植物G蛋白与植物防卫反应(2)

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  (dipbenylene  iodoniam)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(图1)。

　　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—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。 (责任编辑：泉水)

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