植物与病原（细菌、真菌、病毒）在进化过程中形成了复杂的互作关系。病原侵染植物时，植物会识别或感应病原物或病原激发子，启动抗病反应，抵御病原菌的进一步侵染。植物抗病反应表现为寄主植物在病原侵染部位的少数细胞迅速死亡，产生局部获得抗性，从而限制病原扩散并进一步激发周围细胞及整株植物对病原的抗性。这一过程涉及许多信号分子的参与，并且存在一个复杂的信号转导网络。GTP结合蛋白（G蛋白）作为细胞内信号转导网络中的重要组分，参与多种生命活动的调控。本文着重综述近年来植物G蛋白参与调控植物防卫反应方面的研究进展。

1 植物G蛋白的种类和特性

G蛋白是普遍存在于真核生物细胞中的一个GTP结合蛋白家族。根据其亚基组成及分子量大小，可将参与细胞信号转导的G蛋白分为异三聚体G蛋白和小G蛋白。异三聚体G蛋白由α、β和γ三种亚基构成；α亚基相对分子质量一般为3.5×10⁴～4.5×10⁴，少数可达6.6×10⁴～7.4×10⁴；β亚基相对分子质量为3.5×10⁴～3.6×10⁴；γ亚基相对分子质量为8.0×10³～1.0×10⁴。小G蛋白是单体鸟苷酸结合蛋白，由一条多肽链构成，分子量较小，一般为20～30 kDa。根据在细胞中功能不同，小G蛋白可分为5个亚家族，包括Ras、Rho、Rad、Arf和Ran。Ras家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分化过程，Rho家族调控肌动蛋白重组过程和参与MAP激酶的细胞信号转导，Rad和Arf家族在膜转运过程中起着不同的重要作用，而Ran家族在核孔位置调节着蛋白和RNA分子的运输过程。

迄今的研究表明，人类基因组中存在17个Gα基因，编码23个Gα亚基蛋白，存在至少5个Gβ基因和12个Gγ基因。同时人类基因组中存在着至少800个编码G蛋白偶联受体（GPCRs）的基因。与从动物细胞中克隆到上百个Gα基因相比，植物中发现编码G蛋白基因的数目非常有限。自从1990年首先从拟南芥中分离到一个Gα基因（GPA1）以来，已从10多种植物中克隆到Gα基因，然而，每一个物种只鉴定到一个Gα单基因，只有大豆、豌豆和烟草中存在着2个Gα基因。此外，从玉米和拟南芥细胞中克隆到的两个基因（ZGB1、AGB1）与动物Gβ基因具有较高同源性，并且具有WD-40结构，被认定是植物细胞中的Gβ基因。最近两个Gγ基因也从拟南芥细胞中分离得到。虽然植物G蛋白和动物G蛋白的同源性较低，但是植物G蛋白中α/β界面和β/γ界面的氨基酸残基与动物细胞中的相比是高度保守的，并且高度保守的氨基酸残基也存在于植物G蛋白α亚基的“开关”区和核苷酸结合基序中，据此认为植物体中的α、β、γ3个亚基也可能组成异源异三聚体G蛋白。

植物细胞中同样发现与动物细胞中同源的小G蛋白家族的存在，包括Rad、Arf、Ran、Rho，但迄今尚未找到与动物Ras有较高同源性小G蛋白。自从1993年第一次从豌豆中发现Rho相关的GTPase以来，人们先后在17种植物中发现352种与Rho相关的GTPase。虽然它们也是由Rho家族保守的亚家族Rho、Rac和Cdc42 GTPase演化而来，但是植物Rho GTPase不同于真菌和动物的Rho GTPase，它属于一种特殊的ROP（Rho-related GTPase from plants，Rop GTPase）。研究发现拟南芥中含有11种，玉米中含有9种，水稻中含有7种Rop GTPase。然而在美丽线虫中只发现4种，人类只有3种Rac基因，说明ROP GTPase在植物中分布较为广泛，并且种类繁多。考虑到异三聚体G蛋白、Rop GTPase和Ras蛋白在动植物中分布的悬殊差别，人们推测植物体的信号转导途径可能与动物的信号转导途径有较大的不同，并且Rop GTPase有可能在其中扮演着独特的角色。

植物Gα含有以下功能位点：5个GTP结合位点，1个GTPase活性位点；2个ADP-核糖基化位点；1个质膜受体识别与结合位点；1个胞内效应器结合位点。在天然状态下，β和γ亚基紧密结合在一起形成二聚体。在细胞处于静息态时，Gα上结合GDP，并与Gβγ共同构成一个复合体。当位于膜表面GPCR与配基结合后，受体被活化并催化Gα上的GDP解离，Gα因而活化并调节胞内效应器如腺苷酸环化酶、离子通道等活性，并由后者导致一系列下游事件。同时，由于Gα本身具有内在的GTPase活性，水解GTP为GDP，使Gα变为非活化态，与Gβγ再次结合而失活。可以发现G蛋白内在GTPase活性将GTP水解为GDP是终止信号的关键步骤。最近，Chen等发现一个G蛋白信号转导调节子（regulator of G protein signaling，RGS）参与G蛋白信号终止的调节。

植物小G蛋白超家族各成员之间有一些相同的结构特征，如它们都含有4个鸟苷酸结合区和1个效应区。小G蛋白对上下游的调节机制和异三聚体G蛋白不同。质膜上的鸟苷酸交换因子（guanine nucleotide exchange factor，GEF）通过GDP/GTP的交换反应，将结合GDP的非活性状态的小G蛋白转化为结合GTP的活化状态。结合了GTP的小G蛋白通过其上游的效应器结合位点与下游的1个或多个特异的效应器蛋白相互作用。这种活化的GTP表现出固有的微弱的GTPase活性，需要在GTPase激活蛋白（GTPase activated protein，GAP）的作用下才能有效地将GTP水解掉，从而恢复小G蛋白的静息状态。此外，大多数小G蛋白都有2种存在方式，一种是与质膜偶联，另一种是在胞质中游离。只有和质膜偶联的GTPase才能被GEF激活。在胞质中存在一种鸟苷酸解离抑制因子（guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI），在它的负调控下，小G蛋白才能与膜解离。这些小G蛋白复合体的调节方式和生理作用在所有有机体包括植物中保守存在。

植物中还有另外一类G蛋白，称为“超大G蛋白”（extra large G protein，XLGs）。在拟南芥中鉴定到3个、在水稻中鉴定出4个XLG基因。这些XLG基因编码的蛋白是通常多细胞生物G蛋白的两倍大，其C端与植物G蛋白GPA1的同源性约50%，其N端富含色氨酸，且含有核定位位点。生化分析表明，拟南芥XLG1是一种GTP结合蛋白。然而目前尚未有关于XLG能和常规Gβγ发生相互作用的证据，因此，对植物XLGs的功能研究有待深入。

2 植物G蛋白对植物防卫反应的调节功能

按照细胞信号学说，环境信号主要为位于细胞表面的受体所接受，然后通过跨膜信号转导将细胞信号转变为胞内信使，通过胞内信号传递引起胞内生理生化反应和遗传性状的表达。研究表明，植物异三聚体G蛋白负责将质膜表面受体（GPCR）和质膜内侧的效应器（effectors）偶联起来，在细胞跨膜信号传导中发挥着重要的作用，调控许多细胞反应过程，如植物对激素、干旱和病原物的反应，离子通道，细胞分裂，极性生长和光反应等。同时植物小G蛋白Rop GTPase作为一种信号蛋白，以单体方式直接或间接地参与细胞形态建成、细胞极性的形成、细胞凋亡、活性氧产生、细胞分化和激素反应等多种生命活动的调节作用。

2.1 植物异三聚体G蛋白的调节功能

用霍乱毒素（cholera toxic，CTX）（一种G蛋白激活剂）处理柠檬幼苗，即使在未接种链格孢菌（Alternaria alternata）条件下，苯丙氨酸解氨酶（PAL）基因同样被诱导表达；用CTX和另一种蛋白激活剂mastoparan处理柠檬幼苗也观察到scoparone的从头合成，表明G蛋白参与柠檬幼苗对链格孢菌的超敏反应。早期的生化药理学试验也表明植物异三聚体G蛋白可能参与植物真菌病原反应的调控。

Suharsono等利用水稻Gα基因启动子与GUS结构基因构成嵌合基因导入水稻叶肉细胞中，发现接种无毒稻瘟病菌24h后在感染部位检测到GUS活性，但当接种亲和小种时检测不到GUS活性。接种无毒稻瘟病菌后Gα的mRNA积累量提高，同时叶片产生超敏（HR）反应。从稻瘟病菌细胞膜中提取的鞘脂类激发子（sphingolipid elicitor，SE）也可以导致类似的反应。水稻矮生突变体dwarf1（d1）是由亚硝基脲诱变产生，其体内编码Gα的基因发生了突变，失去了其正常的功能。对水稻d1突变体的分析表明，接种无毒的稻瘟病菌（Magnophorthe grisea）生理小种TH67-22（小种031）后，d1突变体叶片中病程相关蛋白基因的表达与对照相比推迟24h，d1突变体对水稻稻瘟病菌的抗性显著降低。由鞘脂类激发子SE诱导的H₂O₂的产生和PR基因的表达在d1突变体悬浮培养体系中被强烈抑制。蛋白质组学分析表明，d1突变体受病原菌和激发子诱导后检测不到水稻抗病蛋白PBZ1的产生。有丝分裂原蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）是诱导植物防卫基因表达的重要上游组分。水稻OsMAPK6参与病原菌诱导的PAL编码基因的表达。在水稻d1突变体和利用RNAi使OsRac1沉默的转基因系中，OsMAPK6的蛋白水平下降，但其mRNA水平未受影响，表明G蛋白和小G蛋白对MAPK的调节是翻译后修饰。另有证据显示，OsRac1能够和MAPK相互作用，说明G蛋白和小G蛋白有可能是通过MAPK对植物的抗病反应进行调控的。Liorente等研究发现，三个拟南芥Gβ基因突变体elk2、elk5和elk4（agb-1）对真菌病原菌Plectosphaerella cucumerina的抗性降低，同时拟南芥Gα基因失活的突变体对该病原菌的敏感性提高。拟南芥agb-1突变体对P. cucumerina的抗性降低可能是由于侵染位点附近的葡聚糖胼胝质的积累受阻从而使病原菌能够成功侵染植物。这些结果从分子水平上说明了植物异三聚体G蛋白可能参与植物的抗病反应。

2.2 植物小G蛋白的调节功能

在嗜中性粒细胞中，人们发现NADPH氧化酶复合物的组装及其活性的表达，都要求Rac蛋白定位到质膜上。Rac1和Rac2蛋白通过调节NADPH氧化酶的表达水平来控制活性氧的产生。已证实在烟草细胞中，植物小G蛋白可与NADPH氧化酶复合物的一个成分发生免疫反应。用转水稻小G蛋白OsRac1基因的水稻为材料研究表明，转OsRac1组成型活性基因的水稻可产生大量的活性氧，产生HR样反应，植保素的合成和抗性相关基因的表达量增加，对稻瘟病、枯萎病的抗病能力有所增强。同时，组成型活性OsRac1诱导的活性氧生成可被NADPH氧化酶抑制剂DPI（diphenylene iodonium）所抑制。相似的结果在过表达棉花GhRac13或人Rac1的拟南芥或蚕豆悬浮培养体系也存在。转水稻OsRac1显性负突变体的产生抑制了转基因水稻悬浮培养细胞受病原激发子诱导的活性氧产生，也抑制植物受无毒生理小种诱导的HR反应。另外，将苜蓿MsRac1基因的反义载体转入烟草后，烟草在激发子的诱导下并不产生相应的抗病反应。Moeder等在含抗性基因N的烟草中超表达水稻OsRac1的显性负突变形式，发现接种烟草花叶病毒后转基因植株形成的致死斑较野生型对照较小，同时积累较少的脂类过氧化物，并且不能激发抗氧化基因的表达。这些负性效应可被瞬时超表达野生型OsRac1逆转。这些结果说明，植物小G蛋白可能是植物抗病途径中的一员。结合在膜上的小G蛋白首先活化磷酸脂酶，其后在胞内蛋白激酶被活化以及胞外Ca²⁺进入胞内的条件下，增加NADPH氧化酶活性，使质膜释放出H₂O₂等活性氧。活性氧一方面能直接攻击病原物，高浓度的H₂O₂可使细胞死亡，引发植物过敏反应；另一方面H₂O₂作为植物抗逆反应的二级信使将引起植物产生一系列抗逆反应。

还有研究表明，植物小G蛋白可能通过调控胞内肌动蛋白纤丝的极性化聚积和重组参与植物的抗病反应。通过比较对白粉病菌Blumeria graminis f. sp. hordei（Bgh）敏感和抗性的大麦Mlo基因型和mlo5突变基因型接种Bgh后胞内肌动蛋白动态变化发现，抗性品种中胞内肌动蛋白纤丝向病菌侵染位点极性化聚积，而敏感品种中病菌侵染位点周围只有微弱的肌动蛋白重组。抗性越强，肌动蛋白的极性化聚积程度越高。如果在单个细胞中超表达组成型活性的RAC/ROP-G蛋白，CA RACB，可以部分抑制受Bgh诱导的肌动蛋白重组，若敲除RACB可以明显促进肌动蛋白的极性化聚积。结果表明小G蛋白参与大麦与Bgh互作中肌动蛋白重组和细胞极性的调控，并且可能负调控大麦对白粉病的抗性。

2.3 植物异三聚体G蛋白和小G蛋白在植物抗病反应信号转导途径中的相互关系

生化药理学实验和基因水平的in vivo实验结果表明，植物异三聚体G蛋白和小G蛋白均参与植物对病原反应的信号转导。那么二者的关系如何呢？是各自调控不同的信号转导途径，还是共同参与同一信号转导通路？稻瘟病菌激发子SE可以诱导野生型水稻悬浮培养细胞中内源小G蛋白OsRac1基因的表达，但是这种诱导效应在水稻d1突变体（异三聚体Gα基因突变）悬浮培养细胞中被抑制，说明OsRac1 mRNA的积累受SE诱导，并且这种诱导需要Gα蛋白的参与。在水稻d1突变体中表达组成型活性OsRac1基因可使转基因水稻悬浮培养细胞的活性氧产生量恢复到近野生型水稻的水平。虽然过表达组成型活性OsRac1基因的野生型水稻细胞受SE激发后强烈表达抗病相关基因PBZ1，但在表达相同基因的d1细胞中却未检测这种诱导效应，表明PBZ1受SE的诱导表达除需要OsRac1外还需要Gα的参与。抗病性分析表明，表达组成型活性OsRac1的水稻d1突变体对稻瘟病表现出完全抗性，说明由Gα基因突变导致的抗病性丧失，可由组成型活化的OsRac1所恢复。根据以上结果，Suharsono等认为在水稻悬浮培养细胞SE介导的信号转导中，Gα位于OsRac1的上游。

迄今为止，未见在其它植物上有关异三聚体G蛋白和小G蛋白之间相互关系的报道，但在动物细胞中，与Rac同属一个小G蛋白家族的小GTPase Rho调节Gα激活的多种细胞反应如Na⁺-H⁺转运蛋白、细胞转化和逆境纤维形成等；另一方面，活化的Gα又可以直接调节一个活化小G蛋白的鸟苷酸交换因子p115Rho GEF。因此，可以推测植物抗病信号转导也有可能由异三聚体G蛋白和小G蛋白以相似的方式调节。

3 问题与展望

从这些研究结果可以看出，植物G蛋白包括异三聚体G蛋白和小G蛋白是植物防卫反应中重要的调控分子。但是对于植物G蛋白调控植物防卫的信号转导途径中的许多问题还有待于解决，如G蛋白和植物抗性基因R的关系，参与抗病反应信号转导的GPCR，G蛋白的下游效应因子，G蛋白的调控机制以及与其它防卫反应信号转导途径如水杨酸、茉莉酸和乙烯途径之间的cross talk等。随着大量植物G蛋白基因的分离克隆，利用生物化学、蛋白质组学、分子生物学和遗传学等方法对植物G蛋白结构和功能的进一步分析，最终将对植物G蛋白调控包括植物防卫反应在内的许多生物学过程的作用机理有一个更全面深入的认识，为植物抗病分子育种奠定坚实的基础。小麦叶锈病是小麦的重要病害之一，多年来，本实验室利用小麦抗叶锈近等基因对多个抗叶锈病基因进行了分子标记，但对于小麦抗叶锈病基因介导的抗锈病反应的信号转导过程及其参与组分却知之甚少。对小麦G蛋白是否参与抗锈病反应以及其调控小麦抗叶锈病反应的分子机制，正是我们目前的研究内容。