尚忠林, 康二芳, 李雨珂, 付 玉

(河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050024)

作為一種古老且保守的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),異三聚體G蛋白及其關(guān)聯(lián)蛋白幾乎存在于所有的真核生物中.異三聚體G蛋白一般由α,β和γ這3個(gè)結(jié)構(gòu)不同的亞基組成,非刺激條件下,3個(gè)亞基結(jié)合形成的異三聚體蛋白定位在細(xì)胞質(zhì)膜上.物理或化學(xué)因素可以作用于細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)的受體,活化的受體可以直接或間接作用于異三聚體G蛋白,Gα亞基結(jié)合GTP(鳥苷三磷酸)后活化并與Gβγ二聚體分離,Gα和Gβγ分別與細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞質(zhì)中的靶蛋白結(jié)合并觸發(fā)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),對(duì)于細(xì)胞質(zhì)膜電位、跨膜離子流動(dòng)、細(xì)胞骨架動(dòng)態(tài)、細(xì)胞質(zhì)關(guān)鍵酶的活性、轉(zhuǎn)錄因子活性進(jìn)行調(diào)控,細(xì)胞代謝和基因表達(dá)模式的變化最終影響了細(xì)胞分裂、分化進(jìn)程.隨后,Gα中的GTP被水解為GDP(鳥苷二磷酸),無(wú)活性的Gα重新與Gβγ結(jié)合形成三聚體,結(jié)束信號(hào)傳遞過(guò)程[1].近年來(lái),研究人員圍繞植物體內(nèi)異三聚體G蛋白信號(hào)系統(tǒng)的組分、功能以及異三聚體G蛋白活化及滅活機(jī)制開展了深入細(xì)致的研究,取得了令人欣喜的新成果.

1 植物異三聚體G蛋白的組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

最初,研究人員參照動(dòng)物細(xì)胞中異三聚體G蛋白的結(jié)構(gòu)和基因特征,利用同源比對(duì)和分子克隆方法尋找典型的異三聚體G蛋白α,β和γ亞基,在模式植物擬南芥中只發(fā)現(xiàn)了1種α亞基、1種β亞基和2種γ亞基,這意味著擬南芥中最多只能組成2種類型的異三聚體G蛋白,研究人員一度對(duì)于異三聚體G蛋白能否參與多個(gè)生理過(guò)程的調(diào)控產(chǎn)生了懷疑[2].不過(guò),近年來(lái)一個(gè)重要的進(jìn)展是在多種植物中都發(fā)現(xiàn)了超大G蛋白(extra large G proteins,XLG),這些XLG可以與Gβ和Gγ結(jié)合形成三聚體,發(fā)揮類似Gα亞基的功能,每一個(gè)物種都含有多種XLG,XLG分子結(jié)構(gòu)和編碼基因具有明顯的多樣性[3];另一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)是植物細(xì)胞中存在多種類型的Gγ[4];這為植物異三聚體G蛋白形成多樣化組合體、參與多種生理反應(yīng)的調(diào)控奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ).

擬南芥中的典型Gα(AtGPA1)由383個(gè)氨基酸組成,與動(dòng)物細(xì)胞Gα相一致的特征是含有幾個(gè)典型的保守結(jié)構(gòu)域,如RAS樣結(jié)構(gòu)域、螺旋結(jié)構(gòu)域,還含有N-豆蔻酰化位點(diǎn)和棕櫚?；稽c(diǎn)(圖1).在多種植物中都發(fā)現(xiàn)了與AtGPA1結(jié)構(gòu)類似的蛋白,如大豆、豌豆及煙草都含有至少2個(gè)典型的Gα蛋白.Gα廣泛存在于各種組織中,在細(xì)胞分裂旺盛的組織(如分生組織)中表達(dá)較豐富,在細(xì)胞內(nèi)Gα可以定位于細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)膜上[5-7].

XLG與典型的Gα蛋白具有一定的相似性,都具有RAS結(jié)構(gòu)域和螺旋結(jié)構(gòu)域,XLG與典型Gα的顯著區(qū)別是N端含有由300～500個(gè)氨基酸組成的延長(zhǎng)區(qū),這使得XLG分子量遠(yuǎn)超典型的Gα[7](圖1).每一種植物中往往存在多種XLG,如擬南芥中有3種(XLG1～XLG3),玉米中有3種(ZmXLG1～ZmXLG3),水稻中也有3種(OsXLG1～OsXLG3),它們可參與形成多樣化的異三聚體G蛋白,為響應(yīng)多種刺激、啟動(dòng)多樣化的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程、精準(zhǔn)調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育和脅迫耐受反應(yīng)奠定了基礎(chǔ)[3,6-7].功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)顯示,擬南芥中XLG2/3,AGB1和AGG1/2參與介導(dǎo)由鞭毛蛋白引發(fā)的防御反應(yīng)[8],玉米中的3個(gè)XLG參與調(diào)控株高和頂端分生組織的發(fā)育模式[9].在低等苔蘚植物小立碗蘚(Physcomitrellapatens)中沒有發(fā)現(xiàn)典型的Gα蛋白,但是卻發(fā)現(xiàn)了一些XLG,與典型的Gβ和Gγ組合形成的異三聚體參與小立碗蘚生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控,這一結(jié)果為理解異三聚體G蛋白結(jié)構(gòu)進(jìn)化提供了新的視角和線索[10-11].

植物細(xì)胞中的Gβ類型較少,在多個(gè)物種(包括擬南芥、玉米、水稻、燕麥、煙草等)中都只檢測(cè)到了一種Gβ,不同物種中編碼Gβ的基因序列具有極高的相似度(圖1).擬南芥AGB1,玉米ZGB1及水稻RGB1存在于多個(gè)器官組織中,這些Gβ主要分布在細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)膜上,與Gα的定位高度重合[2,6].

植物細(xì)胞中的Gγ按照結(jié)構(gòu)特征分成3個(gè)類型:Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型(圖1).Ⅰ型一般含有100～120個(gè)氨基酸,分子中間具有卷曲螺旋結(jié)構(gòu)域,含有與Gβ結(jié)合必需的、保守的DPLL基序,C端可以被異戊二烯化以確保Ⅰ型的Gγ定位在細(xì)胞質(zhì)膜上.擬南芥中含有2個(gè)Ⅰ型Gγ(AGG1和AGG2),N末端可與Gβ相互作用,C末端的CaaX結(jié)構(gòu)域可被異戊二烯或其衍生物修飾.Ⅱ型與Ⅰ型Gγ的主要區(qū)別在于C-末端沒有異戊二烯基化位點(diǎn),但這并不影響蛋白的定位.Ⅲ型Gγ的N端區(qū)域與Ⅰ型和Ⅱ型相似,但是C末端序列中富含半胱氨酸,可能參與結(jié)合XLG;Ⅲ型Gγ成員包括擬南芥中的AGG3,水稻中的DEP1,GS3和GCA2,大豆中的Gγ8～Gγ10等[2,4,6].

2 異三聚體G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)組分

2.1 G蛋白偶聯(lián)受體

動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上存在多種異三聚體G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCR),這些GPCR一般含有7個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域,結(jié)合配體分子后,活化后的GPCR作用于異三聚體G蛋白,引起Gα與Gβγ的分離[1].最初人們循著同樣的思路,試圖尋找植物細(xì)胞中的GPCR.雖然基因相似性分析結(jié)果顯示擬南芥基因組中可能存在超過(guò)20個(gè)GPCR基因,但只有一種類似于動(dòng)物細(xì)胞GPCR的蛋白GCR1被檢測(cè)出來(lái),GCR1能夠與GPA1結(jié)合、互作,響應(yīng)刺激后激活異三聚體G蛋白,在其他一些物種中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了與GCR1類似的蛋白[12].

近幾年研究人員在水稻、玉米和甘蔗中發(fā)現(xiàn)了一些具有9個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域的蛋白,經(jīng)檢驗(yàn)這些蛋白具有典型的GPCR活性.這些蛋白可以定位于細(xì)胞質(zhì)膜或內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中,與傳統(tǒng)的GPCR需要配體結(jié)合才能活化的這一特征不同,這些蛋白在物理脅迫(如低溫)下就可以發(fā)生結(jié)構(gòu)變化并活化,隨后向下游激活異三聚體G蛋白組分,啟動(dòng)脅迫耐受性反應(yīng).水稻和玉米中的COLD1參與誘導(dǎo)植株耐低溫能力[13-15],甘蔗中的ShGPCR1參與誘導(dǎo)植株對(duì)干旱、鹽漬和冷脅迫的耐受能力[16].

2.2 G蛋白信號(hào)調(diào)節(jié)因子(regulator of G-protein signaling,RGS)

RGS是所有生物體中都存在的一類GTP酶激活蛋白(GTPaes activating protein,GAP),能夠促進(jìn)異三聚體Gα水解GTP,并抑制Gα與GTP的結(jié)合,對(duì)Gα發(fā)揮抑制作用.擬南芥的AtRGS1是第一個(gè)在植物中發(fā)現(xiàn)的RGS蛋白,能與Gα蛋白直接結(jié)合互作,并且優(yōu)先與結(jié)合了GTP、處于活化態(tài)的Gα結(jié)合.植物體內(nèi)的RGS蛋白C末端一般都有保守的RGS盒結(jié)構(gòu)域,與該區(qū)域連接的N末端區(qū)域能夠形成7次跨膜的結(jié)構(gòu)域.由于七跨膜結(jié)構(gòu)域是動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜GPCR的重要特征,最初研究者們猜測(cè)RGS1可以作為一種GPCR發(fā)揮作用,但是2方面的證據(jù)否定了這種推測(cè):1) RGS1本身具有GTP酶活性,將結(jié)合在Gα中的GTP分解為GDP,使Gα蛋白處于非活化狀態(tài),RGS1實(shí)際上是一種抑制蛋白而不是G蛋白的活化因素; 2) 目前能夠與AtRGS1特異性結(jié)合的配體分子還沒有得到確認(rèn)[6-8,10].最近的研究結(jié)果顯示,RGS1與異三聚體G蛋白、類受體激酶結(jié)合形成復(fù)雜的受體復(fù)合物,與配體結(jié)合、被活化的受體激酶將RGS1磷酸化,解除了 RGS1對(duì)異三聚體G蛋白的抑制作用,隨后異三聚體G蛋白可以自動(dòng)活化、解體并激活下游信號(hào)組分,這為解析RGS1以及其他RGS家族蛋白發(fā)揮功能的作用機(jī)制提供了新的視角和切入點(diǎn)[17-18].

2.3 磷脂酶

哺乳動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜上的磷脂酶Cβ(phospholipase Cβ,PLCβ)能夠與異三聚體Gα結(jié)合,加強(qiáng)Gα的GTPase活性,其功能類似于RGS蛋白.植物中尚未發(fā)現(xiàn)類似的PLCβ蛋白,但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)擬南芥中的磷脂酶Dα1(phospholipase Dα1,PLDα1)可以結(jié)合并調(diào)節(jié)Gα蛋白活性[19-20].植物體內(nèi)的磷脂酶家族成員眾多,某些成員像PLDα1一樣參與G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的可能性是存在的,這也為今后探究異三聚體G蛋白信號(hào)級(jí)聯(lián)機(jī)制提供了新的思路.

2.4 類受體激酶

類受體激酶(receptor-like kinase,RLK)和類受體蛋白(receptor-like protein,RLP)是細(xì)胞質(zhì)膜上重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)組分,一個(gè)物種中往往含有幾百甚至上千種RLK以及RLP(如擬南芥含有超過(guò)600種RLK、水稻含有超過(guò)1 100種RLK),這為細(xì)胞感受復(fù)雜環(huán)境刺激、精準(zhǔn)調(diào)控細(xì)胞代謝奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).雖然大多數(shù)受體激酶(或受體蛋白)的功能和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制尚不清楚,但是僅就已經(jīng)闡明的一些受體激酶而言,已經(jīng)有充分的證據(jù)顯示異三聚體G蛋白參與由RLK和RLP啟動(dòng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程[6,8,16].例如,鞭毛蛋白受體FLS2與異三聚體G蛋白組成受體復(fù)合物,病原菌鞭毛蛋白與其受體結(jié)合,可以迅速活化異三聚體G蛋白、誘發(fā)防御反應(yīng)[8,16];FERONIA(FER)可以通過(guò)異三聚體G蛋白β亞基(AGB1)調(diào)節(jié)氣孔開關(guān)以及對(duì)鹽漬的響應(yīng)[21];類受體激酶ZAR1(zygotic arrest1)通過(guò)AGB1調(diào)控受精卵分裂、分化形成胚胎的過(guò)程[22].隨著累積的證據(jù)越來(lái)越多,一些學(xué)者大膽猜測(cè),RLK大家族中的很多成員可以發(fā)揮GPCR的作用,啟動(dòng)異三聚體G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[6,10,22].

3 植物異三聚體G蛋白的活化和滅活機(jī)制

在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,細(xì)胞質(zhì)膜上的GPCR感受信號(hào)分子,通過(guò)其鳥苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factor,GEF)活性使Gα蛋白結(jié)合的GDP脫離并結(jié)合GTP,異三聚體隨即解離為活化的Gα和Gβγ(圖2).植物細(xì)胞Gα的生化特性與動(dòng)物細(xì)胞明顯不同:首先,以擬南芥GPA1為代表的植物Gα能夠高效率結(jié)合GTP,具備較強(qiáng)的自激活能力,不要求必需由GPCR對(duì)其進(jìn)行激活;其次,某些植物特有的蛋白質(zhì)發(fā)揮GPCR的作用,例如RLK和RLP家族成員,它們可以通過(guò)磷酸化RGS、解除其對(duì)G蛋白的抑制作用,也可能直接對(duì)異三聚體G蛋白進(jìn)行磷酸化調(diào)控將某些亞基激活[6-7,16,21].

圖2 植物異三聚體G蛋白活化和滅活機(jī)制(Pandy [6])Fig.2 The Activation and Inactivation of Heterotrimeric G Proteins in Plants

動(dòng)植物細(xì)胞中異三聚體G蛋白滅活機(jī)制都是通過(guò)Gα中的GTP水解為GDP實(shí)現(xiàn)的.植物細(xì)胞中Gα的GTPase活性比動(dòng)物細(xì)胞中的Gα低很多,難以保證GTP及時(shí)水解和Gα的及時(shí)滅活.而存在于植物細(xì)胞中的多種能結(jié)合異三聚體Gα并增強(qiáng)其GTP酶活性的GAP蛋白很可能在G蛋白失活過(guò)程發(fā)揮重要作用[5-7].RGS是GAP蛋白家族的重要成員,在綠藻、苔蘚植物、裸子植物、被子植物中都發(fā)現(xiàn)了RGS,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)擬南芥中的RGS1可顯著提高Gα的GTPase活性[6],擬南芥或大豆的Gα缺失突變體與RGS1缺失突變體表型相反,也證實(shí)了RGS作為G蛋白信號(hào)失活劑發(fā)揮作用[23].一些磷脂酶(如擬南芥PLDα1)也可以作為GAP來(lái)加強(qiáng)GPA1的GTPase活性[18].進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),擬南芥中的RGS1和PLDα1存在互作,RGS1與PLDα1的結(jié)合抑制了它的磷脂酶活性;而磷脂酸(PLDα1催化產(chǎn)物)可以結(jié)合、抑制RGS1的GAP活性,2種GAP相互制衡的關(guān)系為異三聚體G蛋白信號(hào)強(qiáng)度調(diào)控提供了一種更為復(fù)雜和精準(zhǔn)的方式[24].

4 異三聚體G蛋白參與調(diào)控的生理過(guò)程

異三聚體G蛋白活化后,可以作用于細(xì)胞質(zhì)膜上的靶蛋白,如離子通道、磷脂酶C誘導(dǎo)產(chǎn)生第二信使;也可以作用于細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核中的靶蛋白,參與調(diào)控細(xì)胞骨架穩(wěn)態(tài)、酶活性、功能基因表達(dá).異三聚體G蛋白參與調(diào)控的細(xì)胞代謝、細(xì)胞分裂和分化模式的變化可以影響植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng),影響植物的株型、種子數(shù)量、種子大小等性狀.異三聚體G蛋白還廣泛參與動(dòng)員植物應(yīng)對(duì)病原微生物(細(xì)菌、真菌、病毒等)引起的生物脅迫和環(huán)境因素(光、干旱、鹽等)劇烈變化引起的非生物脅迫.在引起上述生理效應(yīng)的過(guò)程中,異三聚體G蛋白的3個(gè)亞基單獨(dú)或協(xié)同作用于下游靶蛋白,對(duì)異三聚體G蛋白生理功能的研究也是基于觀察這些亞基基因缺失突變體或超表達(dá)株系的表型指標(biāo)變化.由于遺傳操作技術(shù)不斷進(jìn)步,對(duì)于異三聚體G蛋白功能的研究也成為進(jìn)展最為迅速的領(lǐng)域.

4.1 參與營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)發(fā)育

異三聚體G蛋白參與調(diào)控根的生長(zhǎng)發(fā)育.例如,玉米中異三聚體Gα(CT2)可以被多肽信使CLV3的受體CLV1,CLV2結(jié)合并活化,參與調(diào)控頂端分生組織的細(xì)胞分裂和分化,CT2缺失突變引起玉米生長(zhǎng)受阻、植株矮化[25].擬南芥Gβ或Gγ缺失突變體主根生長(zhǎng)速度加快、側(cè)根數(shù)量顯著增多,Gβγ通過(guò)調(diào)節(jié)根尖生長(zhǎng)素運(yùn)輸負(fù)調(diào)控主根生長(zhǎng)和側(cè)根發(fā)生[26].擬南芥Gα,Gβ缺失突變體比野生型產(chǎn)生更多、更長(zhǎng)的側(cè)根,當(dāng)葡萄糖作為一種信號(hào)分子引起RGS1活化,RGS1抑制Gα活性也使得生長(zhǎng)素促進(jìn)側(cè)根形成和伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的效應(yīng)得到了顯著加強(qiáng)[27].在細(xì)胞外ATP抑制擬南芥主根生長(zhǎng)、引起根尖彎曲的過(guò)程中,Gα通過(guò)激活Ca2+通道、調(diào)控功能基因表達(dá)發(fā)揮積極的作用[28].

異三聚體G蛋白參與調(diào)控下胚軸生長(zhǎng).研究發(fā)現(xiàn),AGB1通過(guò)抑制轉(zhuǎn)錄因子BBX21活性促進(jìn)下胚軸伸長(zhǎng)生長(zhǎng),AGB1的基因缺失突變體下胚軸生長(zhǎng)明顯減緩[29].黃瓜中的GPA1活化促進(jìn)了細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng),使種子萌發(fā)、根和下胚軸生長(zhǎng)速度都加快[30].擬南芥Gβ參與下胚軸的向光性反應(yīng),在Gβ缺失突變體中由藍(lán)光誘導(dǎo)的下胚軸向光彎曲反應(yīng)顯著減弱[31].水稻中超表達(dá)Gγ(RGG1)的基因后,細(xì)胞中細(xì)胞分裂素含量下降,細(xì)胞對(duì)細(xì)胞分裂素的敏感性下降,細(xì)胞無(wú)法正常分裂導(dǎo)致生長(zhǎng)受阻、植株矮化[32].

異三聚體G蛋白參與葉片發(fā)育.在水稻中,Gα基因缺失突變帶來(lái)幾方面的變化:1) 葉肉細(xì)胞細(xì)胞壁變薄、對(duì)CO2的通透性增強(qiáng); 2) 葉肉細(xì)胞間聯(lián)系變得松散,葉片內(nèi)部表面積增大,有利于CO2吸收; 3) 葉綠體膜對(duì)CO2的通透性增強(qiáng).這些變化有利于在氣孔開度較小的條件下吸收足夠的CO2用于光合作用,促使水分利用效率提高,對(duì)干旱的耐受能力增強(qiáng).這些結(jié)果顯示在這些發(fā)育指標(biāo)的調(diào)控過(guò)程中,Gα發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用[33].在水稻Gα(RGA1)的基因缺失突變體中,葉片避光性反應(yīng)增強(qiáng)、光能利用效率提高,參與捕光色素復(fù)合體組建的蛋白合成量增加,植物對(duì)于強(qiáng)光的耐受性增強(qiáng),顯示RGA1在水稻的光保護(hù)反應(yīng)過(guò)程中可能發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用[34].

4.2 參與氣孔發(fā)育和氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)控

異三聚體G蛋白參與調(diào)控氣孔器發(fā)育.擬南芥Gα的基因缺失引起葉片表面氣孔頻度下降,超表達(dá)Gα則使氣孔頻度顯著增加;Gβ對(duì)氣孔發(fā)育的影響與之截然相反,Gβ缺失突變體氣孔頻度顯著升高,而其超表達(dá)株系氣孔頻度顯著降低[35].不過(guò),另一個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與野生型相比,Gα缺失突變體氣孔開度更大,二氧化碳吸收能力更強(qiáng),蒸騰效率更高,其結(jié)果是雖然突變體葉片上氣孔器數(shù)量少,但是其二氧化碳吸收量與野生型基本相當(dāng)[36].

多種調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)的信號(hào)通過(guò)異三聚體G蛋白信號(hào)組分調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng).例如,植物激素脫落酸(abscisic acid,ABA)引起氣孔關(guān)閉的過(guò)程中,ABA受體可以活化Gα、誘導(dǎo)活性氧形成,并通過(guò)活性氧敏感的Ca2+通道促進(jìn)Ca2+內(nèi)流,最終引起氣孔關(guān)閉[37];ABA 還可以引起Gβ(AGB1)活化,Gβ作用于磷脂酶C(phospholipase C,PLC)催化產(chǎn)生第二信使IP3,誘導(dǎo)產(chǎn)生并維持Ca2+震蕩,引起氣孔關(guān)閉[38].在細(xì)胞外ATP誘導(dǎo)氣孔開放的過(guò)程中,Gα通過(guò)活化質(zhì)子泵、誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流發(fā)揮積極作用[39].紫外線(UV-B)、乙烯可以激活G蛋白偶聯(lián)受體GCR1,隨后活化的Gα促進(jìn)保衛(wèi)細(xì)胞中活性氧和一氧化氮積累,最終引起氣孔關(guān)閉[40].多肽信使RALF1作用于其受體FERONIA后引起氣孔關(guān)閉,Gβ,Gγ和一些XLG參與了這一過(guò)程,但是經(jīng)典的Gα不參與此過(guò)程[21].在細(xì)胞外鈣調(diào)素促進(jìn)氣孔關(guān)閉的過(guò)程中,Gα通過(guò)誘導(dǎo)NO和H2O2積累發(fā)揮作用[41].高溫和干旱誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中NO積累、促進(jìn)氣孔關(guān)閉的過(guò)程中,Gβ發(fā)揮積極作用,豌豆Gβ在煙草中的異源表達(dá)增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因煙草的高溫和干旱脅迫耐受力[42].最新研究發(fā)現(xiàn)氫可以作為信號(hào)分子調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng),氫刺激擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞產(chǎn)生ROS和NO及促進(jìn)氣孔關(guān)閉的過(guò)程需要GPA1參與;在GPA1基因缺失突變體中氫刺激不能引起保衛(wèi)細(xì)胞中ROS和NO積累,氫也不能引起氣孔關(guān)閉[43].

4.3 參與生殖生長(zhǎng)和胚胎發(fā)育

植物有性生殖過(guò)程影響果實(shí)、種子的數(shù)量和質(zhì)量,直接關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益.近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn),異三聚體G蛋白影響多種植物的花粉萌發(fā)、果實(shí)及種子發(fā)育.例如,水稻的Gα基因突變后,與分蘗、灌漿有關(guān)的多個(gè)基因表達(dá)量顯著下降,影響水稻植株生長(zhǎng)、抽穗和籽粒的生長(zhǎng)并對(duì)產(chǎn)量造成不利影響[44].玉米的Gα及XLG表達(dá)量增加、活性增強(qiáng)可以使小穗密度、籽粒行數(shù)顯著增加,葉形也有所改變,直立生長(zhǎng)的葉片增多,這些農(nóng)藝性狀的變化都有利于玉米生產(chǎn)[9].水稻的XLG的基因缺失后,植株生長(zhǎng)、花序發(fā)育、籽粒灌漿都出現(xiàn)障礙[45].水稻中的RGA1超表達(dá)后,花粉管對(duì)于弱光的適應(yīng)性顯著增強(qiáng),在弱光下的糖吸收、利用能力顯著增強(qiáng),弱光對(duì)花粉管生長(zhǎng)的抑制作用減輕,有利于完成雙受精[46].在細(xì)胞外ATP促進(jìn)擬南芥花粉萌發(fā)和花粉管生長(zhǎng)的過(guò)程中,Gα通過(guò)維持鈣通道活性發(fā)揮促進(jìn)作用[47].水稻中RGB1調(diào)控胚乳細(xì)胞中的生長(zhǎng)素合成酶活性、促進(jìn)生長(zhǎng)素合成,促進(jìn)籽粒發(fā)育和淀粉積累,對(duì)產(chǎn)量形成具有重要作用[48].番茄中的一種Ⅱ型Gγ的基因缺失后,植株對(duì)生長(zhǎng)素和ABA的敏感性發(fā)生變化,種子變小、果形變尖[49].亞麻薺中的Gβ參與種子發(fā)育和脂肪積累,Gβ缺失突變體的種子由細(xì)長(zhǎng)形變成了短粗形,種子中脂肪含量也明顯增加[50].

受精卵分化形成胚是種子發(fā)育過(guò)程的重要環(huán)節(jié),擬南芥受精卵分化過(guò)程中,類受體激酶ZAR1可以作用于Gβ以調(diào)控受精卵不均等分裂,ZAR1和Gβ的基因缺失造成受精卵分裂形成的基細(xì)胞變短、頂細(xì)胞發(fā)育模式畸變[21];進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),活化的Gβ可以作為架構(gòu)蛋白將MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)成員聯(lián)系起來(lái),使這些組分形成特異性的信號(hào)級(jí)聯(lián)單元,對(duì)受精卵分化進(jìn)行調(diào)控[51].

4.4 參與生物脅迫的響應(yīng)

病原微生物(細(xì)菌、真菌、病毒等)侵害對(duì)于植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響,植物細(xì)胞可以感受病原微生物攜帶或釋放的化學(xué)信息分子,并調(diào)動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的免疫反應(yīng).已經(jīng)有多項(xiàng)證據(jù)顯示異三聚體G蛋白信號(hào)組分參與植物細(xì)胞免疫反應(yīng)的動(dòng)員過(guò)程.煙草中的異三聚體G蛋白基因缺失后,由超敏蛋白(harpin)引起的超敏反應(yīng)、由激發(fā)子引發(fā)的氣孔關(guān)閉過(guò)程都顯著減弱,響應(yīng)激發(fā)子刺激而表達(dá)的防御基因無(wú)法正常啟動(dòng)表達(dá),顯示異三聚體G蛋白在煙草防御反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[52].植物細(xì)胞對(duì)于細(xì)菌的鞭毛蛋白能夠做出靈敏的響應(yīng),鞭毛蛋白受體FLS2及其共受體BAK1可以與異三聚體G蛋白及其調(diào)控蛋白R(shí)GS1組成復(fù)雜的受體復(fù)合物,FLS2與鞭毛蛋白flg22結(jié)合后引起B(yǎng)AK1活化、RGS1磷酸化,隨后異三聚體G蛋白被釋放并解離,活化的Gα可以直接作用于細(xì)胞質(zhì)膜上的NADPH氧化酶,刺激產(chǎn)生活性氧爆發(fā)以誘導(dǎo)細(xì)胞的免疫反應(yīng);在此過(guò)程中,Gα,XLG2,AGB1,AGG1和AGG2都參與誘導(dǎo)免疫反應(yīng)[8,53-55].擬南芥中的XLG1,XLG2,XLG3一同參與病原生物釋放的模式分子觸發(fā)的免疫反應(yīng),在XLG1/2/3三重突變體中,由模式分子引發(fā)的MAPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)活化和抗病反應(yīng)顯著弱化[56].也有研究發(fā)現(xiàn),flg22刺激造成的生長(zhǎng)抑制過(guò)程中,Gβ發(fā)揮主要作用,AGB1缺失突變體對(duì)flg22刺激的抵抗力顯著高于野生型[57].在擬南芥應(yīng)對(duì)丁香假單胞菌侵害的過(guò)程中,細(xì)胞內(nèi)的XLG2與Gβ一同發(fā)揮作用,動(dòng)員對(duì)丁香假單胞菌的抵抗力[58].

4.5 參與非生物脅迫適應(yīng)

在植物響應(yīng)低溫、高溫、干旱和鹽脅迫的過(guò)程中,多種異三聚體G蛋白信號(hào)組分參與誘導(dǎo)脅迫耐受性反應(yīng).如前所述,水稻、玉米中的GPCR(COLD1)和甘蔗中的ShGPCR1基因在低溫、干旱、鹽漬和冷脅迫下表達(dá)量增加,促進(jìn)細(xì)胞中抗逆基因的表達(dá),提高植株的脅迫耐受能力[13-15].番茄中Gα基因缺失造成冷脅迫耐受能力下降,由冷脅迫引起的活性氧積累增加,細(xì)胞受害嚴(yán)重;而超表達(dá)Gα的番茄細(xì)胞內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)活力顯著增強(qiáng),對(duì)于低溫的耐受能力顯著增強(qiáng)[59].黃瓜中的一種Gγ(CsGG3.2)可以使超氧化物歧化酶、過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶等活性氧清除酶活性增強(qiáng),減少低溫下活性氧積累和膜脂過(guò)氧化,增強(qiáng)黃瓜對(duì)低溫的耐受能力[60].異三聚體G蛋白也參與響應(yīng)高溫脅迫,水稻Gα(RGA1)缺失突變體對(duì)高溫的耐受能力顯著增強(qiáng),膜脂氧化減少,與糖代謝有關(guān)的酶活性顯著增強(qiáng),體內(nèi)高能物質(zhì)(如ATP)水平顯著增加,顯示在水稻耐受高溫的過(guò)程中,RGA1可能發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用[61].異三聚體G蛋白參與植物對(duì)干旱的響應(yīng),水稻中的RGA1的基因突變之后,植株對(duì)于干旱的適應(yīng)能力顯著加強(qiáng),葉片水勢(shì)提高、葉肉細(xì)胞中脯氨酸含量增加、葉片厚度增加,細(xì)胞內(nèi)活性氧清除酶表達(dá)量增加、活性增強(qiáng),顯示在干旱適應(yīng)過(guò)程中,異三聚體G蛋白發(fā)揮負(fù)調(diào)控作用[62].小麥Gβ的基因缺失突變體干旱脅迫耐受能力下降,Gβ超表達(dá)株系耐旱能力增強(qiáng).干旱和鹽脅迫下Gβ超表達(dá)株系小麥細(xì)胞中SOD活性更強(qiáng),膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA更少,細(xì)胞中脯氨酸積累增加,增強(qiáng)了細(xì)胞對(duì)逆境的耐受能力[63].

水稻、玉米中的Gα缺失突變之后,植株對(duì)鹽脅迫的敏感性降低,由鹽脅迫引起的生長(zhǎng)減緩、細(xì)胞衰老、葉綠素降解、細(xì)胞質(zhì)滲漏等都得到了緩解,而且在突變體中鹽脅迫對(duì)細(xì)胞分裂的抑制作用也顯著減輕.這些結(jié)果顯示Gα參與提高細(xì)胞對(duì)鹽脅迫的敏感性,而降低Gα活性有助于提高植物對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力[64].RALF1與其受體FER結(jié)合后,可以通過(guò)AGB1誘導(dǎo)鹽脅迫耐受反應(yīng),在FER和AGB1缺失突變體中,由鹽脅迫引發(fā)的ROS積累顯著減弱,突變體的鹽脅迫適應(yīng)能力也顯著減弱[65].

最新的一項(xiàng)工作中發(fā)現(xiàn),一種非典型性的Gγ蛋白(AT1)參與作物對(duì)堿的感受和響應(yīng),敲除該基因后谷子、高粱、玉米和水稻對(duì)于堿的耐受能力顯著增強(qiáng).這種Gγ可以作用于水通道蛋白,抑制其磷酸化和對(duì)過(guò)氧化氫的外排,敲除該基因后水通道蛋白磷酸化加強(qiáng)、活性增強(qiáng),能夠更有效地將過(guò)氧化氫排出細(xì)胞,減少其對(duì)細(xì)胞的損害[66].這一發(fā)現(xiàn)為培育耐鹽堿的作物提供了重要的切入點(diǎn).

4.6 參與根瘤形成

豆科植物根瘤的形成對(duì)于其氮素供應(yīng)和生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要.研究發(fā)現(xiàn),大豆中的異三聚體G蛋白對(duì)于根瘤形成至關(guān)重要,異三聚體G蛋白各亞基基因表達(dá)水平與根瘤形成數(shù)量呈正相關(guān)[67].進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)根瘤菌釋放的結(jié)瘤因子與大豆細(xì)胞中的受體NFR1結(jié)合后,可以引起RGS蛋白磷酸化,活化的RGS發(fā)揮GTP酶活性,抑制異三聚體G蛋白活性,使得根瘤得以順利形成[68].共生受體激酶(symbiosis receptor-like kinase,SymRK)可以和NFR1結(jié)合形成復(fù)合體,感受結(jié)瘤因子之后,SymRK將Gα磷酸化,使其無(wú)法與Gβγ二聚體結(jié)合,Gβγ可以獨(dú)立發(fā)揮作用、促進(jìn)根瘤形成[69].苜蓿和豌豆中的Gβ表達(dá)受抑制之后,根瘤形成數(shù)量顯著減少,Gβ可能與磷脂酶C互作并調(diào)控細(xì)胞內(nèi)第二信使的產(chǎn)生,參與調(diào)控根瘤形成[70].

5 展 望

近幾年來(lái),植物異三聚體G蛋白信號(hào)系統(tǒng)組分生理功能及作用機(jī)制的研究取得了令人振奮的進(jìn)展,特別是研究材料從模式植物擬南芥轉(zhuǎn)變?yōu)榕c人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)的農(nóng)作物(如水稻、小麥、大豆、黃瓜、玉米等)后,揭示了異三聚體G蛋白在控制作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量形成、品質(zhì)改善、脅迫耐受性等方面發(fā)揮的作用,為未來(lái)采用遺傳學(xué)手段改良農(nóng)作物奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).今后一段時(shí)間,將現(xiàn)有成果整合起來(lái),通過(guò)遺傳操作手段改變異三聚體G蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)組分表達(dá)水平、活性狀態(tài)、組合方式以及對(duì)靶蛋白的作用強(qiáng)度,并全程跟蹤遺傳背景的變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫抗性的綜合影響,將有望在創(chuàng)制生長(zhǎng)發(fā)育良好、農(nóng)藝性狀出色、環(huán)境適應(yīng)性好的作物品種方面取得新的突破.