植物多肽信号分子的特点和功能

（多肽合成*系列文章）

   近几年研究表明，植物体内存在类似动物和酵母的多肽信号分子，调控植物生长发育以及对环境的响应．介绍了植物中的系统素、迅速碱化因子(RALF)、早期结瘤蛋白40(ENOI)40)．植物磺化激动素(PSK)、S位点富含半胱胺酸蛋白(、R)．CLV3以及相应受体的特点和功能研究进展，并且对多肽信号在植物中的作用及其应用前景进行了探讨．关键词多肽激素，植物，系统素学科分类号Q78近几年研究表明，多肽信号分子在植物的生长、发育、生殖以及对外界环境的响应中具有重要的调节作用llJ．自1991年发现番茄系统素及其前体原系统素后，又陆续鉴定了其他几种多肽信号分子，同时鉴定出了一系列多肽信号受体蛋白的基因_l’．目前研究还汪实多肽信号分子与生长素、赤霉素、细胞分裂素、乙烯、脱落酸(ABA)、赤霉酸(JA)和油菜素内酯共同调节植物的生长发育和对特定环境的响应．本文介绍最近发现的几种多肽信号分子的特点和功能，并对研究存在的问题、解决方法和应用前景进行了简述．

    1. 植物多肽信号分子的特点和功能

    1．1系统素系统素(systemin)是研究引起系统伤响应的信号物质时鉴定的第一个多肽信号分子l．受伤植株在伤害部位和未受伤部位大量表达蛋白酶抑制子(PIs)，而且受伤部位的粗提液能够活化未受伤植株的PIs的表达．这样，Pearce等lJ最后确定粗提液的活性组分为一含18个氨基酸的系统素．系统素生理活性浓度为10mol／I，在韧皮部中移动传递伤信号．对系统素序列分析表明，其N端14个氨基酸负责结合特定受体，而C端的4个氨基酸是功能区_3J．系统素基因编码200个氨基酸的前体，系统素位于该前体的C端，其加工过程与动物和酵母多肽信号分子加工过程非常相似l．将原系统素基因的反义cDNA转入植株中成为组成型表达，植株对伤害不能产生系统防御响应，说明系统素是防御信号分子l5J．外施原系统素或系统素均能引起伤响应，但缺少系统素部分的原系统素不起作用，说明系统素序列是信号产生的条件．除番茄外，系统素基因已经在土豆、辣椒等植物中得到鉴定．但烟草中鉴定的2个18氨基酸的系统素，番茄的系统素没有同源性．进一步分析表明，两多肽中的一些脯氨酸被修饰成羟脯氨酸，其中部分羟脯氨酸还与戊糖相连，两者同源性较低，但可能与同一受体作用J．更特别的是，两多肽由同一原蛋白加工得到，这在植物中还是首次发现．系统素高亲和受体位于细胞质膜上，约160ku，与系统素活性类似物亲和性极高．类似物标记受体可以被未标记的系统素完全抑制．加入茉莉酸后系统素类似物与受体的结合数上升3倍，蛋白质抑制剂处理后结合数下降，表明系统素受体处于合成和降解的动态平衡中E6J．最近研究还表明系统素受体是富含Leu重复结构的蛋白激酶，与油菜素内酯受体高度相似

    1．2 早期结瘤蛋白40早期结瘤蛋白40(ENOIN0)是植物中被鉴定的第二种多肽_{3J，在根瘤菌侵染时对根结瘤原基形成具有非常重要的作用．ENOIN0基因在高度保守的区域boxI和Ⅱ中含有小的开放读码框(ORF)．苜蓿ENOD405端的boxI编码13个氨基酸的多肽，中间部分的boxⅡ也产生约27个氨基酸有生物活性的多肽，可能由蛋白酶加工而来．大豆中鉴定出两个ENOI)40含有比较小的ORF，24个氨基酸的ORF与12氨基酸的ORF重叠，这两种多肽分子均与同一节瘤蛋白强烈结合J．Biochem．Biophys．于这些多肽没有信号序列，可能在胞质中合成．除大豆和苜蓿外，在烟草、豌豆、水稻中也找到了ENOIN0的类似物．将ENOD40在苜蓿中过度表达，能促进菌根的富集和丛枝吸胞的形成l】”J．ENOD40的受体已经得到分离，该受体蛋白为93ku的结瘤素100，是蔗糖合成酶亚基J．这表明植株可能通过调节固氮根瘤对蔗糖的利用来控制共生菌的富集和生长．

    1．3 植物磺化激动素植物磺化激动素(PSK)为一类新发现的多肽信号分子，最初从芦笋悬浮培养细胞的介质中提取得到E11]．研究人员发现高密度悬浮培养细胞的介质能够活化低密度细胞的分裂，以后纯化得到该条件培养因子．该因子对热稳定，耐糖苷酶处理，但易被链霉蛋白酶消化，鉴定为两个小分子多肽PSKa、口，PSKa为HTyr(SO3H)一Ile-Tyr(~K)3H)一Thr-GinOH的5肽，PS则为HTyr(~K)3H)一Ile-Tyr(SO3H)一Thr-OH的4肽，两者均在Tyr残基上磺酸化．从水稻、金鱼草、胡萝b中得到的PSKs完全相同，而且化学合成的PSK与天然存在的PSK同样有效．截去C端残基的PSKa类似物活性微弱，而N端短截和没有磺酸化的类似物没有活性，说明N端磺酸化的三肽是PSK活性中心．PSKI3可能是a的降解产物．目前发现PSK能促进黄瓜不定根和金鱼草不定芽的形成，以及鱼尾菊叶肉细胞筛管分化和胡萝卜体细胞胚的发生El2j．编码PSK的cDNA已经从水稻和拟南芥中得到分离，并初步确定PSK从含引导肽的蛋白前体的C端加工而来l12,]．而且，拟南芥的PSK蛋白前体存在枯草杆菌蛋白酶的水解位点【l2j．目前，利用PSK类似物确证质体膜上的120ku和160ku的蛋白为PSK的结合位点．两蛋白均含有l0ku的多糖，与PSK的结合常数分别为5．0和5．4nrnoI／1J【J．最新研究表明，120ku的受体蛋白为含有LRR结构的单跨膜受体激酶EH]．从烟草和胡萝b细胞中分离的质体膜也能被类似物标记，表明PSK受体蛋白分布比较广泛．

    1．4 CLAVATA3(CLV3)从拟南芥中得到的CLV3编码78个氨基酸的小分子细胞外蛋白，为CLV1受体的配基，两者在顶端分生组织中负责细胞分裂与分化的平衡l15,161．CIV3含有能为枯草杆菌蛋白酶加工的双碱基结构，似乎为CLV3发挥作用后迅速降解的位点lI．CLV3蛋白突变引起拟南芥的分生组织扩大，产生巨大的花器官．作为CLV3受体的CLV1蛋白编码基因最初从拟南芥中分离，推导的CLV1蛋白的胞外区含有21个串联的LRR(富含亮氨酸重复)序列，为具有Ser／I'hr激酶活性的跨膜受体．CLV1突变导致大量未分化细胞的累积．遗传学手段确定CIV3基因和CLV1基因共同表达协调邻近细胞的生长[引．最近，Trotochaud等lJ在大肠杆菌中证实受体激酶CLV1直接与CLV3编码的多肽结合．目前，拟南芥中发现了与CIV3同源的基因家族，推测临近细胞在其他发育进程中的信息交流与CIV3和CLV1作用相似．

    1．5 S位点富含半胱氨酸蛋白油菜柱头的表皮细胞能识别自身的花粉并能抑制花粉的生长，从而产生自交不亲和．经研究后发现控制油菜自交不亲和S位点成分为47～60个氨基酸并富含Cys的小分子分泌蛋白——S位点富含半胱氨酸蛋白(SCR)E191．SCR家族含有高度保守的信号肽序列，而加工成熟的信号分子只是Cys残基绝对保守，其他残基同源性较弱，可能是这些多肽有相似的空间构象．SCR从发育的花粉粒中分泌，与柱头上的受体作用，激活信号转导途径，从而抑制花粉的发育．除油菜外，在拟南芥中也发现了SCR基因家族，暗示拟南芥中也具有类似的调控机制E．SCR的受体为受体激酶(S-receptorkinase，SRK)Ej．克隆的受体基因位于s位点上，编码具有Ser／Thr蛋白激酶活性的跨膜受体．SRK蛋白的胞外区与S位点糖蛋白基因的分泌产物SLG惊人同源，可能SLG与SRK形成具有高亲和性的受体复合物．目前已经证实SCR和SRK有极高的亲和性．SRK指导一些在生殖器官专一表达基因的转录．

    1．6 迅速碱化因子在分离烟草多肽伤信号分子时得到了含49氨基酸、引起悬浮培养细胞介质迅速碱化的多肽，称为迅速碱化因子(RALF)L21J．RALF能迅速激活细胞的促分裂原活化蛋白(MAP)激酶，但RALF不能诱导蛋白抑制子的表达．编码RALF的表达序列标签(EST)已经从9科l6种植物中得到，在拟南芥中有9个RALF的EST．烟草RALF的cDNA编码115个残基的前体蛋白，其N端有约25残基的信号肽，49个氨基酸的RALF在C端．该前体蛋白存在两个双碱基的结构，该结构在动物和酵母中由专一的Ser蛋白酶水解．一个在RALF·序列N端之前，可能负责加工前体蛋白形成RALF；另一个在RALF内部，似乎是RALF发挥作用后被降解的位点．RALF的生理活性浓度在2nmol／L以内，与系统素相似．各物种的序列标签表明，RALF的蛋白前体N端同源性较低，但在加工位点和RALF的序列具有极高的同源性．目前发现RALF还能阻止番茄和拟南芥种子萌发期间根的生长和根毛的形成，而且功能可逆．目前，利用合成的RALF(有生物学活性)已鉴定出了120ku和25ku的特异结合蛋白，但该蛋白质特性有待于进一步研究阐明．

   2.研究存在的问题，解决方法和前景多肽信号分子的发现改变了人们对植物信号分子调控的传统认识，开辟了植物科学研究的新领域．尽管目前一些信号多肽和受体已得到了鉴定，但这些多肽信号在植物的生长发育等方面的重要性还没有完全了解．例如，多肽信号的产生和加工、信号多肽与受体的相互作用以及信号分子调控植物生长、发育和对环境响应的机制等．突变分析和基因分离技术的发展、完善，以及借鉴动物多肽信号的研究成果，将有助于这些问题的解决．目前，植物多肽信号转导已经成为植物科学研究的新热点．信号分子结构与功能的阐明，将扩展我们对植物信号调控网络的认识，并且可为调控植物，特别是经济作物的生长发育和对环境的响应提供更有效的生物技术手段．

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