廖恒毅， 王若霖， 黃 進

(成都理工大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 成都 610059)

G蛋白(又稱GTP結(jié)合蛋白)是普遍存在于真核生物細胞中的一類信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白質(zhì)，根據(jù)其亞基的組成及分子量大小可劃分為異源三聚體G蛋白質(zhì)(或稱大G蛋白)與單體小G蛋白質(zhì)兩大類[1]。其中，單體小G蛋白質(zhì)超家族也稱為 RAS(rat sarcoma)超家族，由RAS、RHO(ras homology family member)、RAB(ras-like in rat brain)、ARF(ADP-ribosylation factor)/SAR(secretion-associated and ras-related protein)和RAN(ras-related nuclear protein)5個家族組成[2]。在動物和真菌中，RHO家族蛋白質(zhì)可進一步劃分為RHO、CDC42和RAC 3個亞家族，而在植物中僅存在1種RHO蛋白質(zhì)家族，又被稱為ROP(Rho-related GTPases of plants)(Fig. 1)[3]。同時，由于ROP蛋白與非植物RAC小G蛋白在氨基酸序列上具有較高的同源性，ROP蛋白也被稱為植物RAC蛋白質(zhì)[4]。研究表明，植物中的ROP蛋白在花粉管的伸長、根毛的發(fā)育、葉表皮細胞的極性擴張生長、植物激素的應(yīng)答以及植物的脅迫反應(yīng)等諸多生長發(fā)育過程中發(fā)揮著重要的作用[5-11]。但目前的研究多集中于單個ROP蛋白在某一特定生長發(fā)育，或生命活動過程中的作用，對于ROP家族蛋白作用機制的整體性、共性的研究和總結(jié)相對較少。本文主要對植物ROP蛋白的結(jié)構(gòu)與特性、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制及生物學(xué)功能的研究進展進行了闡述，并對ROP相關(guān)研究中尚未解決的問題進行了分析和探討，以期為未來ROP相關(guān)的研究提供參考。

Fig.1 G protein family members in eukaryotes G proteins in eukaryotes are classified into several groups according to their protein structures. Small G proteins only exit in non-plants are shown in red boxes. The ones only exit in plants are presented in green boxes and the ones exist both in plants and non-plants are indicated in yellow boxes

1 ROP蛋白的結(jié)構(gòu)與家族組成

ROP基因廣泛存在于植物中，它們編碼的蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)上也高度保守。一般來說，植物ROP蛋白約有200個氨基酸，分子質(zhì)量約為21至24 kD。典型的ROP蛋白一般包含5個高度保守的G-box環(huán)(G1-G5 loop)、插入?yún)^(qū)域(Rho insert)及C端可變區(qū)域HVR(hyper-variable region)(Fig. 2)[12]。其中，G1、G3、G4與G5在GTP/GDP的結(jié)合及GTP的水解過程中發(fā)揮重要作用。G2和G3又被稱為開關(guān)Ⅰ和Ⅱ(switchⅠand Ⅱ)，G2主要負責Mg2+、GAP及下游效應(yīng)蛋白質(zhì)的結(jié)合。C-端的HVR由富含半胱氨酸(Cys)的基序構(gòu)成，其作為蛋白質(zhì)翻譯后脂修飾的位點可影響ROP蛋白在細胞質(zhì)膜上的定位。對于ROP的插入?yún)^(qū)域的具體功能，由于相關(guān)研究較少，目前尚不明確[13]。因此，插入?yún)^(qū)域在細胞及植物生理過程中的功能仍有待進一步的探究。

Fig.2 Schematic diagram of the structure of typical domain of ROP proteins There are five G loops in ROP proteins besides Rho insert and C-terminal HVR. G loops are responsible for GTP/GDP binding, GTP hydrolysis and binding with GAP and effectors. C-terminus of HVR regulates the subcellular localization of ROPs. The cellular function of Rho insert, however, remains unclear

通過對數(shù)據(jù)庫中幾種常見模式植物基因組的分析，發(fā)現(xiàn)高等植物中一般都含有多個ROP基因，例如擬南芥(Arabidopsisthaliana)含有11個，水稻含有7個，玉米含有9個，大麥含有6個。通過系統(tǒng)進化分析，可將擬南芥的11個ROP蛋白(紫色)，水稻的7個ROP蛋白(黃色)、玉米的9個ROP蛋白(藍色)及大麥的6個ROP蛋白(紅色)劃分為4個進化枝(Fig. 3)。但如果以ROP蛋白效應(yīng)因子結(jié)合位點與插入序列的氨基酸序列的保守性，以及蛋白質(zhì)C-端可變區(qū)域有無保守的CaaL(C為Cys，a為脂肪族氨基酸殘基，L為Leu)或GC-CG(G為Gly，C為Cys)序列等為劃分依據(jù)，則AtROP1～8被劃分為第一類(typeⅠ)，AtROP9 ～AtROP11為第二類(typeⅡ)。Ⅰ類和Ⅱ類 ROP在其C端雖然都存在富含半胱氨酸(Cys)的HVR蛋白域，但I類 ROP的保守序列為CaaL，而Ⅱ類的ROP的保守序列為GC-CG (G為Gly，a為脂肪族氨基酸殘基，L為Leu，C為Cys)。因HVR保守序列的不同，Ⅰ類和Ⅱ類ROP蛋白在細胞內(nèi)分別通過異戊烯化(prenylation)和脂?；?S-acylation)作用進行蛋白質(zhì)翻譯后脂修飾，而脂修飾后的ROP蛋白才會結(jié)合細胞膜，并發(fā)揮其對細胞極性生長等過程的調(diào)控作用[14]。

Fig.3 Phylogenetic analysis of the ROP families in Arabidopsis, rice, maize and barley There are 11 ROP proteins in Arabidopsis, 7 in rice, 9 in maize, and 6 in barley, respectively. According to the phylogenetic characteristics, these ROP proteins were classified into 4 clades. Totally 33 amino acid sequences were analyzed. Evolutionary analyses were conducted in MEGA7

2 ROP在細胞中作為“分子開關(guān)”的作用機制

與真菌以及哺乳動物細胞中的小G蛋白Ras超家族成員類似，植物ROP蛋白同樣通過對GTP的結(jié)合與水解來實現(xiàn)激活態(tài)與失活態(tài)之間的轉(zhuǎn)化，并通過與下游不同效應(yīng)因子的結(jié)合，實現(xiàn)對植物的各種生命活動的“開關(guān)”調(diào)控[14]。鳥苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factor，GEF)、GTP水解活化蛋白(GTPase-activating protein，GAP)和鳥苷酸解離抑制因子(guanine nucleotide dissociation inhibitor, GDI)是調(diào)控ROP在激活態(tài)與失活態(tài)之間轉(zhuǎn)換，或保持在某種狀態(tài)的3個關(guān)鍵調(diào)控因子。一個完整的ROP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程可簡單歸納為：(1)胞外信號激活細胞表面的類受體激酶(receptor like protein kinase，RLKS)；(2)活化的類受體激酶通過磷酸化作用將GEF激活，而激活態(tài)的GEF將結(jié)合GDP的失活態(tài)ROP轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合GTP的激活態(tài)ROP，即完成了信號由胞外至胞內(nèi)的傳遞；(3)激活態(tài)ROP通過與一種或多種特定的下游效應(yīng)因子相互作用，實現(xiàn)對下游信號通路的控制，進而影響植物生長發(fā)育或其他生命活動。在此過程中，與GTP結(jié)合的激活態(tài)ROP水解GTP的能力十分有限，因此，ROP由激活態(tài)轉(zhuǎn)換為失活態(tài)的過程，即將其自身結(jié)合的GTP水解為GDP的過程，還需依賴GAP對其自身GTP水解活性的增強作用(Fig. 4)[15-17]?，F(xiàn)有研究認為，GDI結(jié)合ROP蛋白后，將其定位于胞質(zhì)，從而實現(xiàn)對ROP蛋白活性的抑制，使其無法參與信號響應(yīng)[18]。此外，在包括植物在內(nèi)的所有生物中，小G蛋白這種復(fù)雜的調(diào)控機制和作用模式都是較為保守的[18]。

Fig.4 The on-off mechanism of ROPs in the plant cell Via receptor like kinases, extracellular signals activate GEFs. Thereafter, GDPs bound to ROPs are replaced by GTPs. The GTP binding ROPs are switched on and then activate downstream effectors. By GAP mediated hydrolysis of GTPs to GDPs, the ROPs are switched to inactive status again. GDIs further decrease the activity of the inactive ROsP by anchoring the ROP to the cytoplasm

盡管ROP蛋白分子量較小，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，但它們與諸多調(diào)節(jié)因子和效應(yīng)因子組成了復(fù)雜的ROP信號樞紐，并通過與不同效應(yīng)因子的結(jié)合實現(xiàn)功能的多樣性，有益于植物應(yīng)對各種復(fù)雜環(huán)境。

3 ROP的生物學(xué)功能

研究表明，ROP除了在植物細胞的極性生長，例如花粉管的伸長、根毛的發(fā)育、葉表皮細胞的極性擴張生長等過程中發(fā)揮作用之外，也在植物激素的應(yīng)答以及植物的脅迫反應(yīng)等諸多生長發(fā)育過程中發(fā)揮重要的作用(Table 1)。

Table 1 The roles of plant ROPs

3.1 ROP參與植物的極性生長

植物細胞的極性生長模式主要分為頂端生長和擴散性生長兩種類型。ROP在調(diào)控頂端生長的根毛、花粉管及不規(guī)劃形狀的植物表皮鋪板細胞的極性生長過程中均發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

3.1.1 ROP調(diào)控根毛的生長 ROP及其調(diào)控的下游作用因子通過調(diào)控Ca2+、ROS及生長素(auxin)的濃度和分布來實現(xiàn)對根毛生長的調(diào)控。根毛是植物根系特異化表皮細胞向外突起伸長形成的管狀凸起物，是根表皮細胞的一種特殊結(jié)構(gòu)，在植物吸收礦質(zhì)養(yǎng)分、水分以及與外界環(huán)境相互作用的過程中至關(guān)重要[19-21]。研究結(jié)果表明，根毛的形成和極性生長均與ROP有關(guān)。以ROP2為例，在擬南芥根毛伸長生長過程中，胞外信號激活類受體激酶(receptor like protein kinase，RLK)FER(FERONIA)后，在GEF的作用下激活ROP2。激活態(tài)的AtROP2在根毛的起始生長位點開始聚集，并激活下游的效應(yīng)因子—定位于質(zhì)膜的RbohC/RHD2(respiratory burst oxidase homologues)。由RbohC產(chǎn)生的ROS作為重要的第二信使啟動Ca2+通道，在根毛頂端形成Ca2+濃度梯度，從而調(diào)控微絲的動態(tài)變化和囊泡運輸來調(diào)控根毛的產(chǎn)生。與此同時，胞質(zhì)中增加的Ca2+又可以激活RbohC/RHD2形成正反饋調(diào)節(jié)[22]。此外，在這個調(diào)控過程中，發(fā)育調(diào)節(jié)的質(zhì)膜多肽(developmentally regulated plasma membrane polypeptide，DREPP)家族成員MAP18(microtubule-associated protein 18)也對AtROP2進行正向調(diào)控。MAP18可通過與ROP負調(diào)控因子—SCN1/RhoGDI1的競爭作用緩解SCN1/AtRhoGDI1對AtROP2活性的抑制作用，進而促進根毛的極性伸長生長(Fig. 5)[10]。

Fig.5 The schematic diagram of the signaling network of root hair polarized growth regulated by ROPs ROPs and their downstream effectors, such as RbohC manipulate root hair growth by regulating the concentration and distribution of Ca2+, and ROS

有研究表明，生長素對根毛極性生長的調(diào)控同樣需要ROP的參與才能實現(xiàn)。生長素在生長素輸入載體(auxin resistant 1，AUX1)、小G蛋白ADP核糖基化因子(ADP-ribosylation factor，ARF)以及乙烯(ethylene，ETH)信號的共同調(diào)控下，會在根尖形成一定的濃度梯度。而生長素的濃度梯度可能決定了ROP的積聚位點，進而決定了根毛的起始位點，但該機制仍有許多細節(jié)問題有待闡明[23-25]。此外，是否有其他ROP成員參與了根毛的極性伸長生長調(diào)控，及其它影響根毛發(fā)育的激素是否也是通過ROP發(fā)揮作用的，仍有待深入的研究。

3.1.2 ROP調(diào)控花粉管的伸長 ROP通過對下游作用因子活性的控制來調(diào)控花粉管內(nèi)Ca2+濃度、囊泡運輸、微管的組裝與解聚，進而實現(xiàn)對花粉管伸長生長的調(diào)控。在被子植物中，花粉管的伸長是保證開花植物雙受精正常完成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當花粉落到柱頭上時，花粉粒的內(nèi)壁通過花粉外壁上的萌發(fā)孔(或溝)向外極伸長，進而形成管狀結(jié)構(gòu)的花粉管。而伸長后的花粉管會受到胚珠信號的吸引通過珠孔進入胚珠，在此處釋放2個精細胞，從而完成雙受精過程[65]。值得注意的是，花粉管的極性伸長與根毛的極性生長一樣，都表現(xiàn)為頂端生長，而ROP基因家族也被證實參與了對花粉管的頂端伸長的調(diào)控[6, 66]。在擬南芥中，ROP1分布于花粉管頂端的質(zhì)膜，并在花粉管生長過程形成一個由激活態(tài)ROP1構(gòu)成的帽狀分布(cap of active ROP1)，從而驅(qū)動花粉管的振蕩生長(oscillatory growth)[67]。進一步的研究表明，ROP1在花粉管質(zhì)膜部位是由被類受體激酶 PRK2磷酸化后的ROP-GEF1激活的。被激活的ROP與GTP，轉(zhuǎn)變?yōu)榧せ顟B(tài)ROP1。處于激活態(tài)的ROP1通過激活下游的2個效應(yīng)因子RIC3 (ROP-interactive CRIB motif-containing protein 3)和RIC4 (ROP-interactive CRIB motif-containing protein 4)，來啟動由RIC3與RIC4調(diào)控的2條微絲動態(tài)組裝相關(guān)信號通路，進而調(diào)控在極性生長過程中發(fā)揮重要作用的胞吐過程[67]。其中RIC4促進花粉管頂端F-肌動蛋白(F-actin)的聚合，從而將胞吐過程中產(chǎn)生的囊泡靶向運輸至位于花粉管頂端的生長位點[68-70]。而RIC3則能夠刺激 Ca2+信號通路以提高胞內(nèi)Ca2+濃度，以調(diào)節(jié)肌動蛋白解聚速率。不止于此，高濃度的Ca2+也可促進胞吐產(chǎn)生的囊泡與質(zhì)膜的融合，加速花粉管頂端能量和物質(zhì)積累，滿足花粉管伸長的需求[71]。此外，ROP1還能通過其下游效應(yīng)因子ICR1/RIP1(interactor of constitutively active ROP1/ROP-interactive partner 1)募集胞吐亞基SEC3，以促進胞吐作用(Fig. 6)[30, 72]。值得注意的是，在整個花粉管極性生長調(diào)控過程中，ROP1在花粉管頂端質(zhì)膜的定位表現(xiàn)出一定的周期性，且這種周期性的定位總是先于該位點Ca2+的振蕩變化和花粉管的振蕩生長。該結(jié)果表明，ROP1在Ca2+調(diào)控的花粉管極性生長過程中很可能在信號通路的上游發(fā)揮關(guān)鍵性作用[73]。

在花粉管頂端激活態(tài)ROP1水平的維持或變化是依靠相關(guān)反饋調(diào)控機制實現(xiàn)的。ROP1下游RIC4介導(dǎo)的F-肌動蛋白聚合會誘導(dǎo)ROP1在花粉管頂端質(zhì)膜的側(cè)向擴張，表明F-肌動蛋白具有正向反饋調(diào)控ROP1的能力，但該調(diào)控作用的具體機制尚待闡明[30]。而花粉管極性生長過程中的胞吐作用也可被ROP1下游靶因子介導(dǎo)的負反饋信號通路抑制。在該反饋抑制信號通路中，囊泡將Rho-GAP成員REN1(ROP1 enhancer 1)運送至頂端質(zhì)膜上，實現(xiàn)對激活態(tài)ROP1的抑制作用[74]。Ca2+下游信號分子鈣依賴蛋白激酶(calcium-dependent protein kinases，CDPK)在感受到高濃度的Ca2+水平后也會對激活態(tài)ROP1產(chǎn)生抑制作用，但該抑制作用的具體機制仍有待進一步的闡明[71]。其實ROP的反饋抑制信號(Fig. 6)通路不止于此，研究表明，GDI以及磷脂酶C(phospholipases C，PLC)也在負反饋調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用[75]。目前關(guān)于這些不同的反饋抑制信號通路之間是如何協(xié)調(diào)作用等問題仍然需要進一步研究。除此之外，除了ROP1介導(dǎo)的信號通路，其它的ROP家族成員是否以及如何參與對花粉管頂端生長調(diào)控等問題也仍有待進一步探索。

Fig.6 The schematic diagram of the signaling network of pollen tube polarized growth controlled by ROPs In the pollen tube, by controlling the activity of downstream effectors, ROPs regulate the concentration of Ca2+, vesicle transport, and the assembly and depolymerization of microfilaments, thereby realizing the regulation of pollen tube elongation

3.1.3 ROP調(diào)控葉表皮鋪板細胞的極性生長 ROP通過對其對應(yīng)下游作用因子活性的調(diào)控來控制微管和微絲的動態(tài)變化，進而造成對鋪板細胞不同區(qū)域的凸起或凹陷，最終實現(xiàn)臨近細胞的嵌合。葉表皮鋪板細胞的形態(tài)類似于拼圖呈現(xiàn)為版塊狀，由凹陷和突起彼此相互嵌合形成。這樣的極性嵌合生長過程，需要細胞間的相互配合以實現(xiàn)相鄰細胞突起區(qū)(lobes)和凹陷區(qū)(indentations)的協(xié)調(diào)生長[76, 77]。研究表明，擬南芥ROP2和ROP6以調(diào)控細胞骨架形態(tài)的方式在葉表皮鋪板細胞的極性嵌合生長過程中發(fā)揮重要作用。當感受到胞外生長素后，細胞表面生長素結(jié)合蛋白1(auxin binding protein 1，ABP1)與跨膜受體樣激酶(transmembrane receptor-like kinases，TMKs)組成受體復(fù)合體，將胞外信號轉(zhuǎn)移至胞內(nèi)，并激活信號通路下游的ROP2和ROP6[76, 77]。而在調(diào)控擬南芥的葉表皮鋪板細胞形態(tài)建成時，ROP2與ROP6分別在調(diào)控微絲和周質(zhì)微管形態(tài)的動態(tài)變化與互相拮抗的不同信號通路中發(fā)揮作用，二者的協(xié)作保證了葉表皮鋪板細胞的有序嵌合。葉表皮鋪板細胞突起區(qū)的形成依賴于ROP2介導(dǎo)的信號通路。首先位于子葉表皮細胞突起區(qū)的ROP2通過其下游影響因子RIC4募集肌動蛋白，并合成微絲。而微絲的形成有利于將細胞膜和細胞壁生長所需的物質(zhì)運送至極性生長部位。同時，激活態(tài)ROP2抑制生長素輸出載體PIN1在細胞表面內(nèi)吞，以保證PIN1在葉表皮鋪板細胞凸起區(qū)可維持較高水平，從而確保細胞在該區(qū)域向外延伸。簡而言之，在葉表皮鋪板細胞的突起區(qū)頂端形成的這個Auxin-ROP2-PIN1-Auxin正反饋調(diào)節(jié)途徑，確保了該區(qū)域細胞向外的極性生長[78]。此外，有研究表明，激活態(tài)ROP2還能通過抑制RIC1的活性抑制葉表皮鋪板細胞形成橫向有序的微管，以確保葉表皮鋪板細胞突起區(qū)的形成(Fig. 7)[79]。而葉表皮鋪板細胞凹陷區(qū)的形成，則依賴位于子葉表皮細胞的凹陷區(qū)ROP6介導(dǎo)的信號途徑。ROP6可通過募集RIC1和一種微管切割蛋白-劍蛋白(Katanin)，促進周質(zhì)微管排列成有序的橫向微管[80]。而在細胞壁沉積方向纖維素沿著微管橫向的沉積，從而限制了細胞在該區(qū)域的側(cè)向擴張并最終形成凹陷。在相同細胞區(qū)域，ROP6介導(dǎo)的這一信號通路對ROP2有抑制作用，進而確保凹陷區(qū)形成(Fig. 7)[80]。

Fig.7 The schematic map of the signaling pathway of the growth of leaf epidermal plating cells regulated by ROPs ROPs and their effectors, such as RIC1 and RIC4, regulate the formation of lobes and indentations of pavement cells, thereby ensure complete interdigitation of adjacent pavement cells

3.2 ROP參與調(diào)控植物激素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

ROP作為分子開關(guān)，在植物激素調(diào)控植物的生長發(fā)育等過程中也發(fā)揮著重要的作用。植物激素雖然是簡單的小分子有機化合物，但它們通過參與大量信號通路的調(diào)控，在植物各種生理過程中發(fā)揮著不可或缺的作用。

研究表明，ROP在ABA(abscisic acid)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中充當負調(diào)控因子[81]。有證據(jù)表明，在保衛(wèi)細胞中表達的AtROP6/AtRAC1基因在ABA誘導(dǎo)的氣孔開閉過程中發(fā)揮重要作用，即組成性激活(constitutively active，CA)的CA-AtROP6突變體干擾ABA介導(dǎo)的葉片氣孔關(guān)閉[82]。而AtROP11和AtROP10在ABA誘導(dǎo)的保衛(wèi)細胞肌動蛋白的重組、氣孔關(guān)閉、主根的伸長、種子萌發(fā)、幼苗的萌發(fā)后生長以及基因表達等一系列過程中發(fā)揮負調(diào)控作用。雖然對ROP參與的ABA信號途徑的研究已取得一定進展，但ROP參與ABA信號通路的具體機制尚待進一步闡明[83-85]。

不同于對ABA信號通路的負向調(diào)控作用，ROP在IAA(auxin)信號通路中發(fā)揮正向調(diào)控作用。煙草NtRac1基因的過表達或活性喪失均會刺激生長素應(yīng)答基因的表達，而過表達失活態(tài)的DN-NtRac1基因，或該基因的負調(diào)控因子則會抑制生長素應(yīng)答基因的表達[52]。此外有研究表明，IAA可以迅速激活ROP蛋白，激活態(tài)ROP蛋白會促進IAA與泛素類蛋白質(zhì)組成26S具有降解活性的蛋白質(zhì)小體，通過降解IAA信號負調(diào)控相關(guān)蛋白，最終確保IAA應(yīng)答基因的表達[86]。因此推測，ROP可能通過參與蛋白質(zhì)的水解過程，在各種不同信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中發(fā)揮作用。此外，擬南芥AtROP2被證明可調(diào)控生長素運輸載體PIN1在細胞表面的分布，因此，ROP參與的IAA調(diào)控的生長過程，也可能是通過影響PIN的極性分布來實現(xiàn)的[87]?；谶@些研究結(jié)果，ROP參與了IAA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程毋庸置疑，但對這些信號通路之間是如何協(xié)同作用的系統(tǒng)研究尚少。

除了ABA和IAA，ROP還參與了植物激素油菜內(nèi)酯素(brassinolide，BR)和ETH的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[88]。在光照條件下，CA-AtRop2突變體表現(xiàn)出對油菜素內(nèi)酯更強的敏感性，而DN-AtRop2突變體則表現(xiàn)出對油菜素內(nèi)酯的敏感性下降。在暗培養(yǎng)條件下，CA-atrop2突變體也會出現(xiàn)植物受到油菜素內(nèi)酯處理時下胚軸伸長的表型，DN-AtRop2突變體則會表現(xiàn)出油菜內(nèi)酯素缺乏時下胚軸伸長的表型[88]。有研究表明，乙烯可造成AtROP7/AtRAC2基因表達的下調(diào)，而乙烯合成前體1-氨基環(huán)丙烯烷-1-羧酸(1-aminocyclop ropane-1-carboxylate，ACC)則會誘導(dǎo)AtROP1基因表達量的升高，但ROP在乙烯信號通路中的具體作用尚不明確[89]。

3.3 ROP參與脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

ROP作為植物中多種脅迫信號傳遞的分子開關(guān)，參與多種生物與非生物脅迫誘導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過啟動對應(yīng)的脅迫響應(yīng)機制，在植物逆境響應(yīng)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.3.1 ROP參與非生物脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 目前，大量研究證實，ROP參與植物非生物脅迫過程中信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。例如在缺氧條件下，被激活的擬南芥ROP通過調(diào)節(jié)NADPH氧化酶的活性產(chǎn)生過氧化氫，過氧化氫又可作為第二信使，一方面通過調(diào)控乙醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase，ADH)的活性，為無氧呼吸提供能量，增強擬南芥植株應(yīng)對缺氧脅迫的能力；另一方面，過氧化氫可以誘導(dǎo)ROP負調(diào)控因子GAP的活性，抑制ROP的活性。這種反饋抑制機制既可保證植物體內(nèi)有足夠的過氧化氫用于誘導(dǎo)下游的信號途徑，又可避免過氧化氫水平過高對細胞產(chǎn)生毒害作用[89, 90]。受鹽脅迫時，NtROP1的擬南芥過表達植株與野生型植株相比，過氧化氫或活性氧的含量增加，相對電導(dǎo)率水平均明顯升高，根變短，對鹽脅迫表現(xiàn)出更高的敏感性[51]。另有研究表明，在鹽脅迫條件下，過表達OsRacB的轉(zhuǎn)基因煙草表現(xiàn)出更強的抗鹽特性[28]。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥ROP2-RIC1信號途徑可通過調(diào)節(jié)微管重組以應(yīng)對高鹽脅迫[32]。

有相關(guān)研究表明，ROP在緩解冷害對植物損害過程中也發(fā)揮著積極的作用。例如，枇杷果實中的3個ROP基因家族成員EjROP1、EjROP2和EjROP3對冷害誘導(dǎo)的枇杷果實(Eriobotryajaponica)木質(zhì)化的形成有正向調(diào)控作用[91]。玉露桃(Prunuspersica)遇到冷害時，PpROP基因的表達水平顯著升高，而程序降溫(low temperature conditioning，LTC)處理可使PpROP基因的表達水平受到明顯抑制。該研究結(jié)果表明，玉露桃對冷害脅迫的響應(yīng)是受到PpROP調(diào)控的[62]。蘋果(Malusdomestica)果實中的ROP通過調(diào)節(jié)ROS的水平，在蘋果應(yīng)對冷害脅迫的過程中發(fā)揮著重要的作用[17]。

3.3.2 ROP參與生物脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 關(guān)于植物ROP在植物應(yīng)對生物脅迫過程中作用的研究開展的比較廣泛。水稻ROP家族成員OsRac1在水稻抵抗真菌病害稻瘟病，以及細菌病害白葉枯病的過程中發(fā)揮正向調(diào)控作用[92]。研究表明，OsRac1可以通過調(diào)控NADPH氧化酶活性促進ROS的產(chǎn)生和局部的細胞凋亡，即產(chǎn)生超敏性壞死反應(yīng)(hypersensitive response，HR)，從而提高水稻植株對稻瘟病與白葉枯的抗病能力[93, 94]。此外OsRac1還可以激活負責植物木質(zhì)素合成的肉桂酰輔酶A還原酶1(cinnamoyl coA reductase 1，CCR1)，并促進細胞壁的形成，因此可在植物抵御病原菌入侵時發(fā)揮重要作用[95]。

大麥ROP家族成員HvRacB也是參與抗病反應(yīng)的重要調(diào)控因子，研究表明，HvRacB的RNAi轉(zhuǎn)基因大麥對白粉病真菌(BlumeriaGraminis)的抗病性增強[96]。反之，CA-HvRacB轉(zhuǎn)基因小麥顯示出對白粉病病原真菌更強的敏感性[97]。白粉菌作為活體營養(yǎng)型病原體，需要通過入侵和吸取活體宿主細胞的營養(yǎng)物質(zhì)以維持生存和致病力，因此，侵染及發(fā)病過程會盡量避免觸發(fā)植物體內(nèi)的高敏反應(yīng)，而ROP可能是植物應(yīng)對白粉菌侵染過程中負責壞死反應(yīng)的抗病機制中的重要因子之一。此外，白粉菌入侵宿主細胞的過程中，需要造成宿主細胞質(zhì)膜的內(nèi)陷，而這個過程正是通過ROP信號通路介導(dǎo)的[98]。也有研究表明，大麥 ROP 蛋白質(zhì)還能正調(diào)控肌動蛋白絲的極化，通過物理性的強化作用來抵御白粉菌對植物組織的入侵[96]。此外，在其他植物中也有一些關(guān)于ROP參與植物抗病作用的研究報道，例如擬南芥AtROP6基因的非激活態(tài)突變體能夠提高擬南芥對白粉菌的抗病性，而這可能與水楊酸(salicylic acid，SA)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑有關(guān)[99]。

4 問題與展望

目前通過利用各種過表達植株和功能缺失突變體進行的一系列研究證明，ROP蛋白在植物中作為分子開關(guān)參與調(diào)控根毛與花粉管的極性生長、葉表皮鋪板細胞的擴散性生長、植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及生物脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等一系列生理及生長發(fā)育過程(Fig.8)。但ROP在各種信號通路中的具體作用仍然有許多缺失的環(huán)節(jié)，例如植物中不同ROP家族成員在同一個調(diào)控信號通路中扮演的角色通常是不同或者是完全相反的，那么這種功能上的不同具體是如何實現(xiàn)的？ROP 在不同的信號調(diào)控通路中與不同的調(diào)控因子和效應(yīng)因子具體是如何相互作用的？還有哪些未知的調(diào)控因子和效應(yīng)因子？ROP對某一個植物發(fā)育或者生理過程的調(diào)控經(jīng)常會通過同時參與幾條完全不同的信號通路來實現(xiàn)，這些信號通路之間是如何聯(lián)系或協(xié)調(diào)作用的？正如本文所述，ROP在ABA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中發(fā)揮著重要的作用，而ABA在促進植物葉片衰老中的作用也已經(jīng)被廣泛的研究，但目前尚無ROP參與調(diào)控植物衰老的直接證據(jù)，ROP在植物衰老中的作用也值得進一步的探究。

Fig.8 The development and physiology functions regulated by the pathways which are modulated by ROPs By turning on or off ROP-mediated pathways, such as IAA signaling, ABA signaling, ROS signaling, Ca2+ signaling and so on, the process or activities such as polarized growth, biotic or abiotic stress responses, seed germination, stomata closure and root elongation are regulated

本研究團隊前期的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ORMIN基因與水稻根毛發(fā)育相關(guān)，也有研究表明，在擬南介中ROP也直接參與了根毛發(fā)育的調(diào)控，但對于二者是否是在同一信號通路中調(diào)控根毛發(fā)育的相關(guān)研究較少[100,101]。對動物FORMIN和小G蛋白質(zhì)的相關(guān)研究表明，兩者在同一信號通路中通過互作控制肌動蛋白的動態(tài)變化[102]。植物FORMIN在調(diào)控肌動蛋白(actin)動態(tài)變化的過程中是否正如動物FORMIN蛋白一樣需要小G蛋白質(zhì)的參與？如果是這樣的話，無明顯GTPase結(jié)合域的植物FORMIN又是如何實現(xiàn)與小G蛋白的相互作用，并共同行使它們對肌動蛋白動態(tài)的調(diào)節(jié)功能的？在根毛極性生長過程中，RIC1和RIC4及其同家族蛋白質(zhì)是否也作為ROP的效應(yīng)因子在極性生長過程中發(fā)揮作用？這些未知之謎仍有待深入的探究。在未來的研究中，可在參考借鑒哺乳動物中小G蛋白質(zhì)的作用機制研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合植物自身生長發(fā)育的特點，利用近年來迅速發(fā)展起來的基因編輯、基因組學(xué)等技術(shù)對植物ROP的功能、作用機制等進行更加深入的研究。