植物激素水杨酸：生物合成、信号转导与运输.pdf

2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业植物激素水杨酸：生物合成、信号转导与运输张一格1，韦伟1，2*，单守明2（1.商洛学院 生物医药与食品工程学院，陕西 商洛 726000；2.宁夏大学 农学院，银川 750021）水杨酸（Salicylic acid，SA）是植物合成的众多酚类化合物之一。SA 不仅参与调节植物生长发育的许多方面，而且在植物抵抗生物与非生物胁迫中发挥着重要的作用。研究表明，内源性 SA 作为植物免疫的内部防御信号发挥作用，外源喷施水杨酸同样影响植物的生长和发育，主要包括光合作用、呼吸、种子萌发、气孔关闭、开花和衰老等1。而 SA 在植物免疫中最显著的作用之一是其在植物系统性获得抗性（systemic acquiredresistance，SAR）合成中的作用，SAR 与感染部位和全身组织中 SA 水平的增加息息相关。随着对 SA 的深入研究，异分支酸合酶（蚤泽燥糟澡燥则蚤泽原皂葬贼藻 泽赠灶贼澡葬泽藻，陨悦杂）和苯丙氨酸解氨酶（责澡藻灶赠造葬造葬灶蚤灶藻葬皂皂燥灶蚤葬原造赠葬泽藻，孕粤蕴）途径作为植物合成 杂粤 的重要途径，其合成相关的酶类已基本被解析。近期，也有研究表明 晕孕砸员（灶燥灶藻曾责则藻泽泽燥则 燥枣 责葬贼澡燥早藻灶藻泽蚤泽原则藻造葬贼藻凿 早藻灶藻泽员）为 杂粤 受体，解决了多年来的科学争论，杂A 的生物合成和信号转导过程进一步得到完善2。1SA的生物合成与储存人们普遍认为，植物通过2条途径来合成SA：ICS途径和 PAL 途径。2 种途径都起源于莽草酸（Shikimic acid）途径所产生的分支酸（chorismate acid，CA），然后经过一系列的酶促反应，最终合成 SA，其中部分酶并没有被鉴定出来。在不同的植物中，2 条途径对 SA 生物合成的重要性不同，甚至同一植物体内的 SA 含量也不相同。SA 含量在植物细胞内受到严格的化学修饰调节，从而产生一些非活性分子，这些非活性分子可以在细胞内储存，直到需要激活 SA 触发的响应为止。1.1ICS 途径SA 生物合成的 ICS 途径始于 CA，然后在叶绿体中通过 ICS 转化为异分支酸（isochorismate，IC），该途径在细菌中首次被发现，并且由异分支酸裂解酶（isochorismate pyruvate lyase，IPL）催化 IC 转化为SA。随着研究的进一步深入，科学家发现植物拥有自身独特的 ICS 途径。在叶绿体中，ICS 将分支酸转化为 IC，基金项目：宁夏农业育种专项项目（NXNYYZ202101）*通信作者：韦伟（1996-），男，硕士，助教。研究方向为葡萄逆境生理与分子生物学。摘要：水杨酸是一种重要的植物激素，其不仅参与调节植物生长发育的多个方面，并且在植物抵抗生物和非生物胁迫中也发挥着重要作用。近年来，对于水杨酸生物合成和信号转导的相关研究取得重大进展，水杨酸生物合成的异分支酸合酶和苯丙氨酸解氨酶代谢途径及其多个步骤得到进一步的完善；明确了 NPR1 及其同源蛋白 NPR3、NPR4 是植物中水杨酸的真正受体；对 NPR 类蛋白的结构进行解析等。该文对水杨酸的生物合成、信号转导和运输的相关研究进行综述。关键词：植物激素；水杨酸；生物合成；信号转导；运输中图分类号院Q946文献标志码院A文章编号院2096-9902渊2024冤08-0013-04Abstract:Salicylicacidisanimportantplanthormone,whichnotonlyregulatesmanyaspectsofplantgrowthanddevelopment,but also plays an important role in plant resistance to biotic and abiotic stresses.In recent years,great progress hasbeen made in the research on Salicylic acid biosynthesis and signal transduction:the metabolic pathways and several steps ofisochorismate synthase and phenylalanine ammonia-lyase in Salicylic acid biosynthesis have been further improved,and it is clearthat NPR1 and its homologous proteins NPR3 and NPR4 are the real receptors of Salicylic acid in plants.The structure of NPRproteins was analyzed.This paper reviews the related studies on the biosynthesis,signal transduction and transport of Salicylic acid.Keywords:plant hormone;Salicylic acid;biosynthesis;signal transduction;transportDOI：10.20028/j.zhnydk.2024.08.00413-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture然后通过 EDS5（enhanced disease susceptibility 5）将IC 转运到细胞质中。在细胞质中，PBS3（AvrPphBsusceptible 3）催化 L-谷氨酸与异分支酸结合，产生IC-9-Glu（isochorismoyl-9-glutamate）；而 SA 的最终合成通过 2 条不同的途径来完成：其一是在没有酶的情况下，SA 的合成由 IC-9-Glu 自发衰变产生；其二为EPS1 催化加速 SA 的合成。然而，第二条途径只发生在芸苔科植物中，这在一定程度上说明其他科的植物可能含有其他的酶类催化或者依赖于 IC-9-Glu 的自发衰变合成 SA3。因此，植物与细菌的 ICS 途径存在较大差异，植物中 ICS 途径的完善为研究植物 SA 生物合成提供了巨大的贡献。1.2PAL 途径植物通过 PAL 途径同样产生 SA，尽管 PAL 途径在 SA 的生物合成中具有重要的作用，但是 PAL 是一种上游酶，其也可能催化产生其他的防御相关化合物。分支酸变位酶（Chorismate mutase，CM）在 SA 合成中将分支酸转化为预苯酸（prephenic acid）；PAL 是 PAL途径中第一种被确定的酶，其负责将苯丙氨酸（pheny原lalanine，Phe）转化为反式肉桂酸（trans-cinnamic acid，t-CA）；AIM1（abnormal inflorescence meristem 1）是多功能蛋白质（MFP）家族的成员，能够催化 t-CA 转化为苯甲酸（benzoic acid，BA）；而苯甲酸羟化酶（benzoicacid 2-hydroxylase，BA2H）尚未被纯化，其可能负责将BA 转化为 SA。因此，PAL 途径起始于分支酸，由 CM 催化分支酸产生预苯酸，然后被还原成苯丙氨酸，进而由PAL 将苯丙氨酸转化为 t-CA。t-CA 进一步通过邻香豆酸（ortho-coumaric acid，o-CA）或苯甲酸 2 种中间体转化为 CA，而 AIM1 催化 t-CA 转化为苯甲酸，苯甲酸可能经由 BA2H 催化合成 SA；o-CA 可直接合成 SA。PAL 途径中的中间体和产物不仅是 SA 的生物合成所必需的，也是其他次生代谢物的生物合成所必需的。1.3SA 合成的调控Wildermuth 等通过研究鉴定出了 2 个假定的 ICS基因 ICS1 和 ICS2。在 ics1 突变体中 SA 积累大幅度降低，ics1 和 ics2 双突变体完全丧失诱导合成 SA 的能力，这表明内源途径是拟南芥合成 SA 的主要途径4。ICS1 和 ICS2 都定位于叶绿体，ICS2 具有较低的酶活性，其反应速率约为 ICS1 的一半，与 ICS1 相比，在病原体感染后，ICS2 产生的 SA 含量明显较低4。近年来，科研人员已经发现多个参与调节 SA 生物合成或积累的重要基因表达的转录因子。van Verk 等研究表明，WRKY 家族转录因子可能在 SA 信号通路中具有重要作用。其中，WRKY28（WRKY DNA bindingprotein 28）可直接或间接激活 ICS1 基因的表达，通过在-460 和-445 两个结合位点以及可能在其他位点结合启动子，从而促进 ICS 的合成。此外，SARD1（Sys原temic Acquired Resistance Deficient 1）及其同源物CBP60g（CaM-Binding Protein 60g）也被鉴定为病原体诱导 SA 合成的重要调节因子，在 sard1 与 cbp60g 双突变体中，病原体诱导的局部和系统叶片中的 SA 合成被完全阻断，导致局部和系统抗性严重受损。Zhang 等5证明了 SARD1 和 CBP60g 是 DNA 结合蛋白，在对病原体感染的反应中，SARD1 和 CBP60g 都被招募到 ICS1启动子中，这表明它们直接调节 ICS1 的表达和 SA 的合成。最新研究表明 PBS3 在植物合成 SA 中也发挥着巨大的作用3，然而关于其转录相关的研究较少。1.4SA 的储存SA 合成后可以被转化成多种衍生物。这些分子既可以作为 SA 的可运输形式，也可以作为 SA 的非活性/存储形式。SA 的非活性形式主要有 SA 葡萄糖酯（SGE）、SA 葡萄糖苷（SAG）、水杨酸甲酯（MeSA）及水杨酸甲酯 O-茁-葡萄糖苷（MeSAG）。当植物遭受病原体感染后，新合成的 SA 会大部分形成 SAG，只有少部分会形成 SGE。SAG 可能在细胞质中形成，然后被运输到液泡中，在病原体攻击后可以水解释放出游离的 SA，而SGE 大部分位于液泡之外6。例如，拟南芥通过 UDP-糖基转移酶 UGT74F1 和UGT74F2 来完成 SA 的糖基化，而这二者定位于细胞质，并由 SA 所诱导7。尽管这 2 种酶具有 77豫的相同性，并且具有保守的活性位点残基，但它们催化形成不同的产物：UGT74F1 催化形成 SAG，而 UGT74F2 主要形成 SGE。SAG 和 SGE 很容易被水解成活性 SA，这些活性 SA 可以被重新动员到其他细胞位置发挥作用，然而对于 SAG 和 SGE 水解的机制尚不清楚。除了糖基化作用，SA 还可以通过羧基甲基转移酶（carboxy methyl原transferases，SAMT）的活性形成 MeSA，在拟南芥中，AtBSMT1 编码一个羧基甲基转移酶，该酶可能以 BA 或SA 作为底物形成 MeSA。而 MeSA 可以被甲基酯酶（methylesterases，MESs）转化为活性 SA。甲基化赋予14-2024 年 8 期智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture智慧农业SA 更好的膜渗透性和挥发性，促进其从植物中释放。2SA的信号转导在过去的三十年里，关于 SA 信号通路领域的研究取得了巨大的进展，而在 SA 信号通路的关键免疫因子中，NPR1 是 SA 介导的植物防御的主要调节因子。人们普遍认为，植物和动物激素通过结合一个或多个受体来实现信号传递。从 20 世纪 90 年代初开始，研究人员已经陆续发现了几十种 SA 结合蛋白（SABPs），然而，只有 NPR1、NPR3 和 NPR4 被证明是真正的 SA 受体8。2.1SA 信号接收2.1.1NPR1在发现 SA 是内源性信号之后，为了鉴定在 SA 下游起作用的关键成分，研究人员通过多个正向遗传筛选来鉴定对 SA 或其活性类似物无反应的拟南芥突变体，在研究中首次鉴定出了 NPR1 突变体。NPR1 是一种转录共激活因子，研究发现，在相同的饱和浓度下，相较于 NPR4（8%），样本中的 NPR1 只有 0.02%能与SA 结合，这一研究结果在一定程度上解释了很少检测到 NPR1 的 SA 结合活性的原因，并且 Wu 等也证明了NPR1 直接结合 SA，结果表明，SA 的结合导致 NPR1 的构象变化，并伴随着 C 端反转录激活域从 N 端自抑制BTB/POZ 域释放，而位于 C 端反转录激活域的 2 个 aa残基（Cys521/Cys529）是 SA 结合所必需的。在 NPR1 同源系中，Cys521/529 不是普遍保守的。然而，金属与蛋白质的相互作用并不严格限于 Cys，目前尚不清楚 SA是否通过与其他能够结合金属辅助因子的 aa 残基相互作用的类似机制结合和调控这些蛋白。在未诱导的条件下，NPR1 主要以低聚复合物的形式存在于细胞质中，其分子之间通过二硫键连接；而在病原菌或 SA 的诱导下，NPR1 会逐渐从聚合形态转换为单体状态，并且这些单体状态的 NPR1 会在细胞核里积累以激活相关基因的表达。2.1.2NPR3/4NPR3 和 NPR4 是 NPR1 的同源蛋白，二者功能冗余。研究表明，NPR1 正调节 SA 介导的植物免疫，而NPR3 和 NPR4 被证明对植物免疫具有负调节作用。但尽管对于 NPRs 进行了大量的研究，但其结构直到近期才被解析。Wang 等的研究进一步证明了 SBC 在感知SA 中的关键作用。随后将 NPR4 的 SBC 结晶，并确定其结构为 2.3 A 分辨率，NPR4 的 SBC 结构由 5 个紧密排列的 琢-螺旋和 C 端四螺旋束状折叠（C-terminalfour-helix-bundle-like fold）组成9。总的来说，SA 结合袋的特点是位于受体 SBC 结构域的中心位置和总体疏水性，SA 结合袋将 SA 完全埋在四螺旋束状折叠的锥形末端内腔中，不留下配体进入或逃逸的空隙。同时Wang 等研究表明，NPR1 还配备了能够感知 SA 的潜在SBC 模块（氨基酸 386-525）。尽管 NPR1 和 NPR4 具有几乎相同的激素结合残基，但 NPR4 对 SA 的亲和力要高得多，而 NPR3 和 NPR1 的 SA 结合亲和力相当。通过揭示 NPR4 SBC 感知 SA 的结构机制，为人们明确NPR 蛋白的结构-功能关系提供了新的方向。2.2SA 信号转导的调控NPRs 自身没有与 DNA 结合的区域，因此需要通过与转录因子（transcription factor，TF）的相互作用来进行信号传导，并调控下游基因的表达。在细胞核中，NPR1 与转录因子相互作用，诱导致病相关基因的表达，从而促进防御反应，然而对于NPR1 表达的调节尚未得到广泛研究。研究表明，功能性 NPR1 蛋白是 NPR1 充分表达所必需的，到目前为止，只有 2 种转录因子被发现与 NPR1 的启动子结合。WRKY18 是一种 SA 诱导的蛋白，其是第一个被报道专门识别 NPR1 启动子中的 W-box 基元的转录因子（NPR1 启动子中的 W-box 基序对其基因表达至关重要），Chen 等研究发现 WRKY18 与 NPR1 相互作用，而SA 会增强这种相互作用。同时，研究还发现，在 SA 处理下，其他几个 WRKY 基因表达上调，这表明 WRKY家族的其他蛋白也有可能参与了 NPR1 基因的调控。NPR1 蛋白还通过募集 CDK8（cyclin-dependent ki原nase8）和 WRKY 转录因子间接调节自身的基因表达，例如，NPR1 能够通过与转录因子相互作用来结合自身启动子的 W-box 基序8。3SA在植物体内的运输3.1角质层和 SA 运输叶片中总 SA 的一部分来自于表皮角质层中，这表明角质层中也存在 SA，这种表皮中 SA 的存在形式也解释了自公元前 400 年以来柳树树皮的药用特性。植物角质层通常被认为是与环境隔绝的被动屏障，Lim 等研究表明，运输出叶绿体的 SA 被输送到细胞外部和角质层，角质层参与调节防御激素 SA 的主动运输。在角质层缺陷突变体中，增加的蒸腾作用和降低的水势优15-2024 年 8 期智慧农业智慧农业导刊Journal of Smart Agriculture先将 SA 输送到角质层而不是到质外体，导致 SA 长距离运输的缺陷，从而损害 SAR 诱导剂哌可酸（Pipecolicacid）的远端积累，并且 SA 在共质体和角质层之间的分配是由蒸腾作用调节的。SA 在细胞质中合成后，在中性胞质酸碱度下，SA 主要以去质子化形式存在，随着SA 对病原体感染的反应而积累，由于积累的 SA 的去质子化，细胞质中的 H+水平预计会升高。H+的增加可能导致质膜上的质子差异，反过来又可以促进 SA 以依赖于酸碱度和载体的方式快速输出到质外体区。与叶绿体膜不同，SA 能够双向渗透质膜，这与 SA 最初转运到受感染叶片的质外体，随后再进入远端未感染细胞的共质体一致10。3.2细胞间运输SA 一旦在细胞中合成后，其含量受到严格的调控，要么会被转化为非活性形式进行存储，要么会向其他部位运输。而 SA 运输旅程的下一步就是向临近细胞的传播。SA 通常通过质外体途径进行运输，由于其化学特性，SA 通过依赖于酸碱度的扩散和载体介导的机制穿过植物细胞膜。3.3长距离运输在病原菌侵染过程中，SA 通过拟南芥和烟草的质外体在韧皮部积累。将14C 标记的 SA 通过涂抹叶片背面引入葡萄幼苗，经过研究发现 SA 不易向外运输，具有以韧皮部运输为主（也可少量木质部运输）、向下运输为主的特点。虽然木质部在 SA 介导的运输过程中所起的作用尚不清楚，但 Rocher 等也研究发现 SA 通过韧皮部运输到根系，并通过木质部少量向上分配，这有助于解释植物对生物胁迫和外源 SA 施用的响应特性。4结束语目前，对于植物激素 SA 的生物合成和信号转导方面的研究取得了重大进展。植物体内 SA 生物合成的 2条途径得到了很大的完善，SA 信号的感知以及相关调控也进一步被研究。但是，随着深入研究，发现还有诸多问题不明晰，这些问题的探索对于未来农业的发展意义重大。参考文献院1 CLELAND C F，AJAMI A.Identification of the Flower-in原ducing Factor Isolated from Aphid Honeydew as being Sali原cylic AcidJ.Plant Physiology，1974，54（6）：904-906.2 CHEN J，ZHANG J，KONG M，et al.More stories to tell：NONEXPRESSOR OF PATHOGENESIS-RELATED GENES1，a salicylic acid receptor 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