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农药快讯：2021年第15期
文章：22篇

芸苔素内酯——植物调控大师

作者：生物农药视界黄博士更新时间：2020-04-09 点击量：5205

芸苔素内酯是第六大植物激素

植物在上亿年的进化过程中逐渐产生一套自我调节系统以应对各种环境胁迫，而这种调节系统通常是由植物内源激素信号的传导与响应来控制的。这些微量的小分子有机化合物协调控制植物的生长发育，及逆境胁迫响应。随着人类对植物激素的深入了解，开始将天然植物激素或人工合成激素类似物作为植物生长调节剂运用在农事生产，提高作物产量、增强作物抗性、提升作物品质以满足人们日益迫切地对农作物产量及品质的要求。

在品类众多的植物生长调节剂中，芸苔素内酯（Brassinosteroid，BR）无疑是其中的佼佼者，自发现之初就成为科学家热议的话题和农业工作者的宠儿^[1]。

美国科学家Mitchell于1970年首先提出油菜素（brassins）的概念，这种来源于油菜花粉提取物的未知成分在极低的浓度下就能够有效促进茎伸长和细胞分裂^[2]。

随后，1979年科学家Grove从油菜花粉中提取到一个具有油菜素活性的化合物并通过X-射线分析确定其化学结构式，最终命名为芸苔素内酯（brassinolide, BL），由于芸苔素内酯是众多BR结构中活性最高的一个，此后则使用芸苔素内酯作为该类激素的代称^[3]。

直到1998年第16届国际植物生长物质学会年会上，BR才被正式确认为第六大植物激素^[1]。

BR广泛存在于各种植物体内，从低等的藻类、蕨类，到裸子植物、被子植物中已发现几十种不同结构的芸苔素内酯，说明BR的信号途径产生于植物进化的早期，且在植物中相对保守。BR在植物体内主要集中在生殖器官、未成熟种子及幼嫩组织中，调控生殖发育、种子成熟，促进茎的伸长及根形态建成，同时在植物抗逆境胁迫中起到积极作用^[4,5]。

芸苔素内酯的体内合成代谢与信号响应

2.1

芸苔素内酯的化学结构

BR是一类植物甾醇激素，其化合物的基本结构是分别由ABCD四环组成的甾体核及B环上C6位的酮基和D环C17位的烷基侧链。A环和烷基侧链的羟基化水平及空间结构直接影响芸苔素内酯与其受体复合物的结合，从而影响其生物活性^[6,7]，天然芸苔素内酯BL是目前已知活性最高、研究最透彻的芸苔素内酯，人们已根据其分子结构（图1）为蓝本，人工合成了24-表芸苔素内酯、28-高芸苔素内酯、28-表高芸苔素内酯、混表芸苔素内酯等多种类似物，并广泛应用于农业生产。

图1 天然芸苔素内酯结构^[5]

2.2

芸苔素内酯的合成代谢

早期，科学家利用长春花（Catharanthus roseus）悬浮细胞和同位素示踪法研究BL的体内合成途径，确定菜油甾醇（campesterol）为BR体内合成前体物质，进而又发现茶甾酮、香蒲甾醇和蓖麻甾酮等中间产物，经历一系列酶促反应最终形成芸苔素内酯^[8]（图2）。

从菜油甾醇合成的第一步是由甾醇还原酶DET2催化生成菜油甾烷醇（campestanol）^[9,10]。在对BR合成代谢深入研究发现，芸苔素内酯C6位的加氧步骤可发生在合成途径早期（早期C6加氧途径），也可发生在合成途径晚期（晚期C6加氧途径），这两种合成途径在植物体内是并存的^[5,8]。BL烷基侧链C22位的羟基化反应是合成过程的限速步骤，由CYP90 P450单加氧酶DWF4催化完成，因此DWF4是BL合成的限速酶^[11-14]。通常，BR合成突变体，如det2和dwf4，都显示出典型的BR缺失突变体表型——极度矮化，及其他发育异常表型^[9-11]。

图2 芸苔素内酯体内合成的早期C6加氧途径和晚期C6加氧途径^[15]

2.3

细胞内BR信号响应

BR的体内合成被认为发生在细胞内质网，再经高尔基体分泌至胞外^[14,16]，在效应部位的细胞膜上BR被受体结合，从而激活细胞内的一系列信号传导途径。图3向大家展示BR信号传导的核心途径：

图3 细胞内BR信号传导途径^[17]

（1）无激素条件下BR信号抑制

细胞膜上存在BR受体蛋白BRI1，以及受体复合物蛋白BAK1。当BR不存在时，BRI1和BAK1分别与其抑制蛋白BKI1和BIR3相互作用，阻止BR受体复合物的形成，使BR信号通路处于关闭状态^[18-23]。细胞内蛋白激酶BIN2是BR信号的负调控因子，可使BR转录因子BES1和BZR1磷酸化而滞留在细胞质，无法进入细胞核行使转录因子功能^[24-26]。

（2）BR受体复合物激活

当BR存在时，受体蛋白BRI1胞外结构可与BR结合，并引起细胞内分子结构发生变化，同时招募细胞膜上的受体复合物蛋白BAK1共同形成BRI1-BR-BAK1受体复合物，激活细胞内信号传导途径^{[18,19,21,22,27]}。

（3）细胞质BR信号级联反应

随着受体复合物的激活，BR信号从细胞外传入细胞内。首先，活化的BRI1-BR-BAK1受体复合物通过一系列磷酸化作用激活激酶蛋白BSK1及蛋白磷酸酶BSU1。其次，BSU1使BR负调控因子BIN2因去磷酸化而导致失活，从而释放受BIN2抑制的转录因子BES1和BZR1，使其被磷酸酶PP2A去磷酸活化后进入细胞核，对芸苔素内酯响应基因进行转录水平调控^[28-31]。

（4）细胞核BR响应基因转录调控。

BES1和BZR1是参与BR信号传导途径的主要转录因子，可被BIN2磷酸化失活，而被PP2A去磷酸化激活^[31]。活性BES1和BZR1在细胞核对BR响应基因表达进行转录调控。通过ChIP-seq技术可知，拟南芥中大约有5 000～8 000个基因受到BR相关转录因子的调控，上调基因和下调基因大约各占一半。BES1和BZR1可形成同源二聚体结合在顺式作用元件E-box（CANNTG）上激活BR上调基因表达，或与其他转录因子形成异源二聚体结合在启动子上BRRE（CGTG(T/C)G）元件抑制BR下调基因表达^[32,33]。

BES1和BZR1可直接诱导转录因子共同调控BR响应基因表达。例如，MYB30和MYC类转录因子BIM1的表达受BES1诱导，又可和BES1蛋白结合共同诱导下游基因表达；而MYBL2和HAT1又可与BES1共同调节BR下调基因表达。另外，BES1和BZR1还可通过招募TPL转录抑制复合物来实现靶基因的转录抑制。

芸苔素内酯在农业上的应用

芸苔素内酯生物活性的经典实验是大豆节间伸长和水稻枕叶转角实验，因此，芸苔素内酯首要的生理功能是促进细胞伸长。随后，科学家又不断发现芸苔素内酯更多的生理功能：促进细胞膨胀、细胞分裂、生殖器官和维管发育、细胞膜极化与质子泵、源库关系及胁迫调节等方面，同时，芸苔素内酯还可以与环境信号进行交互作用，影响昆虫和真菌发育。

芸苔素内酯合成和信号传导途径在各个物种中都是保守的，因此在农业生产中，可利用芸苔素内酯的这些生物学特性调节农作物的生长发育以达到提高作物产量和品质的目的。例如，利用外施芸苔素内酯，调节树木韧皮部发育，以促进木材和纤维产物生成；通过控制BR信号途径，控制棉花纤维发育；喷洒芸苔素内酯，促进花粉发育及授粉率，提高果树坐果率，减少畸形果形成；利用芸苔素内酯，调节谷物糖分转化促进灌浆和提高水果可溶性糖含量。

随着对BR信号响应途径的深入了解，未来我们不仅可以通过外源施加芸苔素内酯来实现促进农业增产提质的目的，而且可以通过分子育种及基因编辑育种技术，使BR信号通路分时空表达和组织特异性表达，实现作物在生长促进和胁迫耐受之间的精准调节。

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