植物G蛋白与植物防卫反应

　　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，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，并且存在着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，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  (heterotrimeric  G  protein  )，小  G  蛋白(  small  GTPase  )。异三聚体  G  蛋自由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，少数相对分子质量较大，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(  G  protein-coupled  receptors，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”区和核甘酸结合基序中，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  有较高同源性的小  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1  1种，玉米中含有9种，水稻中含有7种  Rop  GTPase。然而在美丽线虫(  Caenorhabditis  elegans  )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的参与细胞形态建成，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  H202  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。   (责任编辑：泉水)

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