第5卷第2期黃山學院學報Vol.5 ,NO.22003年5月Joumal of Huangshan UniversityJune.2003乙烯的生物合成及信號傳導研究進展*張慧沖..(黃山學院生物系,安徽黃山,245021 )[摘要]:本文綜述了近幾年來有關(guān)乙烯生理作用、生物合成、乙烯信號傳導和乙烯的反應(yīng)機制研究的最新進展。[關(guān)鍵詞]:乙烯生物合成信號傳導途徑反 應(yīng)機制[中圖分類號]:Q94- -3 [文獻標識碼]:A [文章編號]:1672- -447X(2003)02- -0111-03乙烯(Ethylene)是植物體內(nèi)具有激素效應(yīng)的最簡單分子,的合成速度在不同植物間存在著較大的差異，根據(jù)乙烯生成但卻對植物生長發(fā)育的許多過程如種子萌發(fā)幼苗生長、開花量的多少和性質(zhì)可以劃分為微量乙烯和大量乙烯，根據(jù)果實結(jié)實、成熟和衰老等有廣泛而深刻的影響,乙烯參與逆境條件和花卉內(nèi)乙烯生成與否,把植物分為躍變型和非躍變型兩大下植物的脅迫反應(yīng),影響到植物體內(nèi)一系列脅迫反應(yīng)的開始和類。 到目前為止已報道的躍變型花卉有香石竹、滿天星、香豌植物抗性的變化。乙烯參與植物的抗病反應(yīng),尤其是轉(zhuǎn)反義乙豆、補血草、金魚草蝴蝶蘭等以蘭科、石竹科錦葵科等植物，烯形成酶基因植物的抗病性研究倍受重視。近年來對乙烯的生這類植物的開花和衰老與乙烯關(guān)系密切;非躍變型花卉有菊理作用認識生物合成途徑的確定、信號傳導的可能機制和反花、石刁柏干里紅等以百合科、天南星科菊科等植物.此類應(yīng)機制的研究取得了進展,下面主要對這幾個方面作綜述。對乙烯不敏1感19.0.2.21.1乙烯的生理作用(Physiological Perception2乙烯的生物合成(Ethylene Biosynthesis )of Ethylene)乙烯的生物合成途徑已經(jīng)確定69.7.7.,以甲硫氨酸為合乙烯在植物生長發(fā)育中的作用,實驗結(jié)果表明,乙烯在植成前體,經(jīng)s-腺苷甲硫氨酸(SAM)氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)而物體內(nèi)的作用方式它能調(diào)節(jié)它能調(diào)節(jié)RNA和蛋白質(zhì)的合成,.合成乙烯的,整個反應(yīng)過程順序由SAM合成酶、ACC合成酶并能夠調(diào)節(jié)細胞質(zhì)膜的透性11.1。在植物的生長發(fā)育過程中，(ACS)和ACC氧化酶(EFE)催化田。SAM 合成酶基因mRNA乙烯能夠促進果實的成熟、促進離層的形成和器官的脫落、加水平與乙烯的生物合成沒有明顯關(guān)系,SAM只有部分用于合速植物的衰老、促進次生物質(zhì)的排泌、參與植物的脅迫反應(yīng)成ACC產(chǎn)生乙烯,主要還是用于其它生物反應(yīng),如提供甲基(如病原侵染、干旱、傷害和水澇等)、使黃化幼苗頂端鉤展開、參加甲基化反應(yīng)，用于多胺生物合成等m。ACC 合成酶和抑制幼苗伸長、促進根的形成,并與植物的性別分化及偏上性ACC氧化酶是乙烯生物合成的關(guān)鍵酶,ACC合成酶催化的反等功能有密切關(guān)1系5.10.0.0.0.0.31.當乙烯和生長素同時作用應(yīng)是乙烯合成的限速步驟,ACC氧化酶則是乙烯形成酶。ACS植物時其效果更為明顯。幼嫩果實中的乙烯含量極微,隨果實和EFE基因已從許多植物中分離并克隆8]兩個酶均由多個的成熟,乙烯合成加速,同時乙烯增加細胞質(zhì)膜的透性,使呼基因編碼,ACS在西紅柿中有9個基因，擬南芥有5個基因吸作用加速，引起果肉內(nèi)有機物的轉(zhuǎn)化，最終達到可食程度(6.3。目前已經(jīng)從許多植物中分離到了ACS基因的eDNA克(241,乙烯催熟果實已在生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用。乙烯最早被人注意的隆D),最早分離到EFE基因克隆是1985年從西紅柿中得到的一個作用,當空氣中乙烯濃度相當?shù)蜁r,植物的葉片和果實即eDNA克隆(pToml3),但直到1990年才利用反義基因技術(shù)鑒可脫落。實際上在自然的脫落過程中也有乙烯的參與,乙烯對定出來(14)。在產(chǎn)生反義RNA的轉(zhuǎn)基因植物中,成熟果實和脫落的效果比脫落酸的效果明顯3。用濃度適宜乙烯利處理葉片中的ACC轉(zhuǎn)化為乙烯的過程受到抑制(12.24.21，, 說明植物,達到老葉衰老和脫落的作用,改善植物莖基部通風透光pTom13的表達是西紅柿果實表現(xiàn)EFE活性所要求的，進一條件,以及疏花、疏果的效果2.13.步研究表明,pTom13編碼的蛋白質(zhì)催化乙烯形成反應(yīng)還具一植物內(nèi)源乙烯的合成速度隨植物的生長發(fā)育進程會發(fā)生定的底物立體專-性，受到抗壞血酸物質(zhì)促進和Co2*的抑制明顯的變化..0.1如蘭花屬花卉開花后如果沒有授粉就可以等特點叫。ACS和EFE基因的表達方式是有差別的。盡管在保護不衰老,但一旦授粉便很快凋謝,研究發(fā)現(xiàn),授粉后花瓣誘導乙烯生物合成過程中ACS和EFE的酶活性都不斷地提大量合成乙烯，促進了它的迅速衰老;矮牽?；ㄖ辉谇宄块_高,與乙烯的釋放量的增加趨勢一致,但兩種酶的基因在轉(zhuǎn)錄放，,花瓣僅保鮮數(shù)小時,到上午9~10點開始萎蔫,至中午12~水平上的變化趨勢不同(9 FFF甚田的轉(zhuǎn)錄水平與酶活性及1點完全凋謝,其花瓣衰老與乙烯釋放量呈正相關(guān)。若將開放乙烯產(chǎn)量中國煤化工錄水平并不總反映.的花瓣用乙烯處理,能刺激花瓣的衰老131。并且植物內(nèi)源乙烯在酶活性CNMHG合成達到高峰以后，[收稿日期]:2002-09-10* * [作者簡介]:張慧沖(1962 -).男.黃山學院講師，從事《植物學》理論、 實驗的救學和研究.111乙烯的產(chǎn)量會迅速下降，這可能是ACS和EFE活性下降的烯信號傳導的初級途徑(PrimaryPathway)和次級途徑(Sec-結(jié)果。但ACS話性下降可能與ACS蛋白質(zhì)迅速降解有關(guān)四.ondary Pathway)。 初級途徑為所有乙烯反應(yīng)共有的STP:例,而EFE活性下降可能是其他因素造成的,如膜的完整性受ETRI→CTR1-→EIN2,這些蛋白分別由ETRI .CTRI、和EIN2到破壞國,其蛋白質(zhì)還可以繼續(xù)積累。研究還發(fā)現(xiàn)在西紅柿中基因的產(chǎn)物，該途徑上任何一個基因突變都能千擾影響乙烯存在著編碼ACS的基因家族，各成員在轉(zhuǎn)錄水平上有差異,的反應(yīng)。次級途徑則是初級途徑下游的-系列特殊STP。從初不同條件下可誘導不同基因家族成員的表1.46.2.2.9。這也級途徑輸出的信號進人不同的次級途徑會產(chǎn)生不同的乙烯反是植物調(diào)節(jié)乙烯的生物合成的方式之- -。應(yīng),這可解釋乙烯反應(yīng)的多樣性。此外,在番茄中也鑒定出-影響乙烯合成的因素很多，除內(nèi)部因素外還有許多外部些乙烯反應(yīng)的突變體,如nor (not ripen) 和rin (ripening in-因素,現(xiàn)已報道的外部因素有:外源乙烯(如乙烯利).生長素.hibitor), nor位點與乙烯信號識別有關(guān),而rin位點則阻斷了果細胞分裂素+生長素、Ca**細胞分裂素機械損傷、病原體侵人實成熟時己烯的生物合成田。(后兩者與植物脅迫反應(yīng)有關(guān))，用這些乙烯抑制劑處理躍變4乙烯反應(yīng)機制(Ethylene Response Mecha-花卉的切花,能抑制乙烯的生物合成或拮抗乙烯作用,延緩切nism)花的衰老進程。表明乙烯的代謝不僅受基因的調(diào)節(jié),而受到外乙烯反應(yīng)是廣泛而多樣的。乙烯對植物生長發(fā)育、成熟和衰老等的影響很可能是通過調(diào)控或誘導各有關(guān)基因的表達而3乙烯信號傳導途徑(Ethylene Signal實現(xiàn)的.4.6.0.0.31.乙烯能引起石竹屬、蘭科等花瓣提前衰Transduction Pathway,STP)老,據(jù)認為這是有關(guān)基因表達的結(jié)5.1.9.9.0.2.9.花瓣中目前乙烯信號傳導途徑研究的進展主要是通過對擬南芥poly(A+)RNA的體外翻譯研究表明,乙烯能引起mRNA群體(Arabidopsis thaliana)的遺傳學研究取得的(.3),利用乙烯三的明顯變化，而乙烯引起的這些基因表達上的變化與自然衰重反應(yīng)現(xiàn)象(Triple response)從 擬南芥中分離出了許多乙烯老過程中的變化相似。有人研究了菜豆豆莢脫落區(qū)乙烯誘導反應(yīng)的突變體這些突變型主要有兩種類型,-類為組成型乙的蛋白質(zhì)的積累，乙烯處理可誘導或加速脫落，隨著脫落進烯反應(yīng)突變體(constitutive triple reonse )包括ctl、etol、eto2、程,在脫落區(qū)至少有七種蛋白質(zhì)的積累,加人IAA可抑制脫eto3等突變;另一類為乙烯不敏感型(ethylene insensitive)包落,同時也抑制這些蛋白質(zhì)的合成。用基因轉(zhuǎn)錄抑制劑和蛋白括etrl .em2、ein3、ein4等突變,這樣突變對乙烯表現(xiàn)不同程質(zhì)合成抑制劑可完全抑制了香石竹花瓣對乙烯反應(yīng)的癥狀,度的敏感性。在分離突變體過程中,結(jié)果獲得的幾類突變體影結(jié)果表明花對乙烯的敏感性可能受蛋白質(zhì)合成能力影響19.響了植物生物周期中大范圍的乙烯作用，表明這些乙烯作用23)。葉片的衰老也如此四。這些結(jié)果顯示,乙烯誘導衰老脫落擁有一個共同的初始信號傳導途徑。在這條途徑中有證據(jù)表等生理變化與乙烯誘導mRNA和蛋白質(zhì)的變化有關(guān)5.2.41。另明ETR1基因編碼一個乙烯受體(最初受體),且為一個膜結(jié)一個嘗試就是分離乙烯誘導的DNA結(jié)合因子,這些因子有可合蛋白，與細菌的兩組分調(diào)節(jié)因子(傳染蛋白和應(yīng)答調(diào)節(jié)蛋能是STP上的成員，乙烯通過它誘導其結(jié)合的基因的表達。白)具同源性。另外ETR1基因突變體對乙烯喪失應(yīng)答能力。Cordes (2)等曾發(fā)現(xiàn)在西紅柿果實中存在一種DNA結(jié)合因雙突變體分析表明,ETR1的下游一個基因是CTR1,ETR1和子,它與乙烯誘導基因E8基因的啟動子結(jié)合,而在成熟果實CTR1都已被克隆,從其編碼的氨基酸序列分析看,植物將進中比在末成熟果實更活躍,E8基因編碼了一個雙加氧酶,與.化上差異明顯的兩個組分結(jié)合進一個單一的STP,這兩組分EFE有34%的同源性,但并無合成乙烯的活性。但進一步研一個與原核生物STP的組分密切相關(guān),ETR1蛋白的氨基酸究表明,DNA結(jié)合因子結(jié)合部位(-936-920區(qū))與E8基因上序列與細菌兩組分信號系統(tǒng)的組分密切相關(guān)，它包含了維持和乙烯反應(yīng)有關(guān)的啟動子區(qū)(- 2181-1088區(qū))并不相同。因此His激酶活性所需要的全部保存殘基。另一個與真核生物STP認為該 DNA結(jié)合因子并不涉及乙烯傳導途徑。另外乙烯對有有關(guān),CTR1則與哺乳動物的Raf家族類絲氨酸/蘇氨酸蛋白關(guān)基因表達的調(diào)控可以是多層次的。有人研究了四種乙烯誘導激酶有關(guān)，表明乙烯的信號傳導可反饋進人MAP激酶信號的基因E4、E8.EI7和J49的表達的結(jié)果表明.對-些基因,乙流。CTR1代表一個MAPKKK。Sessa等發(fā)現(xiàn)一個LAMMER族烯主要影響轉(zhuǎn)錄過程9.21,而對另一些基因,乙烯則主要影響激酶也受乙烯的調(diào)控，抑制劑試驗表明乙烯信號傳導還涉及轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后過程。乙烯誘導E8基因的轉(zhuǎn)錄是組織特異性，蛋白質(zhì)磷酸化。從上述這些研究,初步確定在擬南芥植物中存而(-2181-1088區(qū))卻沒有特異性蛋白質(zhì)結(jié)合。Cordes 等研究在如下STP:乙烯→[ETR1/EIN4}- CTR1-→EIN2-→乙烯反應(yīng)。E8基因的啟動子結(jié)構(gòu).果實在成熟過程中E8基因的表達與軋其中ETR1和EIN4蛋白可能是乙烯的受體,EIN4可能作用烯反應(yīng)有關(guān)的調(diào)節(jié)區(qū)為-2181-~1088區(qū)，序列分析表明,E8基于ETRI之前或者兩者具重復功能。另ERS蛋白與ETRI有因上的乙烯反應(yīng)區(qū)與E4基因啟動子的乙烯反應(yīng)區(qū)(-193-86很大的氨基酸同源系列，也可能是乙烯受體。ERS 蛋白由區(qū))存在多個短的同源序列。如果把反義E8基因轉(zhuǎn)人番茄中.ERS基因(ETR1同功能基因的分離鑒定在擬南芥中已鑒定會導致乙烯的超量表達,因此E8可能參與乙烯合成的反饋調(diào)出與ETRI具有高度類似序列的同另外兩個基因中的一種)節(jié)圖,故乙烯在其合成過程中能進行自我正、負反饋調(diào)節(jié)9。所編碼,它除缺少應(yīng)答調(diào)節(jié)區(qū)外完全與ETRI同源,反義基因中國煤化工表明ERS在功能上與ETRI有關(guān)。乙烯受體是借助中間產(chǎn)物821.2.2.30..為深人研究乙(如金屬離子)與乙烯結(jié)合,如Ca2*對番茄黃化幼苗的三重反烯在組物rr叫m仇坯促供」上sCH.1.cNMHCn.在乙錦衛(wèi)物合度乃背臺.應(yīng)的影響與Ca2*調(diào)節(jié)內(nèi)涵乙烯合成和乙烯受體基因表達有關(guān)已在許多植物上克隆了乙烯生物合成途徑上的有關(guān)基因。通過田。Chen和Bleecher利用劑量反應(yīng)分析方法進行乙烯信號傳基因工程獲得轉(zhuǎn)基因植物可以調(diào)控乙烯的生物合成,從而調(diào)控導動力學研究,提出擬南芥乙烯信號傳導的兩階段模型，即乙植物的成熟衰老過程。如檢測含反義基因的番茄時發(fā)現(xiàn)叫，方數(shù)據(jù)EFE酶活性降低到正常的5%以下，果實的生理成熟后長期保擬南芥植物的STP模型,一些基因已被克隆,現(xiàn)又在番茄中持堅硬.倉儲-一個月內(nèi)不軟化,不腐爛,花卉則可延緩衰老。乙克隆到一些同源基因序列，相信不久將來對乙烯STP有更全烯在調(diào)控植物生長發(fā)育特別是成熟衰老過程中具特殊的作用,面深人的了解。這對于解釋乙烯的生理功能及作用方式或機對乙烯作用研究已全面進入分子水平,并取得許多進展。制是至關(guān)重要的,對于控制植物的衰老進程是特別有意義的,乙烯STP則是近年來乙烯研究熱點,目前已初步建立起這也是以后研究工作的重點和方向。[1].Yang SF, Hoffman NE. 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Thisrevance focuses on the advances in the molecular biological reorar.. aru. uysui py siological perception,ethylene biosynthesis pathway, ethylene signal transduction pathway and the mechanism of ethylene response.Key word ethylene, biosynthesis, signal transduction, response mechanism113