[科普中國]-油菜素甾醇

概述

油菜素甾醇為甾醇類激素，也是一類環(huán)戊烷多氫菲，但其與動物甾體類激素的作用機制不同，不經(jīng)過細胞核內(nèi)受體發(fā)揮作用，而是通過細胞膜表面受體傳遞信號。油菜素甾醇最早由Michelle于1970年發(fā)現(xiàn)。他從油菜花粉中提取出了一種能促進植物莖桿伸長和細胞分裂的高活性物質(zhì)，將其稱為油菜素（Brassins）。由于很低濃度的油菜素甾醇就可以強烈誘導生長和分化，并且通過進一步的對擬南芥（Arabidopsis thaliana）的分子遺傳學研究，證明油菜素甾醇是一種植物激素。

化學結(jié)構(gòu)1979年，Grove等研究人員從227kg蜜蜂收集的油菜花粉中純化到的4mg具有最高活性的油菜素化合物，命名為油菜素內(nèi)酯（brassinolide, BL）。通過對晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析和光譜學研究，確定了油菜素內(nèi)酯的化學結(jié)構(gòu)。油菜素內(nèi)酯的化學結(jié)構(gòu)為甾體，其骨架與動物中的孕激素相似，但為羥基化甾體激素。

根據(jù)對油菜素內(nèi)酯分子結(jié)構(gòu)的了解，最終鑒定到了60多種相關的植物甾醇，統(tǒng)稱為油菜素甾醇。

分布已經(jīng)在27個科的種子植物、1中羊齒類植物（問荊）、1種苔蘚類植物（地錢）、1種綠藻（水網(wǎng)藻）等中鑒定到了油菜素甾醇。因此，油菜素甾醇是一種在陸生植物進化之前就普遍存在于各種植物中的激素。

在被子植物中，油菜素甾醇在花粉、花藥、種子、葉片、莖、根、幼嫩的生長組織中均有較低濃度的廣泛分布。

合成途徑BR的合成有一系列酶參與完成。與赤霉素和脫落酸的合成類似，油菜素甾醇的合成也是萜類途徑的一個分支。油菜素甾醇的合成開始于2個法尼醛二磷酸聚合形成C30的三萜三十碳六烯。三萜三十碳六烯經(jīng)過一系列的閉環(huán)反應，形成五環(huán)的三萜前體環(huán)阿屯醇。油菜素甾醇的合成前體為菜油甾醇（Campesterol）、谷甾醇及膽固醇等，其來源于環(huán)阿屯醇。菜油甾醇首先生成菜油甾烷醇（campestanol），然后經(jīng)過早期C-6氧化和后期C-6氧化2條途徑，轉(zhuǎn)化為栗木甾酮。兩條途徑在栗木甾酮處合并，繼而轉(zhuǎn)化成油菜素內(nèi)酯。

油菜素唑Brz（Brassinazole）是一種BR合成的特異性抑制劑，其抑制油菜素內(nèi)酯合成途徑中催化6-氧-菜油甾烷醇生成卡它甾酮的單氧酶CYP72B1 DWF4的活性。

生理作用油菜素甾醇在植物的生長發(fā)育中有著重要的作用，與其他植物激素一起參與調(diào)控植物發(fā)育的很多方面，包括莖葉的生長、根的生長、維管組織的分化、育性、種子萌發(fā)、頂端優(yōu)勢的維持、植物光形態(tài)建成等。另外，對于植物的對環(huán)境脅迫的防御中也有重要作用。

信號轉(zhuǎn)導油菜素甾醇（BR）的細胞信號通路研究是二十一世紀植物學領域最前沿的領域之一。通過十多年的分子遺傳學、生物化學、蛋白質(zhì)組學和結(jié)構(gòu)生物學研究，已經(jīng)基本建立了完整的油菜素甾醇細胞信號轉(zhuǎn)導途徑。BR與細胞膜表面受體激酶BRI1（BRassinosteroid Insensitive 1）結(jié)合并被感知，BRI1與共受體BAK1相互結(jié)合，形成異二聚體，自磷酸化或相互磷酸化。負調(diào)控蛋白BKI1（BRI1 Kinase Inhibitor 1）與在BR沒有感知的情況下與BRI1結(jié)合阻止BRI1與其共受體BAK1的結(jié)合而負調(diào)控BR信號通路，當BR受體BRI1感知到油菜素甾醇后磷酸化BKI1，使BKI1從細胞膜上解離到細胞質(zhì)中，BAK1因而能與BRI1結(jié)合。激活的BRI1-BAK1磷酸化下游激酶BSKs（BR Signaling Kinases），BSKs可能激活下游的磷酸酶BSU1，BSU1去磷酸化而抑制下游的糖原合成激酶3樣激酶BIN2（Brassinosteroid INsensitive 2）。最新的進展是發(fā)現(xiàn)了與BSKs同屬于受體樣胞質(zhì)激酶（RLCK）的CDG1（constitutive differential growth 1）能磷酸化BSU1，并且其磷酸化BSU1的能力受BRI1的激活而增強，磷酸化的BSU1去磷酸化能力增強而抑制BIN2的活性。BIN2可以磷酸化轉(zhuǎn)錄因子BES1和BZR1，14-3-3蛋白將磷酸化的BES1和BZR1滯留在細胞質(zhì)內(nèi)，且一類磷酸酶PP2A能去磷酸化BES1和BZR1轉(zhuǎn)錄因子, PP2A通過BSU1的激活抑制BIN2的活性，導致沒有被磷酸化的BES1和BZR1積累，可以分別與下游靶基因啟動子上特定區(qū)域結(jié)合，激活轉(zhuǎn)錄。BES1與E-box基序（CANNTG）結(jié)合，而BZR1與BRRE基序（CGTGT/C）結(jié)合，負反饋調(diào)節(jié)油菜素內(nèi)酯的合成。BZR1的靶基因如圖所示。綜合起來，油菜素甾醇的信號轉(zhuǎn)導途徑與動物甾體激素直接進入細胞核內(nèi)，與細胞核內(nèi)受體蛋白質(zhì)結(jié)合而激活轉(zhuǎn)錄是不同的。2

BR也可以與其他激素相互作用。如通過ARF與生長素信號通路互作；通過BRI1與BIN2之間的某個元件與脫落酸ABA信號通路互作等。此外，還與乙烯、赤霉素、細胞分裂素存在相互作用。

應用施用BL處理種子后，產(chǎn)量可提高45%。BR促進植物長大，因此生物量增多，這在水果、蔬菜中有著重大的意義。BR參與調(diào)控植物株型的調(diào)整，這在農(nóng)業(yè)上有著潛在的用途。比如控制株型大小、種植密度等。外源的表油菜素內(nèi)酯處理后，作物對各種環(huán)境脅迫，如熱脅迫、冷脅迫、干旱等的耐受性均有較大幅度的提高。1

分析方法質(zhì)譜一直是分析油菜素甾醇最有力的檢測工具，隨著質(zhì)譜技術及其聯(lián)用技術的發(fā)展，應用高效液相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用技術、高分辨串聯(lián)質(zhì)譜技術將逐漸成為油菜素甾醇的主流分析方法。3