糖與激素關系學生：唐瑭

導師：梁建生

.02.28糖和激素的關系第1頁

糖作為信號分子在微生物中已經(jīng)被廣泛了解,最近又在動物和植物中被發(fā)覺。糖在植物中功效不但是營養(yǎng)物質(zhì)還是影響許多與最主要過程相關各種基因表示信號化合物。這些基因包含編碼與種子萌發(fā)、生根發(fā)芽、抽葉開花和老化等相關蛋白基因。葡萄糖以及其它糖類調(diào)控基因表示表明這些營養(yǎng)分子還起著激素作用。

Preface：糖和激素的關系第2頁

糖還調(diào)整在植物生長和發(fā)育中也被激素控制許多主要過程。擬南芥糖信號突變體描述從相反方向說明糖對兩種植物應激激素－脫落酸、乙烯響應路徑已經(jīng)形成了一個信號網(wǎng)絡。當前分子學分析已經(jīng)直接證實,葡萄糖能夠控制abscisic酸生物合成基因、ABA信號基因和抑制乙烯在種子發(fā)育期間光下作生長信號部份基因表示。本文正是從這幾方面說明糖和激素信號路徑之間有復雜廣泛聯(lián)絡。糖和激素的關系第3頁Sugar-signallingmutantsrevealthehormoneconnections糖和激素的關系第4頁對擬南芥糖信號突變體遺傳學和分子學分析發(fā)覺糖和激素之間存在緊密聯(lián)絡。這些突變體除了能改變糖響應，它們表型還和ABA、乙烯生物合成突變體以及ABA、乙烯信號突變體表型相同幻燈片7。比如，小葉，葉色暗綠gin1突變體與組成型乙烯突變體（野生型植株用葡萄糖處理再用乙烯前體ACC處理）。令人詫異是ctr1突變株在沒有外源葡萄糖加入時葉子比野生型致密得多，這是因為ctr1突變株植物細胞較小，因而其葉子、花序和根系統(tǒng)比野生型致密幻燈片8。還發(fā)覺糖不敏感突變體gin1、gin5能誘導種子休眠，它野生型表型正是ABA缺點性突變體特征。這些發(fā)覺說明糖和ABA,糖和乙烯信號路徑之間存在遺傳學聯(lián)絡。糖和激素的關系第5頁Fig.1.Arabidopsisglucose-insensitive(gin)mutants.Seedlingsweregrownon6%glucose–MurashigeandSkoog(MS)mediumfor4–5daysunderconstantlight.(a)Wildtype(WT).(b)Theglucoseinsensitivephenotypecanbemimickedbytreatmentwiththeethyleneprecursor1-aminocyclopropane-1-carboxylate(ACC).(c)Abscisicacid-deficientgin1(aba2)and(d)constitutiveethylene-signallinggin4(ctr1)mutantsdisplayasimilarglucose-insensitivephenotypeexceptforrootelongation.(e)Endogenousabscisicacidisrequiredfortheglucose-oversensitivephenotypeoftheethylene-insensitivemutantein2because(f)thegin1ein2doublemutantexhibitstheglucose-insensitivephenotype.糖和激素的關系第6頁Abbreviations:ABA,abscisicacid;bZIP,basicleucinezipperdomain;CPR5,constitutiveexpresserofPR;HXK1,hexokinase1;MCSU,mocosulfurase;SDR,short-chaindehydrogenase/reductase;SnRK,SNF1-relatedproteinkinase;ZEP1,zeaxanthinepoxidase.Mutantnames:aba,ABAdeficient;abi,ABAinsensitive;ein,ethyleneinsensitive;insensitive;sun,sucroseuncoupled.Genenamesandalternativeproteinnamesarelisted.糖和激素的關系第7頁Fig.2.Growthretardationofginmutants.(a)Wildtype(WT),(b)abscisicacid-deficientgin1(aba2),(c)constitutiveethylene-signallinggin4(ctr1),(d)ethyleneinsensitiveein2,(e)gin1ein2doublemutant.Intheabsenceofexogenousglucose,differentginmutantsexhibitgrowthretardation.Theremightbeasignallingnetworkconnectingendogenousglucose,abscisicacidandethylenesignals.(b)Theanalysisofthegin1(aba2)mutantrevealsthecrucialroleofabscisicacidasa糖和激素的關系第8頁GlucosecontrolsABAbiosynthesisgenes糖和激素的關系第9頁

脫落酸是一個能引發(fā)芽休眠、葉子脫落和抑制生長等生理作用植物激素。ABA是以異戊二烯為基本單位倍半萜羧酸，分子式為C15H20O4，分子量為264.3。ChemicalstructureofthenaturalhormoneS-(+)-abscisicacid糖和激素的關系第10頁脫落酸生物合成路徑主要有兩條：1.類萜路徑脫落酸合成是由甲瓦龍酸經(jīng)過法呢基焦磷酸，再經(jīng)過一些未明過程而形成脫落酸。此路徑亦稱為ABA合成直接路徑。2.類胡蘿卜素路徑脫落酸碳骨架與一些類胡蘿卜素末端部分相同。塔勒等將類胡蘿卜素暴露在光下，會產(chǎn)生生長抑制物。以后發(fā)覺紫黃質(zhì)在光下產(chǎn)生抑制劑是2－順式黃質(zhì)醛并快速代謝成為脫落酸。由類胡蘿卜素氧化分解生成ABA路徑亦稱為ABA合成間接路徑。通常認為在高等植物中，主要以間接路徑幻燈片11合成ABA。糖和激素的關系第11頁ABAbiosynthesis

violaxanthin：紫黃質(zhì)neoxanthin：新黃質(zhì)dioxygenase：加雙氧酶xanthoxin：黃氧素糖和激素的關系第12頁生物化學分析發(fā)覺了幾個糖信號突變體（gin1,gin5,isi4,sis4）比野生型含有更低水平內(nèi)源ABA，原先分離得到ABA缺點突變體aba1,aba2,aba3都表現(xiàn)一個葡萄糖不敏感表型，而且外源加入生理濃度為100nmABA之后它們又能恢復糖敏感表型，這深入證實ABA含量水平和糖不敏感表型之間含有緊密關系。也發(fā)覺高濃度葡萄糖存在時發(fā)育不良種子中含有高水平ABA。最近，一些參加ABA生物合成基因（ABA1，ABA2，ABA3，NCED3，AAO3）分子克隆揭示了在糖感知過程中ABA作用以及ABA積累調(diào)整機制。發(fā)覺葡萄糖能提升幾個ABA生物合成基因轉(zhuǎn)錄水平。普通低濃度（2%）幻燈片17葡萄糖會產(chǎn)生這種誘導作用，且提升糖濃度并不能加強這種誘導作用。糖和激素的關系第13頁GlucosecontrolsABAsignallinggenes糖和激素的關系第14頁正如表1所表示,幾個糖突變體（gin6,isi3,sis5,sun6)和ABA反應性突變體abi4含有相同基因,利用外源ABA濃度對植株生長影響判定出abi4突變體(加入3μM外源ABA后，野生型表現(xiàn)為抑制種子萌發(fā)和幼苗發(fā)育,abi4突變體依然能萌發(fā))。ABI4與ABI3、ABI5一起編碼AP2家族轉(zhuǎn)錄因子(AP2對種子萌發(fā)和發(fā)育起主要作用)。在ABA單獨存在時ABI4幾乎不表示，加入6%葡萄糖后ABI4表示被激活。它響應葡萄糖調(diào)整DNA序列可能位于編碼序列下游2kb位置,在此插入T－DNA就可解除葡萄糖誘導作用,即使葡萄糖、ABA都能調(diào)整ABA生物合成基因和ABA信號基因表示,但只有高濃度葡萄糖能調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子。糖和激素的關系第15頁除了abi4，abi5突變體也含有葡萄糖不敏感表型，編碼轉(zhuǎn)錄因子屬于一個亮氨酸拉鏈基因家族，ABI5不但被葡萄糖誘導還能夠被ABA、甘露醇誘導。另外，ABI3表示也能被6%幻燈片17葡萄糖激活只是比ABI4，ABI5表示水平低。糖和激素的關系第16頁

AtHXK1ABA1AAO3

0%2%6%0%2%6%

Colgin1-3

GIN1rRNAGH0%2%6%GH2%4%6%GH0%2%6%GH0%2%6%

Colgin1-3Wsgin1-1UBQABI3ABI2PDF1.20%2%6%0%2%6%Colgin1-3

GlucoseControlofABA&ABIGenes

糖和激素的關系第17頁GlucoseandABAingrowthpromotionandinhibition

糖和激素的關系第18頁ABA通常在植物對各種環(huán)境因子如干旱、高滲、嚴寒、機械傷害等應答過程中起主要作用，所以ABA被稱為應激激素。普通認為是抑制植物生長發(fā)育。柏新村和Kato等研究發(fā)覺，水稻籽粒重量大和灌漿強度強籽粒比籽粒重量輕或灌漿強度弱籽粒含有較高內(nèi)源ABA水平，從而指出內(nèi)源ABA對籽粒灌漿有促進作用。外源ABA對籽粒灌漿或粒重形成調(diào)整作用正負效應取決于ABA施用濃度和時間。而且，ABA對粒重形成促進或抑制作用，主要是經(jīng)過增加或降低弱勢粒胚乳細胞數(shù)而實現(xiàn)。不一樣時間、不一樣濃度ABA對胚乳細胞分裂不一樣生理效應，除了與激素性質(zhì)（低濃度促進，高濃度抑制）相關外，還與激素作用時間相關。糖和激素的關系第19頁1979年，Minocha首先提出ABA能夠依賴于生長素而刺激細胞分裂。Trewavas等研究發(fā)覺,ABA對組織或細胞分裂促進作用，僅表現(xiàn)在該組織或細胞正處于分生組織階段，在胚或胚乳發(fā)育中后期，ABA對細胞分裂表現(xiàn)為抑制作用還有一些研究發(fā)覺，IAA能夠促進根中ABA響應而乙烯在種子萌發(fā)時抑制ABA信號。所以，葡萄糖對ABA生物合成和信號調(diào)整路徑也會與生長素、乙烯感應過程有聯(lián)絡。糖和激素的關系第20頁ABA抑制胚根形成（種子萌發(fā)）糖能阻抑ABA抑制作用糖和激素的關系第21頁糖和激素的關系第22頁Conclusionsandperspectives糖和激素的關系第23頁

擬南芥糖信號突變體遺傳和表型分析已經(jīng)說明在糖和激素信號路徑之間含有復雜、廣泛交互作用。過去一直認為復雜植物調(diào)整過程是一個簡單線性轉(zhuǎn)導路徑觀點已經(jīng)改變，糖和激素信號路徑之間錯綜復雜交互作用就是最好例子幻燈片21，原先認為在某一特定信號路徑中獨立存在各種調(diào)整因子已經(jīng)被發(fā)覺與其它路徑也相互聯(lián)絡而形成一個交互作用節(jié)點，這有利于植物對周圍物理化學環(huán)境作出靈敏響應。一些轉(zhuǎn)錄因子比如ABI4和ABI5能夠作為這么節(jié)點從多條信號路徑中接收信號并產(chǎn)生綜合響應。糖和激素的關系第24頁糖和激素的關系第25頁

伴隨分子探針技術在基因研究上不停發(fā)展應用，將會發(fā)覺更直接詳細糖和激素互作分子學聯(lián)絡。近10年來,植物信號轉(zhuǎn)導中取得突變體方法和分子克隆方法在信號研究中已得到成功應用。突變體已成為分析植物信號感知路徑及生理功效主要工具。另外,人們也已廣泛利用基因反義表示技術,研究編碼信號分子基因確實切功效。作為復雜植物信號網(wǎng)絡一部分,糖信號系統(tǒng)及其它信號系統(tǒng)(如激素和氮信號等)對話機制及其在調(diào)控植物體整個生命進程作用也急待研究,對其探索將是艱巨。糖和激素的關系第26頁References：1.Rolland,F.etal.()Glucose-sensingmechanismsineukaryoticcells.TrendsBiochem.Sci.26,310–3172.Koch,K.E.(1996)Carbohydratemodulatedgeneexpressioninplants.Annu.Rev.PlantPhysiol.PlantMol.Biol.47,509–5403Roitsch,T.(1999)Source-sinkregulationbysugarandstress.Curr.Opin.PlantBiol.2198–2064.Sheen,J.etal.(1999)Sugarsassignalingmolecules.Curr.Opin.PlantBiol.2,410-4185.Wobus,U.andWeber,H.(1999)Sugarsassignalmoleculesinplantseeddevelopment.Biol.Chem.380,937–9446.Smeekens,S.()Sugar-inducedsignaltransductioninplants.Annu.Rev.PlantPhysiol.PlantMol.Biol.51,49–817.Xiao,W.etal.()Theroleofhexokinaseinplantsugarsignaltransductionandgrowthanddevelopment.PlantMol.Biol.44,451–4618.Coruzzi,G.M.andZhou,L.()Carbonandnitrogensensingandsignalinginplants:emerging‘matrixeffects’.Curr.Opin.PlantBiol.4,247–253糖和激素的關系第27頁9.Ohto,M.etal.()EffectsofsugaronvegetativedevelopmentandfloraltransitioninArabidopsis.PlantPhysiol.127,252–26110.Jang,J.C.etal.(1997)Hexokinaseasasugarsensorinhigherplants.PlantCell9,5–1911.Nemeth,K.etal.(1998)PleiotropiccontrolofglucoseandhormoneresponsesbyPRL1,anuclearWDprotein,inArabidopsis.GenesDev.12,3059–307312.Zhou,L.etal.(1998)GlucoseandethylenesignaltransductioncrosstalkrevealedbyanArabidopsisglucose-insensitivemutant.Pro