高级生物化学综述作业

《高级生物化学》综述报告

水杨酸信号转导机制与植物抗逆性研究进展

摘要：水杨酸（salicylic acid，SA）是植物防卫反应的重要内源信号分子，在植物抵御外界胁迫中发挥重要作用。近年来SA信号转导研究取得了较大进展，确定了以NPR1为中心组分的信号转导途径。本文根据植物体内SA对生物和非生物胁迫的应答反应， SA结合蛋白、调控蛋白NPR1与转录因子TGA和 WRKY互作等方面的研究结果，对植物抗逆性的水杨酸信号转导机制做了综述。

关键词：水杨酸，环境胁迫，信号转导，抗病性

水杨酸( salicylic acid，SA)是植物体内普遍存在的一种简单的小分子酚类化合物，化学名称为“邻羟基苯甲酸”，是肉桂酸的衍生物。1874年水杨酸首次被合成。在植物体内SA以游离态和结合态两种形式存在，游离态SA呈结晶状，微溶于水，易溶于极性有机溶剂(如乙醇)，饱和水溶液的pH值为2.4；当301 nm 波长的光激发SA时，会发出波长为412 nm的荧光，利用这一特性可以检测出植物体内水杨酸的含量[1]。结合态SA是由SA与糖苷、糖脂、甲基或氨基酸等结合形成的水杨酸-葡萄糖苷等复合物[2]。乙酰水杨酸(ASA)和水杨酸甲酯(MeSA)是SA的衍生物，在植物体内很容易转化为SA发挥作用。

20世纪60代后，人们开始发现SA在植物中具有重要的生理作用。陆续的研究表明，SA是重要的能够激活植物过敏反应(HR)和系统获得性抗性(SAR)的内源信号分子[3]。目前，对SA 在植物体内生理作用的研究热点集中在它的抗逆性和信号转导方面[4]。SA与植物抗胁迫的关系一直是研究的热点，已经明确SA可作为植物抗病反应所需的信号分子来激活植物防御保护机制，在植物信号传导和抗逆反应中起着关键作用。

1、水杨酸对生物胁迫的应答反应

植物抵御病原菌侵染的主要机理是过敏反应( hypersensitive reaction，HR)、局部获得抗病性(1ocal acquired resistance，LAR)和系统获得抗病性(systematic acquired resistance，SAR)。植物在接受到病原菌这一原初信号之后，首先合成SA，并被侵染点的细胞受体接受，引起浸染叶片的HR，并使植物获得，SA由侵染叶片运输到非侵染叶片，使植株获得SAR。对于诱导SAR的可转移的信号分子是SA，还是其它某种未知分子，存在相反的看法。一种观点是病原侵染植

物后，侵染部位迅速合成SA，并通过维管组织向外运输到非侵染部位，诱导产生SAR[5]，相反的观点是诱导SAR的可转移的信号分子不是SA，而是另外的信号分子，这些分子由侵染部位运到非侵染部位，在SA的参与下诱导SAR。

2、水杨酸对非生物胁迫的应答反应

植物在较温和的高温条件下，会在体内发生一系列的代谢变化，这些变化的结果使植物增加了对高温的抗性，即高温锻炼，但是植物是如何感受高温信号的，目前仍不清楚。有人认为高温信号是通过氧化胁迫信号而被识别的[6]。植物在接受高温信号之后，首先在植物体内转化为激素信号SA，完成对环境信号的识别。下一步则为SA信号分子在组织或细胞间的运输，黄丽华[7]等用SA对铜胁迫下的玉米种子进行处理，从玉米幼苗的形态特征，如主根长须根多、叶子变绿、植株比对照组(只有铜胁迫)长得健壮等能明显看出SA对植物铜胁迫的缓解作用。孙立荣[8]等以小麦幼苗为材料，在铜胁迫下用SA处理，可诱导SOD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)产生，以消耗植物体内ROS使其维持在较低水平。植物在臭氧胁迫、紫外辐射及低温锻炼[9]过程中，植物体内SA水平也会升高，而且外施SA可提高植物的抗旱性、抗盐性、抗寒性及抗重金属胁迫。这些研究表明SA不仅能诱导若干种植物对生物胁迫产生广谱而持久的抗性，而且能诱导植物对非生物胁迫产生抗性，提示SA可能在诱导植物交叉保护反应中占有一定的地位。

3、水杨酸的信号转导途径

近年来SA信号转导途径研究取得较大进展，SA信号转导途径的轮廓已经形成。SA 首先与SA结合蛋白(SABP) 结合[10]。“SA-SABP”复合体将信息传递给胞内第二信使如H2O2等。信号通过自我反馈机制放大后在胞内转导引发过敏反应，同时引起胞内氧化还原态改变[11]激活NPR1，TGA和WRKR等转录因子的活化与互作，最终诱导PR基因表达及系统获得性抗性的产生。

3.1 S A 结合蛋白

Klessig研究组用[3H] 和[14C]标记SA，通过液相色谱从烟草中分离纯化得到了3种与SA亲和力很强的可溶性S A结合蛋白(SA-binding protein，SABP )，分别是SABP，SABP2，SABP3 [12-14]。SABP具有过氧化氢酶活性，SABP2位于细胞膜上，具有抗坏血酸氧化酶(APX)和水杨酸甲酯酶活性，在距离被染部位较远的组织中

也能够有效的结合SA。SABP3是从烟草叶绿体基质中分离纯化的与烟草叶绿体碳酸酐酶(CA)类似还可能以其抗氧化剂功能在过敏反应中起作用。其中SABP2和SA结合的亲和度( Kd=90nM) 大于其它SABP(Kd=3.7～14μM)，SA存在时SABP2的酶活性提高，而SABP2沉默时则造成SAR受抑制，暗示SABP2可能是植物防卫反应中SA的受体[15]。亲和力较低的SABP过氧化氢酶和过氧化物酶是抗氧化剂，SA可以抑制它们的活性，造成H202的积累，而H202及活性氧(ROS) 的积累对防卫反应基因的激活起着第二信使作用。用SA类似物3-羟基苯甲酸处理植物既不诱导H202水平的提高，也不诱导病程相关蛋白(pathogenesisi-related proteins，PR)基因PR-1 的表达，说明过氧化氢酶和过氧化物酶可能是SA信号分子的受体[16]。

3.4 SA与Ca2+ 信使系统

在抗病反应上，Kawano[17]等报道，SA处理后，烟草悬浮细胞内臭氧自由基水平迅速上升，随后胞内Ca2+水平升高，表明SA的信号转导很可能通过Ca2+信使系统[18]。另外，Ca2+也可能参与SA介导的PR基因激活：不加Ca2+的SA处理的烟草悬浮细胞未能诱导酸性几丁质酶的表达；而加入Ca2+后，可以诱导此酶的表达；同时Ca2+通道抑制剂—钌红也抑制了SA诱导的PR-1基因的表达[19]。其他如接触刺激、风、热激、冷激、盐胁迫、UV、病原物及ABA和生长素等都能诱导胞质Ca2+ 水平发生显著变化，因此推测胁迫诱导胞质Ca2+水平变化是防卫反应信号转导途径的最初事件。

3.5 蛋白质的可逆磷酸化反应与SA诱导的抗逆反应过程

在SA诱导的SAR信号转导途径中，至少有两类磷酸蛋白质参与SAR信号转导，一类位于SA作用位置的下游，另一类在SA作用位置的上游，可能调控SA 信号分子的合成和生物学功能。现已发现H202可作为信使开启膜上Ca2+通道，或通过促进胞内Ca2+贮体的释放，使胞内Ca2+浓度上升，诱发蛋白质的磷酸化与去磷酸化反应，从而启动一系列生理生化反应的发生[20]。Mikolajczyk[21]报道，植物在渗透胁迫下，SA诱导的蛋白激酶活性迅速升高。业已证明，SA诱导的PR-1基因的表达需蛋白质磷酸化和去磷酸化反应的参与，一种SA诱导的分子量为48 kD的蛋白激酶(SIPK)在烟草悬浮细胞中得到分离，它是烟草细胞促分裂原活化蛋白(MAP) 家庭中的一员[22]。

4、结束语

植物的SA抗病信号传递途径是一个复杂的网络，目前已经证明许多生物和非生物诱导因子都能激发SA合成，激活防卫反应基因表达，增强植物对病害的抗性。虽然研究者已在SA抗病和环境胁迫方面做了大量工作，但还远未达到揭示其抗病和环境胁迫的机理[23]。如SA具有逆境锻炼功能，但需进一步研究其与逆境锻炼在细胞代谢方面(光合作用、呼吸作用等)的异同；SA诱导的逆境蛋白的分离鉴定及结构分析；SA 抗环境胁迫信号转导途径组分(受体蛋白、激酶、调节蛋白等)的鉴定，抗环境胁迫信号转导途径与抗病反应信号转导途径的异同，等等。深入揭示SA抗病信号传递机制，对将来农作物抗病基因工程改良，选育具有广谱抗病的新品种等将产生深远的影响。

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