1、第七章 植物細胞信號轉導植物細胞信號轉導的概念、特點研究內容和意義植物細胞信號轉導過程刺激與感受信號轉導蛋白質可逆磷酸化細胞反應信號（signal) 胞外刺激 第一信使first messenger胞外信號，外源：光照、溫度、重力、水分、風、雨、氣體、觸摸、機械損傷、病原菌等胞間信號，內源：激素、化學調節因子、電信號、水力學信號 第二信使second messenger次級信使，是指細胞感受胞外信號和胞間信號后產生的胞內信號分子鈣離子Ca2+肌醇-1，4，5-三磷酸 IP3二酰甘油 GD環腺苷酸 cAMP環鳥苷酸 cGMPNOH2O2花生四稀酸環ADP核糖其它肌醇磷酸IP4 IP5IP6胞間信

2、號(第一信使)的傳遞易揮發性化學信號在體內氣相的傳化學信號的韌皮部傳遞化學信號的木質部傳遞(ABA) 電信號的共質體和質外體途徑，長距離維管束傳遞水力學信號的木質部系統傳遞受體receptor，是細胞表面或亞細胞組分中的一種天然分子，可以并特異地與有生物活性的化學信號物質結合，激活或啟動一系列生物化學反應在，導致特定生物學效應。配體ligand，可被受體識別的有生物活性的化學信號物質。受體與配體的作用：特異性；飽和性；高度親和。目前研究接受外界信號必需的植物受體主要有三種：植物激素受體光信號受體（包括對紅光和遠紅光敏感的光敏色素、對藍光敏感的藍光受體和對紫外敏感的紫外光受體）感病誘導因子受體。

3、三、植物細胞信號轉導研究內容與意義1971 E.W.Sutherland cAMP1992 Edmond H. Fischer & Edwin Gerhard Krebs 蛋白質可逆磷酸化1994 Alfred Goodman Gilman & Martin Rodbell發現G蛋白及其在細胞中的信號轉導作用1998 Louis J. Ignarro NO1999 Gnter Blobel發現蛋白質具有內在信號以控制其在細胞內的傳遞和定位2000 Arvid Carlsson, Paul Greengard , Eric Richard Kandel發現神經系統中的信號傳導2 植物細胞信號轉導

4、過程一.刺激與感受受體接受外來信號,啟動信號轉導過程受體與配體的結合有特異性同一配體可能結合多種配體乙酰膽堿有2受體 煙堿型和毒蕈型腎上腺2種跨膜信號轉換機制受體信號轉換膜表面受體主要有三類(二)、胞內信使系統第二信使：由胞外刺激信號激活或抑制的（或引起改變的）、具有生理調節活性的細胞內因子稱為細胞信號轉導過程中的次級信使或第二信使（second messenger）。植物中也發現了一些與動物細胞類似的第二信使，主要有鈣信號系統肌醇磷脂信號系統，cAMP信號系統?多胺類化合物、乙酰膽堿、ABA、乙烯、H+等植物體內信息系統的錯綜復雜。1.鈣信使系統衡量鈣信使的標準（衡量第二信使的標準）：（1）

5、細胞質的Ca2+（信使物質）水平必須能對來自環境與鄰近細胞的刺激有所反應；而且其變化應早于該生理反應；（2）在缺乏正常的外界刺激時，通過誘導細胞質Ca2+（信使物質）濃度變化，可以引起相同生理反應；（3）細胞必須具有感受細胞質Ca2+（信使物質）濃度變化、并將這種變化轉變為某種生理反應的機制；（4）抑制第二信使感知系統的運行，必定會抑制細胞對外界刺激的生理反應。（2）Ca2+特性與細胞中Ca2+的平衡Ca2+是一種植物必需大量元素，但其本身又是一種細胞毒害劑，Ca2+與磷酸基團反應會形成沉淀擾亂以磷酸為基礎的能量代謝，因此細胞Ca2+主要集中在鈣庫（如液泡）中，這是植物細胞清除胞質中Ca2+過

6、剩的手段之一，使得胞質中Ca2+濃度非常低。這就要求植物細胞中必須存在一種機制將游離Ca2+排出，所以一般胞內Ca2+濃度十分穩定，即使有微小波動，也是短暫的，稱之為鈣穩態。（3）細胞中Ca2+的轉移當細胞受到外界刺激信號時，Ca2+可從兩個方向與胞質進行Ca2+交換，即質外體與胞質的交換以及胞內鈣庫與細胞質液的Ca2+交換，其轉移過程包括兩種機制。A.被動擴散：由于細胞內外及細胞質與細胞器之間存在著巨大的電化學勢梯度，Ca2+以被動擴散的形式進入，也包括通過Ca2+-channel（外界信號可刺激通道開啟）的協助擴散，使胞內Ca2+濃度迅速大幅度上升，這是Ca2+進入胞質的主要方式；B.主動

7、運轉：質膜和細胞器外膜上存在有依賴于ATP的鈣泵（Ca2+-ATPase）以及Ca2+/H+反向共轉運系統，利用水解ATP提供能量，將胞質中的連續不斷地排出胞質，以維持細胞質一定的低鈣水平。植物細胞內Ca2+轉移系統模式圖鈣信使作用的分子基礎（1）鈣結合蛋白（CaBP）與鈣信號受體蛋白CaBP是一種與Ca2+有很高親和力和專一性的蛋白質；即使當細胞質液中Mg2+濃度大于Ca2+濃度1000倍時，仍優先與Ca2+結合。鈣信號蛋白是一種與Ca2+結合后能引發某種生理反應的CaBP；目前生物界分布最廣、了解最多的鈣信號蛋白是鈣調素（Calmodulin，簡寫為CaM）。鈣依賴型蛋白激酶calcium

8、 dependent protein kinase CDPK（2）CaM的特點：CaM是一種保守性（Aa組成）很強的高熱穩定小分子可溶性球蛋白，100半失活需7min；CaM由19種Aa組成，共148個Aa分子，單鏈，酸性，pI 3.94.3；CaM上有四個Ca2+結合位點，有Ca2+時MW 15,000，無Ca2+時MW 19,000。3.鈣信使作用的分子基礎(n=14，多為4）（m為活化靶酶所結合的CaM數）（3）CaM作用機制：作為細胞鈣信號的受體蛋白，CaM只有與Ca2+結合才有生理活性，進一步與靶酶結合并將其激活，可用下式表示：（4）CaM命名的雙重含義CaM的靶酶也包括Ca2+-A

9、TPase，因此它又可以反饋性地泵出Ca2+到各個鈣庫，胞質Ca2+水平降到CaM結合閾值以下，細胞質中Ca2+恢復到靜息態水平。隨后Ca2+與CaM分離，CaME復合體也隨之解體，CaM、E均回到非活化狀態，因此CaM本身命名有雙重含義：A.其自身活性受Ca2+水平調節；B.它又可以調節胞質中Ca2+濃度。目前研究Ca2+濃度變化常采用能與Ca2+結合的熒光指示劑作為“探針”，用激光共聚焦顯微鏡觀察，證明Ca2+濃度變化時間、幅度、趨勢、頻率、區域化分布均隨不同外界刺激表現出高度特異性：如： 赤霉素的作用常表現為一種適度而持久（min到h量級）的Ca2+增加，緩慢回落； 生長素作用則表現為C

10、a2+振蕩（即出現重復的Ca2+高峰）。2 肌醇磷脂信號系統肌醇磷脂包括三種：即 磷脂酰肌醇（PI） 磷脂酰肌醇-4-磷酸（PIP） 磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）關于肌醇磷脂信號系統動物細胞中研究較多，植物細胞目前也有發現，但機制還不太清楚。以肌醇磷脂代謝為基礎的細胞信號系統，是在胞外信號為膜受體接受后，以G蛋白為中介，由質膜中磷脂酶C（PLC） 水解PIP2產生產生肌醇-1,4,5-三磷酸（IP3）和二酯酰甘油（DAG）兩種胞內信號，因此又稱雙信號系統，分別形成兩個信號傳遞途徑。感受器（受體）轉換器（G-Pr）效應器（PLC）1.雙信號系統IP3作為信號分子，在植物中作用于液泡膜上

11、受體，可影響液泡膜上Ca2+通道，使Ca2+從鈣庫中釋放出來，引起胞內Ca2+濃度提高，從而啟動胞內Ca2+信號系統來調節和控制一系列生理反應。DAG作為信號分子的功能是由于蛋白激酶C（PKC）的發現而闡明的，PKC的活性依賴于Ca2+和磷脂，它催化蛋白質的磷酸化。DAG和Ca2+，促進磷脂與PKC結合，激活PKC，磷酸化某些底物蛋白或酶，導致細胞反應；當胞外刺激消失后，DG首先從復合物上解離下來使PKC鈍化，鈍化的PKC可繼續存在于質膜上或進入細胞質備用。2.雙信號的調節IP3與細胞內鈣庫膜上的專一受體結合，促使Ca2從液泡終釋放出來，與CaM結合形成Ca2-CaM復合物；Ca2+CaME和

12、蛋白質磷酸化導致細胞反應。 IP3產生后很快被磷酸二酯酶水解，首先產生IP2，繼而是肌醇單磷酸（IP）及磷脂酰肌醇（PI）返回膜內。3.肌醇磷脂信號系統和鈣信使的關系植物細胞中鈣信使和肌醇磷脂信號系統具有共轄性質：一方面，Ca2+控制PLC的底物專一性，決定IP3和DG信號分子的生成；另一方面，IP3信使的量反過來又影響的Ca2+產生，而且DG信使的受體蛋白（PKC）也受到Ca2+的調節。磷酸肌醇代謝循環過程肌醇磷脂信號系統的幾個中心環節PLC及由它作用產生的信號物質IP3和DG、IP3使鈣庫液泡釋放Ca2+的功能等都已在植物細胞中發現；但迄今為止仍未證實植物細胞中有類似于動物細胞中PKC酶類

13、的存在。因此有關DAG在植物細胞信號轉導過程中的作用仍不清楚。（三）環核苷酸信號系統cAMP是最早發現的信號物質，但目前只在動物細胞中發現：質膜上的受體通過G-Pr介導，促進或抑制膜內側的腺苷酸環化酶，從而調節胞質內cAMP水平；cAMP激活蛋白激酶A（PKA），對某些底物和酶進行磷酸化，引起細胞反應。感受器轉換器效應器 受體G-Pr腺苷酸環化酶（三）環核苷酸信號系統20世紀70年代人們開始研究植物細胞中的cAMP，但至今進展緩慢，仍未證明它在植物細胞中的普遍存在及是否具有作為第二信使的作用。現有試驗發現Ca2+-CaM和cGMP兩個信號系統在合成完整成熟葉綠體中協同起作用，光信號受體是光敏色

14、素。光誘導的花色素苷和葉綠體某組分的合成三、蛋白質磷酸化和去磷酸化植物體內許多功能蛋白轉錄后需要共價修飾才能發揮其生理功能，由蛋白激酶（protein kinase，PK）/ 蛋白磷酸酯酶（protein phosphatases）所催化的磷酸化/去磷酸化就是進行共價修飾的一個重要過程，它們也是大多數胞內信使的靶酶，即胞內信號通過調節蛋白質的磷酸化或去磷酸化過程而進一步轉導信號。胞內信號（如cAMP）依賴蛋白質中介、放大，最后完成信號轉導過程現已證明植物細胞中有一個CDPK家族（一）蛋白質磷酸化蛋白質磷酸化通過PK進行，但PKC、PKA這兩種動物中最重要的蛋白激酶，在植物體內都沒有發現。植物中

15、的PK，目前已知的有30多種，其中最為重要的是鈣依賴型PK（Ca2+-dependent protein kinase，CDPK）或稱鈣調素樣PK（Calmodulin-like domain protein kinase，CDPK）。CDPK在其氨基端有一個蛋白激酶活性區域，而在羧基端有一類似于CaM的調節結構區域（其中有4個Ca2+結合位點），在兩者之間存在一個由31個氨基酸組成的自身抑制區域。（一）蛋白質磷酸化除CDPK類蛋白激酶外，還有與植物光敏色素密切相關的Ca2+依賴型蛋白激酶、同時受Ca2+和CaM調節的蛋白激酶、在水分脅迫下被激活的依賴Mg2+的Thr/Ser蛋白激酶等。當Ca

16、2+與CDPK結合時，其自身抑制區域對激酶活性的抑制被解除，CDPK被活化。這類激酶的活性只依賴于Ca2+而不依賴于CaM。現已知道，可被CDPK磷酸化的Pr包括細胞骨架成分、膜運輸成分、質膜H+-ATPase等。類受體蛋白激酶最早發現于動物中位于細胞膜上,感受刺激并參與信號轉導胞配體結合區跨膜區胞質激酶區（二）蛋白質的去磷酸化蛋白磷酸酯酶逆轉磷酸化作用，是終止信號或一種逆向調節，與蛋白激酶理論上有同等重要意義。目前已發現的蛋白磷酸酯酶有四類：Type1,2,3,4；植物上發現了Type1，Type2A，Type2C。蛋白質磷酸化的可逆性為細胞的信息傳遞提供了一種開關作用；在有外來信號刺激的情

17、況下，通過去磷酸化（或磷酸化）能夠將之關閉，使得細胞能夠有效而經濟地調控對內外信息的反應。四、細胞反應最后一步生理反應短期生理效應氣孔含羞草葉綠體長期生理效應萌發春化光周期常見的植物信號反應生理現象感受的刺激光誘導的種子萌發光氣孔運動光暗ABA等植物向光性反應光含羞草感震運動機械根向地性生長重力光調控開花光春化反應低溫植物葉片脫落光周期乙稀誘導果實成熟乙烯植物細胞信號轉導過途徑植物細胞的信號轉導小結植物體受到環境刺激后，產生胞間信號，被細胞膜上信號受體感受，接受后，通過G蛋白及效應器進行信號轉換，轉換為胞內信號（鈣信號、肌醇磷脂酶信號等），最后傳遞到胞內特定效應部位，通過蛋白質的可逆磷酸化引起

18、生理生化反應，從而調節植物的生長發育過程REVIEW(1) 細胞結構與功能；(2) 功能與代謝生理，主要包括水分、礦質、光合、呼吸、運輸等各種功能、機理與環境條件的影響；(3) 生長發育，它是各種功能與代謝活動的綜合反應，包括生長、分化、發育與成熟、休眠、衰老(包括器官脫落)及其調控；(4) 逆境生理，包括植物在逆境條件下的生理反應、抗逆性等。Chapter2. 植物的水分代謝1植物細胞對水分的吸收2根系吸收水分的方式與動力3蒸騰作用及其(氣孔)調控機理4水分運輸的途徑與動力5植物水分平衡及其維持 1.植物生命活動中的必需元素及其研究方法 2. N、P、K、Ca 及 Fe、B、Zn生理功能及缺素癥 3.根系吸收礦質的特點 4.細胞吸收礦質的機理 5.合理施肥的理論依據Chapter3.植物的礦質與氮素營養 1. 光合作用的重要意義 2. 葉綠體色素的光學性質與生物合成 3. 光合作用的機理 植物光合作用碳同化的途徑及其特點光呼吸及其生理意義 4. 影響光合作用的因素 5. 作物的光能利用率 Cha