還原酶（FK）在SET/DWF7上游的固醇生物合成途徑中起作用。C-14還原酶這一步驟在真核生物中是保守的，是甾醇生物合成必不可少的一步［12］。前人研究發(fā)現(xiàn)的具有胚胎缺陷的甾醇生物合成突變體作用于SMT2步驟的上游：SMT2/CVP1通過(guò)調(diào)控細(xì)胞擴(kuò)張影響花瓣形態(tài)及維管組織細(xì)胞分化［13-14］。甾醇生物合成突變體中甾醇成分的改變似乎會(huì)影響與生長(zhǎng)和模式相關(guān)的各種其他生物過(guò)程。例如，在fk（又名hyd2）和hyd1突變體中，生長(zhǎng)素和乙烯的調(diào)節(jié)信號(hào)可能受到了干擾［12，15-16］。cvp1、fk和hyd1突變體也表現(xiàn)出細(xì)胞極性缺陷的變化，例如細(xì)胞分裂表現(xiàn)異常［12-13］和表皮形態(tài)改變［15］。FK基因的轉(zhuǎn)錄和甾醇的生物合成似乎與多種激素的上調(diào)相關(guān)，包括生長(zhǎng)素、油菜素內(nèi)酯、赤霉素、細(xì)胞分裂素和乙烯［12］。而催化甾醇生物合成下游的酶，如DWF7、DWF5和DWF1等，主要參與控制BR的生物合成［11］。

圖1 擬南芥甾醇生物合成途徑Fig.1 Arabidopsis sterol biosynthesis pathway

2 甾醇對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控

甾醇不僅是真核細(xì)胞膜的重要結(jié)構(gòu)成分，還調(diào)控著細(xì)胞伸長(zhǎng)、細(xì)胞分裂、光形態(tài)建成、木質(zhì)部分化等多種過(guò)程以及非生物和生物脅迫反應(yīng)。在過(guò)去的20年里，為響應(yīng)BRs的合成途徑及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成千上萬(wàn)個(gè)基因被調(diào)控，從而發(fā)生各種生物反應(yīng)。甾醇在植物細(xì)胞分裂、胚胎發(fā)生和生長(zhǎng)發(fā)育中起著重要作用，是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的。此外，植物甾醇還作為信號(hào)分子參與逆境脅迫反應(yīng)，油菜素甾醇作為一種重要的植物激素，在逆境脅迫響應(yīng)中發(fā)揮著重要的作用［9］。

2.1 甾醇調(diào)節(jié)植物氣孔發(fā)育

氣孔發(fā)育模式是研究植物關(guān)于細(xì)胞自我更新、細(xì)胞不對(duì)稱分裂和細(xì)胞命運(yùn)決定的分子機(jī)制的良好模型系統(tǒng)［18］。在植物氣孔發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞不均等分裂是平衡細(xì)胞的自我更新和細(xì)胞分化的重要策略［14］?？刂茪饪装l(fā)育過(guò)程中細(xì)胞不對(duì)稱分裂和細(xì)胞分化的基因及細(xì)胞分化過(guò)程中的調(diào)控因子已有大量研究。Qian等［9］報(bào)道了擬南芥C-14還原酶基因FACKEL（fk）的一個(gè)弱等位基因（fk-J3158），該基因突變表現(xiàn)出葉片表皮細(xì)胞小和氣孔聚集的特點(diǎn)，這是氣孔不對(duì)稱分裂缺陷突變體中常見的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)fk-J3158的突變阻斷了下游甾醇的產(chǎn)生。cpi1、cyp51A2、fk和hyd1表現(xiàn)出相似的氣孔缺陷表型，進(jìn)一步的研究表明，這些突變體對(duì)應(yīng)于甾醇生物合成途徑的同一分支中的酶，這意味著它們有著相同的機(jī)制來(lái)調(diào)控氣孔發(fā)育［9］。對(duì)野生型擬南芥使用C-14還原酶抑制劑苯丙草胺（FEN）［12］后也出現(xiàn)了異常小細(xì)胞和氣孔聚集的表型。當(dāng)DWF5這一步被阻斷時(shí)，下游產(chǎn)物減少的同時(shí)上游甾醇會(huì)有一定的積累，但是dwf5沒有出現(xiàn)氣孔異常的表型［11］。不同的突變體會(huì)產(chǎn)生不同的甾醇衍生物，這些衍生物可能也會(huì)引起氣孔產(chǎn)生缺陷表型。因此，植物氣孔的正常發(fā)育離不開甾醇正常的生物合成。

2.2 甾醇調(diào)節(jié)植物維管組織的發(fā)育

維管組織的進(jìn)化是植物由水向陸遷移和高等植物建設(shè)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵事件。維管組織除了提供機(jī)械支撐外，還充當(dāng)著運(yùn)輸水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、激素甚至是植物周圍小RNA分子的通道［19］，因此，植物維管組織的發(fā)育對(duì)植物的生長(zhǎng)具有重要意義。調(diào)控維管組織模式的形成和維持的機(jī)制在分子水平上的研究相對(duì)較少。前人研究發(fā)現(xiàn)了由甾醇生物合成缺陷而導(dǎo)致的維管模式缺陷突變體，包括orc/smt1/cph、hyd1、fk/hyd2 和 cvp1/smt2［20-22］。盡管這些突變體植株較矮，它們?cè)贐Rs合成的上游存在缺陷，但是他們不同于BR缺陷的矮化突變體。因此，甾醇在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的作用不同于BRs。據(jù)推測(cè)，當(dāng)突變體中缺乏一些特定甾醇或這些甾醇含量表現(xiàn)出異常低水平時(shí)，會(huì)影響細(xì)胞的正常分裂和擴(kuò)張。Schrick等［22］在對(duì)fk突變體進(jìn)行分析后提出了一個(gè)模型，不同于BRs的特定甾醇分子可能具有使細(xì)胞正常分化、擴(kuò)張所需的特定信號(hào)作用。對(duì)突變體fk的研究表明，在突變體中產(chǎn)生了一系列新的甾醇［20］，并且各種甾醇中間體積累到異常水平［17］，這些成分中的任何一種都可能干擾內(nèi)源性甾醇介導(dǎo)的信號(hào)系統(tǒng)，從而破壞維管模式的正常發(fā)育［4］。

維管組織的發(fā)育是由多種信號(hào)通路之間復(fù)雜的相互作用調(diào)控的，關(guān)于這些相互作用機(jī)制的研究相對(duì)較少。從一些甾醇生物合成突變體的表型中可以明顯看出甾醇是維管形成的重要成分［20-21］。hyd1和fk/hyd2甾醇突變體在發(fā)育過(guò)程中存在相似的維管缺陷［23］。突變體幼苗的子葉的維管模式比真葉的維管模式缺陷更為嚴(yán)重。這些維管缺陷表型與BR突變體不同，BR突變體植株矮小，盡管BR信號(hào)通路是植物維管組織分化所必需的，但是BR突變體在細(xì)胞模式和維管組織發(fā)生方面受影響較?。?4］。Souter等［15，25］研究表明hyd1和fk/hyd2突變體在生長(zhǎng)素和乙烯信號(hào)傳導(dǎo)方面都存在缺陷。Carland等［13］表明，cvp1突變體在甾醇甲基轉(zhuǎn)移酶2（SMT2）中存在缺陷，維管組織表現(xiàn)出畸形、排列不齊等特點(diǎn)，作者還發(fā)現(xiàn)smt突變體在生長(zhǎng)素反應(yīng)和定位方面也存在缺陷［14］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)hyd突變體在根尖的生長(zhǎng)素運(yùn)輸基因（PIN3）的定位存在缺陷［15］，可能由于甾醇結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致重要的膜結(jié)合蛋白如受體或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能異常。Willemsen等［26］研究發(fā)現(xiàn)SMT1的orc等位基因PIN1和PIN3定位存在缺陷。此外，Pullen等［23］發(fā)現(xiàn)hyd1和fk/hyd2突變體在pin1、2和4的定位上表現(xiàn)出細(xì)胞間的變異性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)突變體維管組織中proIAA2∶GUS表達(dá)存在缺陷，說(shuō)明突變體的生長(zhǎng)素分布發(fā)生異常，表明生長(zhǎng)素的運(yùn)輸受到了影響，從而導(dǎo)致生長(zhǎng)素出現(xiàn)局部積累。除此之外，Grebe等［27］也表明，在甾醇缺陷的突變體中，甾醇和PIN2循環(huán)共用一個(gè)內(nèi)吞體通路，PIN2定位和生長(zhǎng)素介導(dǎo)的PIN2內(nèi)吞作用被抑制。Pan等［28］也證明了fk突變體的PIN2循環(huán)存在缺陷。由于PIN蛋白的功能異常，進(jìn)而導(dǎo)致維管模式缺陷。根尖分生組織的功能依賴于生長(zhǎng)素的分布和生長(zhǎng)素介導(dǎo)的基因的表達(dá)［29］，因此，甾醇突變體根尖分生組織功能的缺陷是由根尖生長(zhǎng)素介導(dǎo)的基因表達(dá)異常所導(dǎo)致。表明了甾醇在調(diào)節(jié)細(xì)胞極性和生長(zhǎng)素分布中也發(fā)揮著作用。

2.3 甾醇調(diào)節(jié)植物胚胎發(fā)育

多細(xì)胞生物的基本形態(tài)是在胚胎發(fā)生過(guò)程中建立起來(lái)的。Kathrin等［17］和Jang等［20］已經(jīng)鑒定出了在甾醇生物合成途徑中早期的一些具有油菜素類固醇缺陷特征的突變體。它們?cè)谂咛グl(fā)生過(guò)程中表現(xiàn)出獨(dú)特的缺陷，這些缺陷以前在油菜素內(nèi)酯突變體或甾醇生物合成突變體中沒有出現(xiàn)過(guò)。FACKEL蛋白與動(dòng)物和真菌的C-14甾醇還原酶的序列具有顯著相似性，并且FACKEL的cDNA被發(fā)現(xiàn)可以恢復(fù)酵母突變體erg24中存在缺陷的甾醇C-14還原酶［17］。Kathrin［17］通過(guò)原位雜交發(fā)現(xiàn)FACKEL基因在野生型植物胚胎發(fā)育過(guò)程中顯著表達(dá)。此外，在突變體中油菜素甾醇、油菜甾醇和谷甾醇的含量嚴(yán)重降低，而甾醇C-14還原酶底物的含量已累積到野生型的10倍。Steven等［4］研究表明在擬南芥胚胎的發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞的生長(zhǎng)是以位置依賴的方式?jīng)Q定的，其沿著主軸產(chǎn)生一個(gè)頂端-基部模式，形成放射狀的同心環(huán)，從而形成有機(jī)體［17］。胚胎發(fā)生的幾個(gè)不同階段，包括球狀階段、心形階段和魚雷階段。在fackel突變體中發(fā)現(xiàn)胚胎的形成嚴(yán)重缺陷，缺陷開始于球狀階段，胚胎發(fā)生不對(duì)稱的細(xì)胞分裂。當(dāng)野生型胚胎發(fā)育到心臟階段時(shí)，fackel突變體胚胎仍然是球狀的，無(wú)組織的。fackel突變體還產(chǎn)生多個(gè)莖尖分生組織，發(fā)育中的幼苗通常比野生型的兩個(gè)子葉多，子葉直接與根相連，下胚軸很少發(fā)育；根的發(fā)育也表現(xiàn)異常［17］。

fk胚胎表現(xiàn)出的一系列細(xì)胞缺陷，說(shuō)明FK是正常且有組織的細(xì)胞分裂和擴(kuò)張所必需的。然而，由于FK突變不影響愈傷組織細(xì)胞在培養(yǎng)基中的增殖能力，因此FK不是基本的細(xì)胞分裂所必需的。FK似乎在發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞生長(zhǎng)中發(fā)揮作用。在fk突變體幼苗中，F(xiàn)K在頂端-基部軸的所有組成部分都有表達(dá)，這表明FK在細(xì)胞的發(fā)育中不是嚴(yán)格必需的。然而，在fk胚胎中，特定的細(xì)胞群（如莖分生組織）的分配受到顯著干擾。這表明，除了在細(xì)胞分裂和擴(kuò)張中的作用外，F(xiàn)K還參與產(chǎn)生胚胎內(nèi)模式組織的定位［17］。fk突變體中出現(xiàn)多個(gè)莖分生組織，可能反映了胚胎細(xì)胞間通信所需的一種新的固醇信號(hào)的缺失。胚胎頂端的劃分和分生區(qū)的形成取決于周圍組織的位置信息。莖分生組織和胚根可以從下胚軸接收位置信息［17］。fk中的分配缺陷推測(cè)可能歸因于下胚軸和分生組織之間信號(hào)傳導(dǎo)的缺陷導(dǎo)致。因此fk胚胎中最早出現(xiàn)的表型是球形期中央細(xì)胞（下胚軸原基）不規(guī)則的細(xì)胞擴(kuò)張。

Jang等［20］發(fā)現(xiàn)擬南芥矮化突變體fackel-j79，它的成熟植株的表型類似于油菜素類固醇缺陷突變體，它也表現(xiàn)出胚胎畸形、子葉和芽分生組織多生以及和根系發(fā)育不良等特點(diǎn)。他們克隆了FACKEL基因，同樣發(fā)現(xiàn)其編碼的蛋白質(zhì)序列與人類甾醇還原酶家族和酵母C-14甾醇還原酶相似，并在生長(zhǎng)活躍的細(xì)胞中優(yōu)先表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)fk-J79突變導(dǎo)致C-14甾醇還原酶活性下降，各甾醇成分出現(xiàn)異常，BRs減少。與其他br缺陷突變體不同的是fk-J79的下胚軸伸長(zhǎng)缺陷不能通過(guò)外源BRs恢復(fù)。以往對(duì)BR缺陷突變體的研究表明，BR在植物胚后發(fā)育中起重要作用。BR突變體的矮化表型是由于細(xì)胞大小的減少，而不是細(xì)胞數(shù)量減少。然而，前人已經(jīng)通過(guò)各種細(xì)胞培養(yǎng)證明了BRs可以促進(jìn)細(xì)胞分裂［10］。異常的甾醇成分和BRs的減少會(huì)導(dǎo)致正常植物細(xì)胞分裂出現(xiàn)異常［20］。因此，甾醇調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物胚胎和胚后發(fā)育的細(xì)胞分裂和細(xì)胞擴(kuò)張中起著重要作用。

2.4 油菜素內(nèi)酯BRs與其他激素之間的關(guān)系

BRs是植物甾醇合成途徑的產(chǎn)物，BRs是一種重要的植物激素，參與調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，一般來(lái)說(shuō)，一定濃度的BRs可以提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，在提高作物抗逆性方面也發(fā)揮著重要作用［30］。油菜素內(nèi)酯是一種促進(jìn)植物生長(zhǎng)的固醇類化合物，主要分布在植物的大多數(shù)器官中，如花粉、莖尖伸長(zhǎng)區(qū)和未萌發(fā)的種子。BR感知發(fā)生在膜定位受體上，下游細(xì)胞質(zhì)調(diào)節(jié)因子將BR介導(dǎo)的信號(hào)傳遞到細(xì)胞核，激活BR來(lái)響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)［31］。它們與其他激素相互作用還可以應(yīng)對(duì)干旱、溫度變化和鹽度等非生物脅迫。如Divi和Krishna等［8］研究發(fā)現(xiàn)植物外源施用BR可以有效促進(jìn)植物生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量和植物對(duì)非生物脅迫的耐受性［32］。

在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，每種激素都不是獨(dú)立存在的，它們?cè)谥参锷L(zhǎng)中不能單獨(dú)發(fā)揮作用。因此，BRs在植物發(fā)育中的作用也不是獨(dú)立的，BRs與其他植物激素相互作用形成了一個(gè)復(fù)雜的植物激素網(wǎng)絡(luò)，來(lái)調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育［33］。BRs主要通過(guò)調(diào)節(jié)ACS（ac-合成酶）和ACO（ac-氧化酶）合成所需的酶的活性來(lái)控制ETH的生物合成［34］。BRs含量升高可降低BR信號(hào)通路中主要轉(zhuǎn)錄因子BZR1/BES1的活性，提高ACS的穩(wěn)定性，阻止26S蛋白酶體降解，從而激活ETH的生物合成。相反，BRs含量降低則會(huì)提高BZR1/BES1的活性，從而抑制了ETH的生物合成活性［35］。前人研究發(fā)現(xiàn)，BRs和ABA之間具有拮抗作用，ABA與BR通過(guò)調(diào)節(jié)BIN2的活性實(shí)現(xiàn)它們之間相互作用［36］。ABA通過(guò)上調(diào)BRs信號(hào)通路的負(fù)調(diào)控因子BIN2 來(lái)降低BRs信號(hào)通路的活性。在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，BRs通過(guò)下調(diào)ABA信號(hào)的正調(diào)控因子PP2C家族的表達(dá)來(lái)抑制ABA的作用［36］。在bri1突變體中，用BIN2的激酶活性抑制劑 LiCl 處理植物可以阻止ABA 對(duì) BR的效應(yīng)，并且 ABA 對(duì) BR 的作用依賴于 ABA 信號(hào)途徑元件 PP2C 蛋白磷酸酶 ABI1 和 ABI2 的作用。因此，作者發(fā)現(xiàn)ABA與BR的相互作用發(fā)生在BR被受體感受之后的信號(hào)通路，可能是通過(guò)調(diào)節(jié) BIN2 或BIN2下游靶蛋白來(lái)實(shí)現(xiàn)。Nishiyama 等［37］研究發(fā)現(xiàn)ABA可以通過(guò)上調(diào)CK氧化酶/脫氫酶的活性來(lái)抑制CK信號(hào)傳導(dǎo)途徑，從而導(dǎo)致CK失活。CK可以上調(diào)調(diào)控BR生物合成相關(guān)基因DFW4和信號(hào)通路相關(guān)基因BRI1、BAK1的表達(dá)［38-39］。BRs通過(guò)上調(diào)IPT（異戊烯基轉(zhuǎn)移酶）的活性可以促進(jìn)CK的生物合成。BRs與AUX通過(guò)協(xié)同作用可以促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)［40］。BRs可以調(diào)節(jié)編碼生長(zhǎng)素極性運(yùn)輸?shù)腜IN基因的表達(dá)，Pan等［28］研究表明甾醇是生長(zhǎng)素介導(dǎo)的PIN2在細(xì)胞膜內(nèi)吞作用所必需的，hyd/fk突變體對(duì)生長(zhǎng)素反應(yīng)比較敏感，并且通過(guò)抑制乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，hyd/fk突變體中的生長(zhǎng)素信號(hào)缺陷和生長(zhǎng)素依賴的根系的生長(zhǎng)模式可以恢復(fù)［15］。BRs通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑與多種轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)一系列的磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)調(diào)控BR靶基因的表達(dá)，以及與不同激素之間產(chǎn)生的相互作用從而調(diào)節(jié)植物的各種生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程。

2.5 甾醇對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

甾醇是異戊二烯大家族的一部分，異戊二烯是一組結(jié)構(gòu)相關(guān)的次級(jí)代謝產(chǎn)物。BRs作為甾醇合成的產(chǎn)物，是一種廣泛存在于植物界的類固醇激素。這些類固醇對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育具有獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)［31，41］。盡管植物也產(chǎn)生了幾十種不同的甾醇，但只有BRs被證明是激素信號(hào)。BR激素在調(diào)節(jié)植物細(xì)胞擴(kuò)張、形態(tài)發(fā)生、頂端優(yōu)勢(shì)、葉片和葉綠體衰老以及基因表達(dá)等方面起著重要作用［4］。BR生物合成或反應(yīng)中的細(xì)胞缺陷通常是由于細(xì)胞擴(kuò)張的缺陷而導(dǎo)致植株出現(xiàn)矮小的表型。在水稻葉片傾斜度的研究中，矮稈突變體d2的典型表型是直立葉片傾斜角度顯著降低，其可通過(guò)外源BRs處理恢復(fù)到正常性狀［42］。迄今為止，幾種在甾醇生物合成途徑的早期步驟中有缺陷的突變體，如fk/hyd2、hyd1和smt1 已被研究［13，15，20］，它們?cè)谂咛グl(fā)育中都表現(xiàn)出嚴(yán)重的缺陷，不能通過(guò)外源性BRs來(lái)恢復(fù)。擬南芥cvp1突變體的子葉維管模式缺陷，研究發(fā)現(xiàn)是由SMT2突變引起的。擬南芥的SMT2的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致谷甾醇的含量急劇下降，油菜素甾醇含量上升。這些植物表現(xiàn)出多種表型，包括株高變矮、分蘗增加、花形態(tài)異常和育性降低等［43］。維管模式缺陷的突變體cvp1的胚表型正常，但cvp1植株在胚胎發(fā)育過(guò)程中維管細(xì)胞及子葉出現(xiàn)缺陷［13］。同樣發(fā)現(xiàn)施用BR合成抑制劑不能恢復(fù)cvp1突變表型。因此，除了BR，甾醇在植物發(fā)育中有著關(guān)鍵且獨(dú)立的信號(hào)作用。

近年來(lái)，科學(xué)家們?cè)贐Rs對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響方面取得了新的研究進(jìn)展。Zhang等［44］利用質(zhì)譜分析、酵母雙雜、雙分子熒光互補(bǔ)和CRISPR/Cas9等實(shí)驗(yàn)，為負(fù)調(diào)控植物細(xì)胞死亡的受體激酶BAK1介導(dǎo)的光信號(hào)傳遞和提高過(guò)氧化氫酶（CAT）活性從而降低過(guò)氧化氫水平，抑制植物生長(zhǎng)提供了直接的證據(jù)。Wang等［45］發(fā)現(xiàn)BRs在擬南芥幼苗黃化過(guò)程中起重要作用，BRs突變體det2-1相對(duì)于野生型，含有過(guò)量的葉綠素，而突變體bzr1-1D抑制了det2-1的葉綠素積累，從而促進(jìn)黃化苗的綠化。而BRs缺失和BRs不敏感突變體在黑暗中生長(zhǎng)4-8 d，光照2 d后，幼苗轉(zhuǎn)綠能力明顯低于野生型。進(jìn)一步分析表明，BZR1、光敏色素相互作用因子PIF4和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子GRF7協(xié)調(diào)編碼葉綠素生物合成關(guān)鍵酶基因的表達(dá)，從而促進(jìn)黃化幼苗變綠［45］。還有研究發(fā)現(xiàn)野生型植物氣孔中的淀粉在光照下迅速降解，而在BRs缺乏和不敏感突變體的氣孔中，淀粉大量富集，光照條件下無(wú)法降解，使氣孔無(wú)法正常打開。BRs通過(guò)與H2O2的相互作用促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞淀粉的降解，從而促進(jìn)氣孔的開放。該研究也為淀粉糖假說(shuō)提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)支持［46］。

2.6 甾醇在調(diào)節(jié)逆境脅迫相關(guān)的研究

植物甾醇生物合成途徑產(chǎn)生的BRs，在植物逆境脅迫中有重要功能。植物激素是植物產(chǎn)生的多種信號(hào)分子，這些分子可以被運(yùn)輸?shù)街参锏牟煌课唬鼈冊(cè)谡{(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮著重要作用［47］。前人研究表明，植物激素可能是抗性基因表達(dá)的起始因子。不利條件改變了植物源激素的平衡，導(dǎo)致代謝途徑的改變，這可能是抗性基因激活和表達(dá)的結(jié)果［48］。它們與其他激素相互作用來(lái)調(diào)節(jié)對(duì)非生物脅迫如干旱、溫度變化和鹽度等的適應(yīng)。Surjusl等［49］研究表明，大豆根在鹽脅迫下谷甾醇的含量沒有變化，但總甾醇含量減少，飽和脂肪酸含量大量增加，說(shuō)明細(xì)胞膜中主要甾醇含量的穩(wěn)定性可以抵抗鹽脅迫引起的生理傷害。研究發(fā)現(xiàn)低 UV-B 照射葡萄時(shí)與膜相關(guān)的豆甾醇、谷甾醇含量增加，在幼葉中豆甾醇和谷甾醇增加得更明顯，并且與脅迫相關(guān)的ABA含量也隨之增加。EBL（2，4-表油菜素內(nèi)酯）作為油菜素甾醇的一種，也能抵御各種生物和非生物脅迫。EBL處理顯著抑制了杏果實(shí)超氧陰離子的產(chǎn)生。它還降低了丙二醛（MDA）的含量、細(xì)胞膜的通透性、發(fā)病率，并顯著抑制了杏果斑直徑的擴(kuò)大［33］。通過(guò)透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，EBL處理可以保持杏果實(shí)在貯藏過(guò)程中線粒體、葉綠體等細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)完整性。EBL在重金屬脅迫反應(yīng)中也起著重要作用，鉛的積累直接影響細(xì)胞的新陳代謝，導(dǎo)致抗氧化酶防御系統(tǒng)的損傷和自由基的毒性。Soares等［50］發(fā)現(xiàn)，BRs逆轉(zhuǎn)了鉛脅迫對(duì)芥菜型油菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響。EBL可提高超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶（POD）等抗氧化酶的活性，從而克服鉛的毒性作用［50］。Bajguza等［51］研究發(fā)現(xiàn)在鹽脅迫下噴施油菜素內(nèi)酯可提高植物的耐鹽性。Zhang等［52］研究發(fā)現(xiàn)，油菜素甾醇具有誘導(dǎo) H2O2積累的效應(yīng)，并且BR誘導(dǎo)的H2O2具有調(diào)節(jié)植物地上部分抗氧化防御系統(tǒng)的作用。

2.7 甾醇調(diào)節(jié)植物形態(tài)建成

形態(tài)建成是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它包括不可分割的暗形態(tài)建成和光形態(tài)建成兩個(gè)相聯(lián)階段［53］。正常的暗形態(tài)建成必需要保持活躍的油菜素內(nèi)酯（BR）信號(hào)而由暗形態(tài)建成向光形態(tài)建成的轉(zhuǎn)變必需抑制BR信號(hào)。研究發(fā)現(xiàn)提高缺陷 PM-BRI1的bri1突變體的ER-BRI1水平可完全恢復(fù)暗形態(tài)建成但只能部分恢復(fù)光形態(tài)建成。這表明光形態(tài)建成需要ER-BRI1和PM-BRI1而暗光形態(tài)建則只需要ER-BRI1。我們的研究結(jié)果系統(tǒng)的闡明了ER-BRI1也是有功能的受體。同時(shí)我們也在繼續(xù)研究 PMBRI1和 ER-BRI1 在協(xié)調(diào)控制植物的光形態(tài)建成尤其是葉子大小和形狀形成中的細(xì)胞及分子機(jī)制［53］。

生長(zhǎng)素和油菜素內(nèi)酯（BR）是促進(jìn)植物細(xì)胞伸長(zhǎng)的重要植物激素，它們負(fù)調(diào)控植物的光形態(tài)建成［54］。光是重要的環(huán)境因子，它不僅是植物光合作用的能量來(lái)源，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育的決定性信號(hào)。光信號(hào)通過(guò)藍(lán)光受體隱花素CRY、紅光和遠(yuǎn)紅光受體光敏素PHY介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，調(diào)控植物的光形態(tài)建成、開花時(shí)間、生物節(jié)律，以及氣孔發(fā)育等重要生理過(guò)程。前人研究表明［55］CRY1通過(guò)與生長(zhǎng)素受體TIR1的底物Aux/IAA蛋白的互作，抑制TIR1與Aux/IAA蛋白的互作而促進(jìn)Aux/IAA蛋白的穩(wěn)定性，從而抑制生長(zhǎng)素信號(hào)；CRYl與去磷酸化形式（活性形式）的BES1發(fā)生藍(lán)光依賴性的直接互作，抑制其DNA結(jié)合能力來(lái)抑制BR信號(hào)。由于只有去磷酸化形式的BES1才能與靶基因結(jié)合，而其形成依賴于BR。因此，只有在藍(lán)光信號(hào)和BR信號(hào)同時(shí)都存在的條件下，CRY1與BES1才能發(fā)生互作。通過(guò)上述機(jī)制，光信號(hào)可以與植物激素信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)整合，從而平衡、優(yōu)化植物的細(xì)胞伸長(zhǎng)和光形態(tài)建成［56］。

3 展望

植物甾醇作為一類重要的生理活性物質(zhì)，在調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中具有重要作用。有一些報(bào)道表明它在植物的各種生理生化功能中以及從細(xì)胞分裂、細(xì)胞擴(kuò)張、生殖到氣孔導(dǎo)度和根系發(fā)育，在植物生命周期的各個(gè)方面都發(fā)揮著重要的作用。目前，BRs作為激素已引起越來(lái)越多的植物學(xué)家的關(guān)注，其在植物的生長(zhǎng)發(fā)育和抗逆中起著重要作用。植物甾醇獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)是保持細(xì)胞膜穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，逆境脅迫下植物主要通過(guò)植物甾醇含量的相對(duì)變化維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定，并作為信號(hào)分子參與逆境脅迫引起的生理反應(yīng)。在過(guò)去幾十年的研究中，BR通路是植物中研究得最好的信號(hào)通路之一。前人通過(guò)篩選突變等遺傳方法證明了BRs在植物生長(zhǎng)中的重要性，也揭示了BRs生物合成和信號(hào)傳導(dǎo)的許多主要的參與者［10］。盡管取得了一些進(jìn)展，但BR領(lǐng)域仍有許多問題有待解決，例如在植物生長(zhǎng)發(fā)育的過(guò)程中，在哪些細(xì)胞中基因被激活或抑制來(lái)控制BR調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和對(duì)環(huán)境的反應(yīng)等。甾醇在植物發(fā)育系統(tǒng)中的作用機(jī)制，如細(xì)胞分裂、細(xì)胞壁再生、形態(tài)發(fā)生、細(xì)胞骨架組織等，至今仍有許多問題尚未解決，未來(lái)仍需進(jìn)行大量研究。