乙烯的生物合成及信号传导研究进展

第5卷第2期黄山学院学报Vol.5 ,NO.22003年5月Joumal of Huangshan UniversityJune.2003乙烯的生物合成及信号传导研究进展*张慧冲..(黄山学院生物系,安徽黄山,245021 )[摘要]:本文综述了近几年来有关乙烯生理作用、生物合成、乙烯信号传导和乙烯的反应机制研究的最新进展。[关键词]:乙烯生物合成信号传导途径反 应机制[中图分类号]:Q94- -3 [文献标识码]:A [文章编号]:1672- -447X(2003)02- -0111-03乙烯(Ethylene)是植物体内具有激素效应的最简单分子,的合成速度在不同植物间存在着较大的差异，根据乙烯生成但却对植物生长发育的许多过程如种子萌发幼苗生长、开花量的多少和性质可以划分为微量乙烯和大量乙烯，根据果实结实、成熟和衰老等有广泛而深刻的影响,乙烯参与逆境条件和花卉内乙烯生成与否,把植物分为跃变型和非跃变型两大下植物的胁迫反应,影响到植物体内一系列胁迫反应的开始和类。 到目前为止已报道的跃变型花卉有香石竹、满天星、香豌植物抗性的变化。乙烯参与植物的抗病反应,尤其是转反义乙豆、补血草、金鱼草蝴蝶兰等以兰科、石竹科锦葵科等植物，烯形成酶基因植物的抗病性研究倍受重视。近年来对乙烯的生这类植物的开花和衰老与乙烯关系密切;非跃变型花卉有菊理作用认识生物合成途径的确定、信号传导的可能机制和反花、石刁柏干里红等以百合科、天南星科菊科等植物.此类应机制的研究取得了进展,下面主要对这几个方面作综述。对乙烯不敏1感19.0.2.21.1乙烯的生理作用(Physiological Perception2乙烯的生物合成(Ethylene Biosynthesis )of Ethylene)乙烯的生物合成途径已经确定69.7.7.,以甲硫氨酸为合乙烯在植物生长发育中的作用,实验结果表明,乙烯在植成前体,经s-腺苷甲硫氨酸(SAM)氨基环丙烷羧酸(ACC)而物体内的作用方式它能调节它能调节RNA和蛋白质的合成,.合成乙烯的,整个反应过程顺序由SAM合成酶、ACC合成酶并能够调节细胞质膜的透性11.1。在植物的生长发育过程中，(ACS)和ACC氧化酶(EFE)催化田。SAM 合成酶基因mRNA乙烯能够促进果实的成熟、促进离层的形成和器官的脱落、加水平与乙烯的生物合成没有明显关系,SAM只有部分用于合速植物的衰老、促进次生物质的排泌、参与植物的胁迫反应成ACC产生乙烯,主要还是用于其它生物反应,如提供甲基(如病原侵染、干旱、伤害和水涝等)、使黄化幼苗顶端钩展开、参加甲基化反应，用于多胺生物合成等m。ACC 合成酶和抑制幼苗伸长、促进根的形成,并与植物的性别分化及偏上性ACC氧化酶是乙烯生物合成的关键酶,ACC合成酶催化的反等功能有密切关1系5.10.0.0.0.0.31.当乙烯和生长素同时作用应是乙烯合成的限速步骤,ACC氧化酶则是乙烯形成酶。ACS植物时其效果更为明显。幼嫩果实中的乙烯含量极微,随果实和EFE基因已从许多植物中分离并克隆8]两个酶均由多个的成熟,乙烯合成加速,同时乙烯增加细胞质膜的透性,使呼基因编码,ACS在西红柿中有9个基因，拟南芥有5个基因吸作用加速，引起果肉内有机物的转化，最终达到可食程度(6.3。目前已经从许多植物中分离到了ACS基因的eDNA克(241,乙烯催熟果实已在生产上广泛应用。乙烯最早被人注意的隆D),最早分离到EFE基因克隆是1985年从西红柿中得到的一个作用,当空气中乙烯浓度相当低时,植物的叶片和果实即eDNA克隆(pToml3),但直到1990年才利用反义基因技术鉴可脱落。实际上在自然的脱落过程中也有乙烯的参与,乙烯对定出来(14)。在产生反义RNA的转基因植物中,成熟果实和脱落的效果比脱落酸的效果明显3。用浓度适宜乙烯利处理叶片中的ACC转化为乙烯的过程受到抑制(12.24.21，, 说明植物,达到老叶衰老和脱落的作用,改善植物茎基部通风透光pTom13的表达是西红柿果实表现EFE活性所要求的，进一条件,以及疏花、疏果的效果2.13.步研究表明,pTom13编码的蛋白质催化乙烯形成反应还具一植物内源乙烯的合成速度随植物的生长发育进程会发生定的底物立体专-性，受到抗坏血酸物质促进和Co2*的抑制明显的变化..0.1如兰花属花卉开花后如果没有授粉就可以等特点叫。ACS和EFE基因的表达方式是有差别的。尽管在保护不衰老,但一旦授粉便很快凋谢,研究发现,授粉后花瓣诱导乙烯生物合成过程中ACS和EFE的酶活性都不断地提大量合成乙烯，促进了它的迅速衰老;矮牵牛花只在清晨开高,与乙烯的释放量的增加趋势一致,但两种酶的基因在转录放，,花瓣仅保鲜数小时,到上午9~10点开始萎蔫,至中午12~水平上的变化趋势不同(9 FFF甚田的转录水平与酶活性及1点完全凋谢,其花瓣衰老与乙烯释放量呈正相关。若将开放乙烯产量中国煤化工录水平并不总反映.的花瓣用乙烯处理,能刺激花瓣的衰老131。并且植物内源乙烯在酶活性CNMHG合成达到高峰以后，[收稿日期]:2002-09-10* * [作者简介]:张慧冲(1962 -).男.黄山学院讲师，从事《植物学》理论、 实验的救学和研究.111乙烯的产量会迅速下降，这可能是ACS和EFE活性下降的烯信号传导的初级途径(PrimaryPathway)和次级途径(Sec-结果。但ACS话性下降可能与ACS蛋白质迅速降解有关四.ondary Pathway)。 初级途径为所有乙烯反应共有的STP:例,而EFE活性下降可能是其他因素造成的,如膜的完整性受ETRI→CTR1-→EIN2,这些蛋白分别由ETRI .CTRI、和EIN2到破坏国,其蛋白质还可以继续积累。研究还发现在西红柿中基因的产物，该途径上任何一个基因突变都能千扰影响乙烯存在着编码ACS的基因家族，各成员在转录水平上有差异,的反应。次级途径则是初级途径下游的-系列特殊STP。从初不同条件下可诱导不同基因家族成员的表1.46.2.2.9。这也级途径输出的信号进人不同的次级途径会产生不同的乙烯反是植物调节乙烯的生物合成的方式之- -。应,这可解释乙烯反应的多样性。此外,在番茄中也鉴定出-影响乙烯合成的因素很多，除内部因素外还有许多外部些乙烯反应的突变体,如nor (not ripen) 和rin (ripening in-因素,现已报道的外部因素有:外源乙烯(如乙烯利).生长素.hibitor), nor位点与乙烯信号识别有关,而rin位点则阻断了果细胞分裂素+生长素、Ca**细胞分裂素机械损伤、病原体侵人实成熟时己烯的生物合成田。(后两者与植物胁迫反应有关)，用这些乙烯抑制剂处理跃变4乙烯反应机制(Ethylene Response Mecha-花卉的切花,能抑制乙烯的生物合成或拮抗乙烯作用,延缓切nism)花的衰老进程。表明乙烯的代谢不仅受基因的调节,而受到外乙烯反应是广泛而多样的。乙烯对植物生长发育、成熟和衰老等的影响很可能是通过调控或诱导各有关基因的表达而3乙烯信号传导途径(Ethylene Signal实现的.4.6.0.0.31.乙烯能引起石竹属、兰科等花瓣提前衰Transduction Pathway,STP)老,据认为这是有关基因表达的结5.1.9.9.0.2.9.花瓣中目前乙烯信号传导途径研究的进展主要是通过对拟南芥poly(A+)RNA的体外翻译研究表明,乙烯能引起mRNA群体(Arabidopsis thaliana)的遗传学研究取得的(.3),利用乙烯三的明显变化，而乙烯引起的这些基因表达上的变化与自然衰重反应现象(Triple response)从 拟南芥中分离出了许多乙烯老过程中的变化相似。有人研究了菜豆豆荚脱落区乙烯诱导反应的突变体这些突变型主要有两种类型,-类为组成型乙的蛋白质的积累，乙烯处理可诱导或加速脱落，随着脱落进烯反应突变体(constitutive triple reonse )包括ctl、etol、eto2、程,在脱落区至少有七种蛋白质的积累,加人IAA可抑制脱eto3等突变;另一类为乙烯不敏感型(ethylene insensitive)包落,同时也抑制这些蛋白质的合成。用基因转录抑制剂和蛋白括etrl .em2、ein3、ein4等突变,这样突变对乙烯表现不同程质合成抑制剂可完全抑制了香石竹花瓣对乙烯反应的症状,度的敏感性。在分离突变体过程中,结果获得的几类突变体影结果表明花对乙烯的敏感性可能受蛋白质合成能力影响19.响了植物生物周期中大范围的乙烯作用，表明这些乙烯作用23)。叶片的衰老也如此四。这些结果显示,乙烯诱导衰老脱落拥有一个共同的初始信号传导途径。在这条途径中有证据表等生理变化与乙烯诱导mRNA和蛋白质的变化有关5.2.41。另明ETR1基因编码一个乙烯受体(最初受体),且为一个膜结一个尝试就是分离乙烯诱导的DNA结合因子,这些因子有可合蛋白，与细菌的两组分调节因子(传染蛋白和应答调节蛋能是STP上的成员，乙烯通过它诱导其结合的基因的表达。白)具同源性。另外ETR1基因突变体对乙烯丧失应答能力。Cordes (2)等曾发现在西红柿果实中存在一种DNA结合因双突变体分析表明,ETR1的下游一个基因是CTR1,ETR1和子,它与乙烯诱导基因E8基因的启动子结合,而在成熟果实CTR1都已被克隆,从其编码的氨基酸序列分析看,植物将进中比在末成熟果实更活跃,E8基因编码了一个双加氧酶,与.化上差异明显的两个组分结合进一个单一的STP,这两组分EFE有34%的同源性,但并无合成乙烯的活性。但进一步研一个与原核生物STP的组分密切相关,ETR1蛋白的氨基酸究表明,DNA结合因子结合部位(-936-920区)与E8基因上序列与细菌两组分信号系统的组分密切相关，它包含了维持和乙烯反应有关的启动子区(- 2181-1088区)并不相同。因此His激酶活性所需要的全部保存残基。另一个与真核生物STP认为该 DNA结合因子并不涉及乙烯传导途径。另外乙烯对有有关,CTR1则与哺乳动物的Raf家族类丝氨酸/苏氨酸蛋白关基因表达的调控可以是多层次的。有人研究了四种乙烯诱导激酶有关，表明乙烯的信号传导可反馈进人MAP激酶信号的基因E4、E8.EI7和J49的表达的结果表明.对-些基因,乙流。CTR1代表一个MAPKKK。Sessa等发现一个LAMMER族烯主要影响转录过程9.21,而对另一些基因,乙烯则主要影响激酶也受乙烯的调控，抑制剂试验表明乙烯信号传导还涉及转录和转录后过程。乙烯诱导E8基因的转录是组织特异性，蛋白质磷酸化。从上述这些研究,初步确定在拟南芥植物中存而(-2181-1088区)却没有特异性蛋白质结合。Cordes 等研究在如下STP:乙烯→[ETR1/EIN4}- CTR1-→EIN2-→乙烯反应。E8基因的启动子结构.果实在成熟过程中E8基因的表达与轧其中ETR1和EIN4蛋白可能是乙烯的受体,EIN4可能作用烯反应有关的调节区为-2181-~1088区，序列分析表明,E8基于ETRI之前或者两者具重复功能。另ERS蛋白与ETRI有因上的乙烯反应区与E4基因启动子的乙烯反应区(-193-86很大的氨基酸同源系列，也可能是乙烯受体。ERS 蛋白由区)存在多个短的同源序列。如果把反义E8基因转人番茄中.ERS基因(ETR1同功能基因的分离鉴定在拟南芥中已鉴定会导致乙烯的超量表达,因此E8可能参与乙烯合成的反馈调出与ETRI具有高度类似序列的同另外两个基因中的一种)节图,故乙烯在其合成过程中能进行自我正、负反馈调节9。所编码,它除缺少应答调节区外完全与ETRI同源,反义基因中国煤化工表明ERS在功能上与ETRI有关。乙烯受体是借助中间产物821.2.2.30..为深人研究乙(如金属离子)与乙烯结合,如Ca2*对番茄黄化幼苗的三重反烯在组物rr叫m仇坯促供」上sCH.1.cNMHCn.在乙锦卫物合度乃背台.应的影响与Ca2*调节内涵乙烯合成和乙烯受体基因表达有关已在许多植物上克隆了乙烯生物合成途径上的有关基因。通过田。Chen和Bleecher利用剂量反应分析方法进行乙烯信号传基因工程获得转基因植物可以调控乙烯的生物合成,从而调控导动力学研究,提出拟南芥乙烯信号传导的两阶段模型，即乙植物的成熟衰老过程。如检测含反义基因的番茄时发现叫，方数据EFE酶活性降低到正常的5%以下，果实的生理成熟后长期保拟南芥植物的STP模型,一些基因已被克隆,现又在番茄中持堅硬.仓储-一个月内不软化,不腐烂,花卉则可延缓衰老。乙克隆到一些同源基因序列，相信不久将来对乙烯STP有更全烯在调控植物生长发育特别是成熟衰老过程中具特殊的作用,面深人的了解。这对于解释乙烯的生理功能及作用方式或机对乙烯作用研究已全面进入分子水平,并取得许多进展。制是至关重要的,对于控制植物的衰老进程是特别有意义的,乙烯STP则是近年来乙烯研究热点,目前已初步建立起这也是以后研究工作的重点和方向。[1].Yang SF, Hoffman NE. Ethylene biosynthesis and its regulation in higher plants [J]. Annu Rev, Plant Physiol, 194.35:155- 189[2].Cordes S, Deikman I, Margossian IJ, et al. Interaction of a developmentally regulated DNA binding factor with sites flanking two diferentfruit ripening genes from tomato [J]. Plant ell,1989,:1025- 1034[3].0lson DC, White JA, Edelmen L, et al. Diferential expression of two genes for 1 aminocyclopropane 1 carboxylate synthase in tomato fruits[J]. Proe Nat 1 Acad Sci UA,991.88.5340~ 5344[4 ].Rottmann WH, Peter GF, Oeller P W.. et al. I aminocyclopropane 1 carboxylate synthase in tomato is encoded by a multi gene family whosetranseription is induced during fruit and flord senescence [J]. J Mol Biol,991.222:9379[5].Mc Garvey DI, Sirevag R, hrfofeson RE. Ripening related gene from avoeado fruit. Ethylene inducible expession of the mRNA andpolypeptide [J]. Plant Physi,1992,98:554~ S59[6].Woodson WR, Park KY, Drory A, et al. Expession of ethylene biosynthetic pathway transcripts in senescing canation flowers [J]. PlantPhys.99299:5269- 532[7]Park KY, Drory A, Woodson WR. Molecular cloning of an 1 aminoeyelopropane 1 carboxylate synthase from senescing canation flower petals[J]. Plant Mol Bi0,1992.18:377- 386[]Reck SC, Dson DC, Kende H A eDNA sequence encoding 1 aminocyclopropane 1 carboxylate oxidase from pea UPlant Pysiol1993,.42681- 686[9].Kende H. Ethylene biosynthesis [J]. Annu Rev Plant Physiol. Plant Mol Biol,193,44.283~ 307[10]Bleecker AB. Schaller CE. The mechanism of ethylene perception [J]. Plant Phylo,19,11:653 660[11].Abeles FB, Morgan RW, Salveit ME. Ethylene in plant biology [M ]. San Diego: Academic Pes,1992,120- 220[12].潘瑞炽植物澈素的作用机理[J].植物生理生化进展.1982.1:90~ 102[13].刘道宏植物叶片的衰老[J].植物生理学通讯.1983.2:14~ 19[14].曹晓凤、鲁治滨、朱玉贤等.番茄乙烯合成酶基因的eDNA克隆及全序列测定[J].科学通报.1993.38;20: 1907~ 1910[15]高俊平、叶新民、孙自然等.延缓月季和香石竹囊老的机理[J].艺学进展.1994.4:694~ 689[16]姚泉洪、黄晓敏、刘宗镇.植物乙烯生物合成与抗衰老基因工程[J]上海农业学报.1994.10;2:89~ 96[17].宋艳茹、谢安勇,乙烯生物合成与果实成熟的调节[J]植物学根.1994.36(增刊):1~ 13[18].汤福强、刘愚植物乙烯生物合成研究进展[J].植物生理学通讯.1994:30;1:3~ 10[19]张宪省、闫先熹、马小杰授粉诱导兰花花郜己烯生物合咸基因在转录水平上的表达[J].植物学报.1995.37 ;5:356~ 360[20].张宪省、钟海文、吕程等.授粉诱导蝴蝶兰雌蕊中乙烯合咸和ACC氧化酶基因表达[J].植物学报.1996.38;5:375- 378[21].叶志彪、李汉霞、郯用琏等.反义ACC氧化酶基因的导入对番茄乙烯生成的抑制作用[J].华中农业大学学报.1996.15;4:305~ 309[22].高俊平、张晓红、黄绵佳等.月季切花开花和袁老进程中乙烯变化类型初探[J].园艺学报.1997.24;3:274~ 278[23].姜徵波、Magak s. Halevy AH.香 石竹花瓣对乙烯的敏感性与蛋白质合成[J].植物学报.1997.39;11:991- 997[24].宋俊岐赵春晖贺焰等.控制果实成熟的植物基因工程研究进展[J].生物技术通报.1997.5;8~ 13[25].宋俊岐. .邱并生、王荣等.通过表达ACC脱氨酶基因控制番茄果实的成熟[J].生物工程学报.1998.14; 1:33~ 38[26].刘传银、田颖川.沈全光等.番茄ACC合成酶cDNA克隆及对果实成熟的反义抑制[J].生物工程学报.1998.14;2:139~ 146[27].李明亮.韩一凡、邱德有等.ACC合酶cDNA克隆及其对杨树体内己烯产生的反义抑制[J].林业科学.1998.35;3:10- 16[28].李明亮、韩一凡、李玲等.ACC氧化酶cDNA克隆及其对杨树体内乙烯产生的反义抑制[J].林业科学研究.1999;12;3:223~ 229[29]张宪省、郑成超.SD ONeill与授粉有关的因子调节的乙烯生物合成基因在兰花花器官的表达[J].植物学报1999.4;5:468-471[30].李明亮、韩一凡,乙烯在植物生长发育和抗病反应作用及其生物合成的反义抑制[J].林业科学200.36;4:784[31].许文平、陈昆松、李方等脂氧合酶、莱莉酸和水杨酸对貅猴桃果实后熟软化进程中乙烯生物合成的调控[J].植物生理学报2000.26;6:507~ 514[32].张艳萍、朱本忠、罗云波.钙与植物乙烯反应的关系研究[J].植物学抑2002.44;422-426[33].朱玉贤、李毅,现代分子生物学[M].北京:高等教育出版社.1997[34].潘瑞炽.植物生理学(第四版)[M].北京:高等教育出版社2001Advance of Study in Ethylene Biosynthesis and Signal TransductionZhang Huichong(Department of Biology, Huangshan College中国煤化工Abstract In recent years, great progress has made in the:DYCHCNMHG_one ethylene. Thisrevance focuses on the advances in the molecular biological reorar.. aru. uysui py siological perception,ethylene biosynthesis pathway, ethylene signal transduction pathway and the mechanism of ethylene response.Key word ethylene, biosynthesis, signal transduction, response mechanism113