植物異三聚體G蛋白研究進展

尚忠林, 康二芳, 李雨珂, 付 玉

(河北師范大學 生命科學學院,河北 石家莊 050024)

作為一種古老且保守的信號轉導系統,異三聚體G蛋白及其關聯蛋白幾乎存在于所有的真核生物中.異三聚體G蛋白一般由α,β和γ這3個結構不同的亞基組成,非刺激條件下,3個亞基結合形成的異三聚體蛋白定位在細胞質膜上.物理或化學因素可以作用于細胞質膜或細胞內的受體,活化的受體可以直接或間接作用于異三聚體G蛋白,Gα亞基結合GTP(鳥苷三磷酸)后活化并與Gβγ二聚體分離,Gα和Gβγ分別與細胞質膜或細胞質中的靶蛋白結合并觸發信號級聯反應,對于細胞質膜電位、跨膜離子流動、細胞骨架動態、細胞質關鍵酶的活性、轉錄因子活性進行調控,細胞代謝和基因表達模式的變化最終影響了細胞分裂、分化進程.隨后,Gα中的GTP被水解為GDP(鳥苷二磷酸),無活性的Gα重新與Gβγ結合形成三聚體,結束信號傳遞過程[1].近年來,研究人員圍繞植物體內異三聚體G蛋白信號系統的組分、功能以及異三聚體G蛋白活化及滅活機制開展了深入細致的研究,取得了令人欣喜的新成果.

1 植物異三聚體G蛋白的組成及結構特點

最初,研究人員參照動物細胞中異三聚體G蛋白的結構和基因特征,利用同源比對和分子克隆方法尋找典型的異三聚體G蛋白α,β和γ亞基,在模式植物擬南芥中只發現了1種α亞基、1種β亞基和2種γ亞基,這意味著擬南芥中最多只能組成2種類型的異三聚體G蛋白,研究人員一度對于異三聚體G蛋白能否參與多個生理過程的調控產生了懷疑[2].不過,近年來一個重要的進展是在多種植物中都發現了超大G蛋白(extra large G proteins,XLG),這些XLG可以與Gβ和Gγ結合形成三聚體,發揮類似Gα亞基的功能,每一個物種都含有多種XLG,XLG分子結構和編碼基因具有明顯的多樣性[3];另一個重要的發現是植物細胞中存在多種類型的Gγ[4];這為植物異三聚體G蛋白形成多樣化組合體、參與多種生理反應的調控奠定了結構基礎.

擬南芥中的典型Gα(AtGPA1)由383個氨基酸組成,與動物細胞Gα相一致的特征是含有幾個典型的保守結構域,如RAS樣結構域、螺旋結構域,還含有N-豆蔻?；稽c和棕櫚?；稽c(圖1).在多種植物中都發現了與AtGPA1結構類似的蛋白,如大豆、豌豆及煙草都含有至少2個典型的Gα蛋白.Gα廣泛存在于各種組織中,在細胞分裂旺盛的組織(如分生組織)中表達較豐富,在細胞內Gα可以定位于細胞質膜和細胞內膜上[5-7].

XLG與典型的Gα蛋白具有一定的相似性,都具有RAS結構域和螺旋結構域,XLG與典型Gα的顯著區別是N端含有由300～500個氨基酸組成的延長區,這使得XLG分子量遠超典型的Gα[7](圖1).每一種植物中往往存在多種XLG,如擬南芥中有3種(XLG1～XLG3),玉米中有3種(ZmXLG1～ZmXLG3),水稻中也有3種(OsXLG1～OsXLG3),它們可參與形成多樣化的異三聚體G蛋白,為響應多種刺激、啟動多樣化的細胞信號轉導過程、精準調控生長發育和脅迫耐受反應奠定了基礎[3,6-7].功能驗證實驗顯示,擬南芥中XLG2/3,AGB1和AGG1/2參與介導由鞭毛蛋白引發的防御反應[8],玉米中的3個XLG參與調控株高和頂端分生組織的發育模式[9].在低等苔蘚植物小立碗蘚(Physcomitrellapatens)中沒有發現典型的Gα蛋白,但是卻發現了一些XLG,與典型的Gβ和Gγ組合形成的異三聚體參與小立碗蘚生長發育調控,這一結果為理解異三聚體G蛋白結構進化提供了新的視角和線索[10-11].

植物細胞中的Gβ類型較少,在多個物種(包括擬南芥、玉米、水稻、燕麥、煙草等)中都只檢測到了一種Gβ,不同物種中編碼Gβ的基因序列具有極高的相似度(圖1).擬南芥AGB1,玉米ZGB1及水稻RGB1存在于多個器官組織中,這些Gβ主要分布在細胞質膜和細胞內膜上,與Gα的定位高度重合[2,6].

植物細胞中的Gγ按照結構特征分成3個類型:Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型(圖1).Ⅰ型一般含有100～120個氨基酸,分子中間具有卷曲螺旋結構域,含有與Gβ結合必需的、保守的DPLL基序,C端可以被異戊二烯化以確保Ⅰ型的Gγ定位在細胞質膜上.擬南芥中含有2個Ⅰ型Gγ(AGG1和AGG2),N末端可與Gβ相互作用,C末端的CaaX結構域可被異戊二烯或其衍生物修飾.Ⅱ型與Ⅰ型Gγ的主要區別在于C-末端沒有異戊二烯基化位點,但這并不影響蛋白的定位.Ⅲ型Gγ的N端區域與Ⅰ型和Ⅱ型相似,但是C末端序列中富含半胱氨酸,可能參與結合XLG;Ⅲ型Gγ成員包括擬南芥中的AGG3,水稻中的DEP1,GS3和GCA2,大豆中的Gγ8～Gγ10等[2,4,6].

2 異三聚體G蛋白信號轉導系統組分

2.1 G蛋白偶聯受體

動物細胞質膜上存在多種異三聚體G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptor,GPCR),這些GPCR一般含有7個跨膜結構域,結合配體分子后,活化后的GPCR作用于異三聚體G蛋白,引起Gα與Gβγ的分離[1].最初人們循著同樣的思路,試圖尋找植物細胞中的GPCR.雖然基因相似性分析結果顯示擬南芥基因組中可能存在超過20個GPCR基因,但只有一種類似于動物細胞GPCR的蛋白GCR1被檢測出來,GCR1能夠與GPA1結合、互作,響應刺激后激活異三聚體G蛋白,在其他一些物種中也陸續發現了與GCR1類似的蛋白[12].

近幾年研究人員在水稻、玉米和甘蔗中發現了一些具有9個跨膜結構域的蛋白,經檢驗這些蛋白具有典型的GPCR活性.這些蛋白可以定位于細胞質膜或內質網膜中,與傳統的GPCR需要配體結合才能活化的這一特征不同,這些蛋白在物理脅迫(如低溫)下就可以發生結構變化并活化,隨后向下游激活異三聚體G蛋白組分,啟動脅迫耐受性反應.水稻和玉米中的COLD1參與誘導植株耐低溫能力[13-15],甘蔗中的ShGPCR1參與誘導植株對干旱、鹽漬和冷脅迫的耐受能力[16].

2.2 G蛋白信號調節因子(regulator of G-protein signaling,RGS)

RGS是所有生物體中都存在的一類GTP酶激活蛋白(GTPaes activating protein,GAP),能夠促進異三聚體Gα水解GTP,并抑制Gα與GTP的結合,對Gα發揮抑制作用.擬南芥的AtRGS1是第一個在植物中發現的RGS蛋白,能與Gα蛋白直接結合互作,并且優先與結合了GTP、處于活化態的Gα結合.植物體內的RGS蛋白C末端一般都有保守的RGS盒結構域,與該區域連接的N末端區域能夠形成7次跨膜的結構域.由于七跨膜結構域是動物細胞質膜GPCR的重要特征,最初研究者們猜測RGS1可以作為一種GPCR發揮作用,但是2方面的證據否定了這種推測:1) RGS1本身具有GTP酶活性,將結合在Gα中的GTP分解為GDP,使Gα蛋白處于非活化狀態,RGS1實際上是一種抑制蛋白而不是G蛋白的活化因素; 2) 目前能夠與AtRGS1特異性結合的配體分子還沒有得到確認[6-8,10].最近的研究結果顯示,RGS1與異三聚體G蛋白、類受體激酶結合形成復雜的受體復合物,與配體結合、被活化的受體激酶將RGS1磷酸化,解除了 RGS1對異三聚體G蛋白的抑制作用,隨后異三聚體G蛋白可以自動活化、解體并激活下游信號組分,這為解析RGS1以及其他RGS家族蛋白發揮功能的作用機制提供了新的視角和切入點[17-18].

2.3 磷脂酶

哺乳動物細胞質膜上的磷脂酶Cβ(phospholipase Cβ,PLCβ)能夠與異三聚體Gα結合,加強Gα的GTPase活性,其功能類似于RGS蛋白.植物中尚未發現類似的PLCβ蛋白,但是已經發現擬南芥中的磷脂酶Dα1(phospholipase Dα1,PLDα1)可以結合并調節Gα蛋白活性[19-20].植物體內的磷脂酶家族成員眾多,某些成員像PLDα1一樣參與G蛋白信號轉導的可能性是存在的,這也為今后探究異三聚體G蛋白信號級聯機制提供了新的思路.

2.4 類受體激酶

類受體激酶(receptor-like kinase,RLK)和類受體蛋白(receptor-like protein,RLP)是細胞質膜上重要的信號轉導組分,一個物種中往往含有幾百甚至上千種RLK以及RLP(如擬南芥含有超過600種RLK、水稻含有超過1 100種RLK),這為細胞感受復雜環境刺激、精準調控細胞代謝奠定了堅實的基礎.雖然大多數受體激酶(或受體蛋白)的功能和信號轉導機制尚不清楚,但是僅就已經闡明的一些受體激酶而言,已經有充分的證據顯示異三聚體G蛋白參與由RLK和RLP啟動的信號轉導過程[6,8,16].例如,鞭毛蛋白受體FLS2與異三聚體G蛋白組成受體復合物,病原菌鞭毛蛋白與其受體結合,可以迅速活化異三聚體G蛋白、誘發防御反應[8,16];FERONIA(FER)可以通過異三聚體G蛋白β亞基(AGB1)調節氣孔開關以及對鹽漬的響應[21];類受體激酶ZAR1(zygotic arrest1)通過AGB1調控受精卵分裂、分化形成胚胎的過程[22].隨著累積的證據越來越多,一些學者大膽猜測,RLK大家族中的很多成員可以發揮GPCR的作用,啟動異三聚體G蛋白信號轉導[6,10,22].

3 植物異三聚體G蛋白的活化和滅活機制

在哺乳動物細胞中,細胞質膜上的GPCR感受信號分子,通過其鳥苷酸交換因子(guanine nucleotide exchange factor,GEF)活性使Gα蛋白結合的GDP脫離并結合GTP,異三聚體隨即解離為活化的Gα和Gβγ(圖2).植物細胞Gα的生化特性與動物細胞明顯不同:首先,以擬南芥GPA1為代表的植物Gα能夠高效率結合GTP,具備較強的自激活能力,不要求必需由GPCR對其進行激活;其次,某些植物特有的蛋白質發揮GPCR的作用,例如RLK和RLP家族成員,它們可以通過磷酸化RGS、解除其對G蛋白的抑制作用,也可能直接對異三聚體G蛋白進行磷酸化調控將某些亞基激活[6-7,16,21].

圖2 植物異三聚體G蛋白活化和滅活機制(Pandy [6])Fig.2 The Activation and Inactivation of Heterotrimeric G Proteins in Plants

動植物細胞中異三聚體G蛋白滅活機制都是通過Gα中的GTP水解為GDP實現的.植物細胞中Gα的GTPase活性比動物細胞中的Gα低很多,難以保證GTP及時水解和Gα的及時滅活.而存在于植物細胞中的多種能結合異三聚體Gα并增強其GTP酶活性的GAP蛋白很可能在G蛋白失活過程發揮重要作用[5-7].RGS是GAP蛋白家族的重要成員,在綠藻、苔蘚植物、裸子植物、被子植物中都發現了RGS,已經發現擬南芥中的RGS1可顯著提高Gα的GTPase活性[6],擬南芥或大豆的Gα缺失突變體與RGS1缺失突變體表型相反,也證實了RGS作為G蛋白信號失活劑發揮作用[23].一些磷脂酶(如擬南芥PLDα1)也可以作為GAP來加強GPA1的GTPase活性[18].進一步研究發現,擬南芥中的RGS1和PLDα1存在互作,RGS1與PLDα1的結合抑制了它的磷脂酶活性;而磷脂酸(PLDα1催化產物)可以結合、抑制RGS1的GAP活性,2種GAP相互制衡的關系為異三聚體G蛋白信號強度調控提供了一種更為復雜和精準的方式[24].

4 異三聚體G蛋白參與調控的生理過程

異三聚體G蛋白活化后,可以作用于細胞質膜上的靶蛋白,如離子通道、磷脂酶C誘導產生第二信使;也可以作用于細胞質、細胞核中的靶蛋白,參與調控細胞骨架穩態、酶活性、功能基因表達.異三聚體G蛋白參與調控的細胞代謝、細胞分裂和分化模式的變化可以影響植物營養生長和生殖生長,影響植物的株型、種子數量、種子大小等性狀.異三聚體G蛋白還廣泛參與動員植物應對病原微生物(細菌、真菌、病毒等)引起的生物脅迫和環境因素(光、干旱、鹽等)劇烈變化引起的非生物脅迫.在引起上述生理效應的過程中,異三聚體G蛋白的3個亞基單獨或協同作用于下游靶蛋白,對異三聚體G蛋白生理功能的研究也是基于觀察這些亞基基因缺失突變體或超表達株系的表型指標變化.由于遺傳操作技術不斷進步,對于異三聚體G蛋白功能的研究也成為進展最為迅速的領域.

4.1 參與營養器官生長發育

異三聚體G蛋白參與調控根的生長發育.例如,玉米中異三聚體Gα(CT2)可以被多肽信使CLV3的受體CLV1,CLV2結合并活化,參與調控頂端分生組織的細胞分裂和分化,CT2缺失突變引起玉米生長受阻、植株矮化[25].擬南芥Gβ或Gγ缺失突變體主根生長速度加快、側根數量顯著增多,Gβγ通過調節根尖生長素運輸負調控主根生長和側根發生[26].擬南芥Gα,Gβ缺失突變體比野生型產生更多、更長的側根,當葡萄糖作為一種信號分子引起RGS1活化,RGS1抑制Gα活性也使得生長素促進側根形成和伸長生長的效應得到了顯著加強[27].在細胞外ATP抑制擬南芥主根生長、引起根尖彎曲的過程中,Gα通過激活Ca2+通道、調控功能基因表達發揮積極的作用[28].

異三聚體G蛋白參與調控下胚軸生長.研究發現,AGB1通過抑制轉錄因子BBX21活性促進下胚軸伸長生長,AGB1的基因缺失突變體下胚軸生長明顯減緩[29].黃瓜中的GPA1活化促進了細胞分裂和伸長,使種子萌發、根和下胚軸生長速度都加快[30].擬南芥Gβ參與下胚軸的向光性反應,在Gβ缺失突變體中由藍光誘導的下胚軸向光彎曲反應顯著減弱[31].水稻中超表達Gγ(RGG1)的基因后,細胞中細胞分裂素含量下降,細胞對細胞分裂素的敏感性下降,細胞無法正常分裂導致生長受阻、植株矮化[32].

異三聚體G蛋白參與葉片發育.在水稻中,Gα基因缺失突變帶來幾方面的變化:1) 葉肉細胞細胞壁變薄、對CO2的通透性增強; 2) 葉肉細胞間聯系變得松散,葉片內部表面積增大,有利于CO2吸收; 3) 葉綠體膜對CO2的通透性增強.這些變化有利于在氣孔開度較小的條件下吸收足夠的CO2用于光合作用,促使水分利用效率提高,對干旱的耐受能力增強.這些結果顯示在這些發育指標的調控過程中,Gα發揮負調控作用[33].在水稻Gα(RGA1)的基因缺失突變體中,葉片避光性反應增強、光能利用效率提高,參與捕光色素復合體組建的蛋白合成量增加,植物對于強光的耐受性增強,顯示RGA1在水稻的光保護反應過程中可能發揮負調控作用[34].

4.2 參與氣孔發育和氣孔運動的調控

異三聚體G蛋白參與調控氣孔器發育.擬南芥Gα的基因缺失引起葉片表面氣孔頻度下降,超表達Gα則使氣孔頻度顯著增加;Gβ對氣孔發育的影響與之截然相反,Gβ缺失突變體氣孔頻度顯著升高,而其超表達株系氣孔頻度顯著降低[35].不過,另一個實驗發現,與野生型相比,Gα缺失突變體氣孔開度更大,二氧化碳吸收能力更強,蒸騰效率更高,其結果是雖然突變體葉片上氣孔器數量少,但是其二氧化碳吸收量與野生型基本相當[36].

多種調控氣孔運動的信號通過異三聚體G蛋白信號組分調控氣孔運動.例如,植物激素脫落酸(abscisic acid,ABA)引起氣孔關閉的過程中,ABA受體可以活化Gα、誘導活性氧形成,并通過活性氧敏感的Ca2+通道促進Ca2+內流,最終引起氣孔關閉[37];ABA 還可以引起Gβ(AGB1)活化,Gβ作用于磷脂酶C(phospholipase C,PLC)催化產生第二信使IP3,誘導產生并維持Ca2+震蕩,引起氣孔關閉[38].在細胞外ATP誘導氣孔開放的過程中,Gα通過活化質子泵、誘導Ca2+內流發揮積極作用[39].紫外線(UV-B)、乙烯可以激活G蛋白偶聯受體GCR1,隨后活化的Gα促進保衛細胞中活性氧和一氧化氮積累,最終引起氣孔關閉[40].多肽信使RALF1作用于其受體FERONIA后引起氣孔關閉,Gβ,Gγ和一些XLG參與了這一過程,但是經典的Gα不參與此過程[21].在細胞外鈣調素促進氣孔關閉的過程中,Gα通過誘導NO和H2O2積累發揮作用[41].高溫和干旱誘導保衛細胞中NO積累、促進氣孔關閉的過程中,Gβ發揮積極作用,豌豆Gβ在煙草中的異源表達增強了轉基因煙草的高溫和干旱脅迫耐受力[42].最新研究發現氫可以作為信號分子調控氣孔運動,氫刺激擬南芥保衛細胞產生ROS和NO及促進氣孔關閉的過程需要GPA1參與;在GPA1基因缺失突變體中氫刺激不能引起保衛細胞中ROS和NO積累,氫也不能引起氣孔關閉[43].

4.3 參與生殖生長和胚胎發育

植物有性生殖過程影響果實、種子的數量和質量,直接關系到農業生產的經濟效益.近年來研究發現,異三聚體G蛋白影響多種植物的花粉萌發、果實及種子發育.例如,水稻的Gα基因突變后,與分蘗、灌漿有關的多個基因表達量顯著下降,影響水稻植株生長、抽穗和籽粒的生長并對產量造成不利影響[44].玉米的Gα及XLG表達量增加、活性增強可以使小穗密度、籽粒行數顯著增加,葉形也有所改變,直立生長的葉片增多,這些農藝性狀的變化都有利于玉米生產[9].水稻的XLG的基因缺失后,植株生長、花序發育、籽粒灌漿都出現障礙[45].水稻中的RGA1超表達后,花粉管對于弱光的適應性顯著增強,在弱光下的糖吸收、利用能力顯著增強,弱光對花粉管生長的抑制作用減輕,有利于完成雙受精[46].在細胞外ATP促進擬南芥花粉萌發和花粉管生長的過程中,Gα通過維持鈣通道活性發揮促進作用[47].水稻中RGB1調控胚乳細胞中的生長素合成酶活性、促進生長素合成,促進籽粒發育和淀粉積累,對產量形成具有重要作用[48].番茄中的一種Ⅱ型Gγ的基因缺失后,植株對生長素和ABA的敏感性發生變化,種子變小、果形變尖[49].亞麻薺中的Gβ參與種子發育和脂肪積累,Gβ缺失突變體的種子由細長形變成了短粗形,種子中脂肪含量也明顯增加[50].

受精卵分化形成胚是種子發育過程的重要環節,擬南芥受精卵分化過程中,類受體激酶ZAR1可以作用于Gβ以調控受精卵不均等分裂,ZAR1和Gβ的基因缺失造成受精卵分裂形成的基細胞變短、頂細胞發育模式畸變[21];進一步研究發現,活化的Gβ可以作為架構蛋白將MAPK級聯系統成員聯系起來,使這些組分形成特異性的信號級聯單元,對受精卵分化進行調控[51].

4.4 參與生物脅迫的響應

病原微生物(細菌、真菌、病毒等)侵害對于植物生長發育產生嚴重的負面影響,植物細胞可以感受病原微生物攜帶或釋放的化學信息分子,并調動細胞內的免疫反應.已經有多項證據顯示異三聚體G蛋白信號組分參與植物細胞免疫反應的動員過程.煙草中的異三聚體G蛋白基因缺失后,由超敏蛋白(harpin)引起的超敏反應、由激發子引發的氣孔關閉過程都顯著減弱,響應激發子刺激而表達的防御基因無法正常啟動表達,顯示異三聚體G蛋白在煙草防御反應過程中發揮關鍵作用[52].植物細胞對于細菌的鞭毛蛋白能夠做出靈敏的響應,鞭毛蛋白受體FLS2及其共受體BAK1可以與異三聚體G蛋白及其調控蛋白RGS1組成復雜的受體復合物,FLS2與鞭毛蛋白flg22結合后引起BAK1活化、RGS1磷酸化,隨后異三聚體G蛋白被釋放并解離,活化的Gα可以直接作用于細胞質膜上的NADPH氧化酶,刺激產生活性氧爆發以誘導細胞的免疫反應;在此過程中,Gα,XLG2,AGB1,AGG1和AGG2都參與誘導免疫反應[8,53-55].擬南芥中的XLG1,XLG2,XLG3一同參與病原生物釋放的模式分子觸發的免疫反應,在XLG1/2/3三重突變體中,由模式分子引發的MAPK級聯系統活化和抗病反應顯著弱化[56].也有研究發現,flg22刺激造成的生長抑制過程中,Gβ發揮主要作用,AGB1缺失突變體對flg22刺激的抵抗力顯著高于野生型[57].在擬南芥應對丁香假單胞菌侵害的過程中,細胞內的XLG2與Gβ一同發揮作用,動員對丁香假單胞菌的抵抗力[58].

4.5 參與非生物脅迫適應

在植物響應低溫、高溫、干旱和鹽脅迫的過程中,多種異三聚體G蛋白信號組分參與誘導脅迫耐受性反應.如前所述,水稻、玉米中的GPCR(COLD1)和甘蔗中的ShGPCR1基因在低溫、干旱、鹽漬和冷脅迫下表達量增加,促進細胞中抗逆基因的表達,提高植株的脅迫耐受能力[13-15].番茄中Gα基因缺失造成冷脅迫耐受能力下降,由冷脅迫引起的活性氧積累增加,細胞受害嚴重;而超表達Gα的番茄細胞內活性氧清除系統活力顯著增強,對于低溫的耐受能力顯著增強[59].黃瓜中的一種Gγ(CsGG3.2)可以使超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、谷胱甘肽還原酶等活性氧清除酶活性增強,減少低溫下活性氧積累和膜脂過氧化,增強黃瓜對低溫的耐受能力[60].異三聚體G蛋白也參與響應高溫脅迫,水稻Gα(RGA1)缺失突變體對高溫的耐受能力顯著增強,膜脂氧化減少,與糖代謝有關的酶活性顯著增強,體內高能物質(如ATP)水平顯著增加,顯示在水稻耐受高溫的過程中,RGA1可能發揮負調控作用[61].異三聚體G蛋白參與植物對干旱的響應,水稻中的RGA1的基因突變之后,植株對于干旱的適應能力顯著加強,葉片水勢提高、葉肉細胞中脯氨酸含量增加、葉片厚度增加,細胞內活性氧清除酶表達量增加、活性增強,顯示在干旱適應過程中,異三聚體G蛋白發揮負調控作用[62].小麥Gβ的基因缺失突變體干旱脅迫耐受能力下降,Gβ超表達株系耐旱能力增強.干旱和鹽脅迫下Gβ超表達株系小麥細胞中SOD活性更強,膜脂過氧化產物MDA更少,細胞中脯氨酸積累增加,增強了細胞對逆境的耐受能力[63].

水稻、玉米中的Gα缺失突變之后,植株對鹽脅迫的敏感性降低,由鹽脅迫引起的生長減緩、細胞衰老、葉綠素降解、細胞質滲漏等都得到了緩解,而且在突變體中鹽脅迫對細胞分裂的抑制作用也顯著減輕.這些結果顯示Gα參與提高細胞對鹽脅迫的敏感性,而降低Gα活性有助于提高植物對鹽脅迫的適應能力[64].RALF1與其受體FER結合后,可以通過AGB1誘導鹽脅迫耐受反應,在FER和AGB1缺失突變體中,由鹽脅迫引發的ROS積累顯著減弱,突變體的鹽脅迫適應能力也顯著減弱[65].

最新的一項工作中發現,一種非典型性的Gγ蛋白(AT1)參與作物對堿的感受和響應,敲除該基因后谷子、高粱、玉米和水稻對于堿的耐受能力顯著增強.這種Gγ可以作用于水通道蛋白,抑制其磷酸化和對過氧化氫的外排,敲除該基因后水通道蛋白磷酸化加強、活性增強,能夠更有效地將過氧化氫排出細胞,減少其對細胞的損害[66].這一發現為培育耐鹽堿的作物提供了重要的切入點.

4.6 參與根瘤形成

豆科植物根瘤的形成對于其氮素供應和生長發育至關重要.研究發現,大豆中的異三聚體G蛋白對于根瘤形成至關重要,異三聚體G蛋白各亞基基因表達水平與根瘤形成數量呈正相關[67].進一步研究發現根瘤菌釋放的結瘤因子與大豆細胞中的受體NFR1結合后,可以引起RGS蛋白磷酸化,活化的RGS發揮GTP酶活性,抑制異三聚體G蛋白活性,使得根瘤得以順利形成[68].共生受體激酶(symbiosis receptor-like kinase,SymRK)可以和NFR1結合形成復合體,感受結瘤因子之后,SymRK將Gα磷酸化,使其無法與Gβγ二聚體結合,Gβγ可以獨立發揮作用、促進根瘤形成[69].苜蓿和豌豆中的Gβ表達受抑制之后,根瘤形成數量顯著減少,Gβ可能與磷脂酶C互作并調控細胞內第二信使的產生,參與調控根瘤形成[70].

5 展 望

近幾年來,植物異三聚體G蛋白信號系統組分生理功能及作用機制的研究取得了令人振奮的進展,特別是研究材料從模式植物擬南芥轉變為與人類生產生活密切相關的農作物(如水稻、小麥、大豆、黃瓜、玉米等)后,揭示了異三聚體G蛋白在控制作物生長發育、產量形成、品質改善、脅迫耐受性等方面發揮的作用,為未來采用遺傳學手段改良農作物奠定了實驗基礎.今后一段時間,將現有成果整合起來,通過遺傳操作手段改變異三聚體G蛋白信號轉導組分表達水平、活性狀態、組合方式以及對靶蛋白的作用強度,并全程跟蹤遺傳背景的變化對農作物生長發育、脅迫抗性的綜合影響,將有望在創制生長發育良好、農藝性狀出色、環境適應性好的作物品種方面取得新的突破.