李亚囡，李学华，王广海，董 辉

（河北省农林科学院 石家庄果树研究所，河北 石家庄 050061）

油菜素内酯（Brassinosteroids，BRs）是植物体内一类多羟基的类固醇激素，在植物生长发育过程中发挥着重要作用。BRs最初被证实在细胞伸长中发挥了重要作用，随着研究的不断深入，BRs被发现参与了植物体的多种生理活动，如细胞分裂、光形态建成、木质部分化等，此外，在植物应对非生物和生物胁迫中也发挥着重要的作用［1］。通过近20多年的研究表明，BRs信号通路中的信号传导过程已经被详细地阐述，受BRs信号通路调控的基因有5000～8000个，其中约一半基因的表达水平被BRs信号通路上调［2］。BRs在调节植物生长及应对非生物胁迫（如低温、干旱、盐碱及重金属胁迫等）方面的研究报道较多［3］，而在应对生物胁迫方面，尤其是应对病毒侵染的应答机制方面的研究较少。本文阐述了BRs信号通路及其调控网络，并对已报道的BRs参与植物抗病毒应答的可能机制进行了探讨。

1 BRs信号通路及其调控机制

BRs的识别发生在细胞表面，其受体BRI1（BR Insensitive 1）是位于质膜上的一种跨膜蛋白，其N-端具有BRs结合结构域、C-端具有磷酸激酶结构域。此外，BRs激活BRs信号通路还需要与位于质膜上的共受体BAK1（BRI1-Associated Kinase 1）的参与［4］。

当没有BRs存在时，BRI1的C-端会与抑制蛋白BKI1（BRI1 Kinase Inhibitor 1）结合，从而抑制其磷酸激酶活性［5］；而共受体BAK1会与质膜上的跨膜蛋白BIR3（BAK1-Interacting Receptor-like Kinases 3）相互作用，从而抑制其与BRI1形成复合体，使BRs信号通路处于关闭状态［6］。

当BRs存在时，BRs被BRI1识别并与共受体一起形成BRI1-BRs-BAK1复合体，此时BRI1和BAK1磷酸激酶活性的抑制被解除，相互磷酸化并进入活化状态［4］，通过磷酸化作用激活细胞质内的磷酸激酶BSKS（BR Signaling Kinases）和CDG1（Constitutive Differential Growth 1）［7-8］，进 而 激 活磷酸酶BSU1（BRI1-Suppressor 1）［7］。BSU1会使细胞质中糖原合成酶激酶家族成员BIN2（Brassinosteroid Insensitive 2）去磷酸化而失活，从而解除其对BRs信号通路相关转录因子BES1（BRI1-Emssuppressor 1）和BZR1（Brassinazole-Resistant 1）的抑制作用，BES1和BZR1在蛋白磷酸酶作用下去磷酸化，进而调控相关基因的表达［9-10］。

BIN2是BRs信号通路的负调控因子，其抑制BES1和BZR1的机制是通过磷酸化BES1和BZR1阻止其进入细胞核，并降低其结合DNA的能力，促进其降解，从而抑制其调节基因表达的能力［11］。BES1和BZR1活性还可以被细胞质中的BSS1（BRZ-Sensitive-Short Hypocotyl 1）抑制，阻止其调节基因表达的能力［12］。

此外，BIN2的活性还受到多种机制调控。在BRs存在时，BIN2被E3泛素连接酶家族成员KIB1（Kink Suppressed in BZR1-1D）泛素化，随后被蛋白酶体降解，从而解除对BRs信号通路的抑制作用［13］。细胞中还存在通过空间阻滞来抑制BIN2磷酸化BES1和BZR1的调节途径，如有研究表明，在气孔细胞中，POLAR蛋白（Polar Localization During Asymmetric Division and Redistribution）可以通过将BIN2隔离在质膜上，从而影响其负调控作用［14］。此外，许多转录后的修饰作用也参与BIN2活性的调节过程，如HDA6（Histone Deacetylase6）促进BIN2去乙酰基化，从而抑制其磷酸激酶活性［15］；细胞内的活性氧ROS通过氧化作用可以激活BIN2活性［16］；BIN2在脱落酸存在时，可以被脱落酸信号通路负调控因子ABI1（Related to Abscisic Acid Insensitive）磷酸化激活［17］。由此可见，通过BIN2活性的多种调节机制，BRs信号途径可以参与多种植物体的生命调节活动和胁迫应对机制。

与BIN2一样，BES1和BZR1作为BRs信号通路的关键转录因子，也受到多种调控机制影响。由BIN2介导的磷酸化调控途径是被广泛认可的BRs信号通路调控机制。此外，BRs会诱导过氧化氢（H2O2）的产生，引起BES1和BZR1的氧化，从而阻碍BIN2对其的磷酸化作用，同时BRs还会抑制硫氧还蛋白基因的表达，防止硫氧还蛋白对BZR1的还原作用［18］。

2 BRs在植物抗病毒方面的作用

2.1 BRs可以减弱病毒侵染对光系统的损伤

大多数病毒在侵染植物时会对植物光系统造成不同程度的损伤，使其光合效率降低。由于光系统可以通过参与能量代谢和氧还平衡的维持为植物体在应对胁迫时发挥作用［19］。因此，光系统损伤不仅会影响植物体生长发育等正常的生命过程，也会影响植物防御应答反应的调控。Zhang等［20］研究表明，在黄瓜花叶病毒侵染烟草时，外施BRs可以有效减少因烟草花叶病毒侵染造成的光合效率降低及光系统损伤，这表明BRs在病毒侵染植物时可以减弱病毒对光系统的损伤。

2.2 BRs调控植物交替氧化酶表达参与抗病毒作用

植物抵抗病毒入侵是一个需要细胞氧化还原平衡及能量代谢精细调控的过程，线粒体是能量和ROS产生的主要来源，而交替氧化途径作为线粒体能量耗散途径之一，在调控植物抗胁迫中起到重要作用［21］。交替氧化酶（Alternative Oxidase, AOX）是位于植物线粒体内膜上的交替氧化途径的末端氧化酶，可以将线粒体细胞色素电子传递链途径的电子分流，将能量通过热量释放，是植物细胞线粒体能量耗散途径之一［22］。有研究表明，AOX不仅是交替氧化途径中的关键酶，而且还参与植物应对干旱胁迫、冷胁迫、重金属胁迫等的调控过程［23-24］，此外其也在植物抵御病原体侵染中发挥重要的作用［25］，例如在烟草中过表达AOX能增强其抗病性，并且能减少病毒侵染诱发的超敏反应（Hypersensitive Response, HR）坏死，这表明AOX参与到了线粒体介导的HR反应的调控中［26］；细胞色素途径抑制剂抗霉素A能抑制黄瓜花叶病毒在拟南芥中的系统性移动［27］。

有研究表明，AOX基因的表达受到BRs信号通路的调控。在烟草中BRs可以诱导AOX基因的表达，上调线粒体交替氧化酶活性，并且烟草AOX基因的启动子活性可以被外源BRs上调［28］。此外，BRs诱导AOX基因表达还与活性氧的参与有关，BRs通过调控NADPH氧化酶基因表达，诱导H2O2的产生，H2O2作为信号分子，进一步诱导AOX基因表达［29］。还有报道表明，BRs可以诱导接种叶和上部未处理的叶中H2O2的产生，在烟草花叶病毒侵染烟草时，烟草也会产生系统性抗性［30］。

2.3 BRs信号通路参与植物免疫相关激素的调控网络

植物激素是参与调节植物生长发育及胁迫应答的一类非常重要的小分子物质，其中，水杨酸（Salicylic Acid, SA）、茉莉酸（Jasmonates, JAs）、乙烯（Ethylene, ET）被认为在植物应对生物胁迫的免疫应答中发挥着重要作用［31］。植物体在应对病毒侵染时，其抗性基因的产物通过与病毒相互作用，在侵染部位叶片引发HR反应，产生坏死斑而阻止病毒向健康组织扩散。随后在植物未受侵染组织中会引发系统获得性抗性（Systemic Acquired Resistance, SAR）或诱导系统抗性（Induced Systemic Resistance, ISR），其中，SAR的产生被认为与SA的积累及其信号通路调控的病原相关蛋白基因（Pathogenesis-Related Genes，PR基因，如PR1、PR2）的激活有关，而ISR则与JA信号通路的激活有关［32］。

SA、JA、ET信号通路彼此相关联而形成复杂的协同/拮抗调控网络，而ET被认为是SA、JA信号通路的调节者。ET和JA信号通常被认为是协同发挥作用，最典型的例子是拟南芥防御基因PDF1.2的激活需要ET和JA信号同时存在［33］。ET在调节SA信号通路中也被证实发挥了重要作用，有研究表明，烟草花叶病毒侵染烟草时，病毒侵染引起的ET积累在SA介导SAR的产生中是必需的［34］。

研究表明，BRs能通过增强ET合成酶ACS（1- Aminocyclopropane-1-Carboxylate Synthase）的活性来增加ET的积累［35］，并且BRs信号通路转录因子BZR1参与果实催熟过程中ET的积累［36-37］，这表明BRs信号通路可以与ET信号通路相互作用，参与ET信号通路介导的植物免疫应答。此外，还有报道证实：BRs通过诱导产生H2O2，诱导ET的积累，而ET和H2O2作为信号分子可以激活细胞内抗氧化途径，减缓氧化损伤［38］，ET又可以通过激活线粒体交替氧化途径，诱导对芜菁花叶病毒的抗性［39］。这表明BRs信号通路可以通过参与植物免疫应答激素调控网络来调节植物抗病毒应答。

2.4 BRs通过调控细胞内多种信号通路参与抗病毒作用

BRs除了参与植物免疫应答激素调控网络外，还可以通过影响多种信号通路，参与植物抗病毒应答调控。

NO是一种可以发挥信号分子作用的小分子气体。在植物中，NO最早被发现在植物抵抗细菌性病原体侵染中发挥着重要作用［40］，此后，也被证实参与了植物气孔关闭、细胞坏死、萌发、叶片伸展、开花、植物抗逆应答等多种生理活动［41］。在植物抗病毒应答方面，NO可以诱导烟草对病原菌的HR反应，并且高浓度的NO积累能增强烟草对烟草花叶病毒的抗性［42］。已知的NO生物合成途径有2种，即亚硝酸还原酶途径和一氧化氮合成酶途径［43-44］。作为植物体的一种重要信号分子，NO的合成和积累往往受到植物激素信号通路调控。研究表明，BRs处理能够增加黄瓜和烟草中NO的产生［45］，能显著增加拟南芥中NO的积累，并减少系统叶中黄瓜花叶病毒的积累［46］。BRs参与调控NO产生和积累的机制已有部分假说被提出，如Deng等［30］研究表明，BRs可能通过诱导H2O2激活NO生物合成途径的亚硝酸还原酶途径，从而增加NO的产生和积累，这表明BRs可以通过调控NO的积累而参与抗病毒作用。

促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应是真核生物非常保守的一条信号通路，其作用可以将胞外信号传递入细胞内，调控细胞对外界信号的应答。在植物中，MAPK级联反应在植物应对病原体的应答中发挥重要作用，例如在烟草中，MAPK级联反应元件能诱导蛋白激酶参与防御基因介导对烟草花叶病毒的抗性［46］。近年来的研究表明，BRs与MAPK级联反应通路相关联。在拟南芥中，MAPK级联反应可以与BRs信号通路负调控单元BIN2相互作用［47］，此外，BRs可以通过激活MAPK信号通路调控气孔发育，抑制MAPK级联反应活性会减弱BRs引导的植物抗逆反应［48］。有研究表明，BRs与MAPK级联反应相互作用在植物抗病毒应答方面也发挥了重要作用。在本氏烟中沉默MAPK级联反应信号通路蛋白基因时会减弱其对烟草花叶病毒的抗性，并且BRs能增加MAPK信号通路作用蛋白的表达量，这表明BRs能调控MAPK级联反应参与植物抗病毒作用［49］。

2.5 BRs调控防御应答相关基因表达

BRs信号通路已被证实可以调控多种基因的表达，其中也包含多种与植物抗逆应答相关的基因。Zhang等［20］研究表明：在使用BRs处理被花瓜花叶病毒侵染的拟南芥后，植物抗性相关基因WRKY转录因子家族成员WRKY30和WRKY33、MAPK级联反应通路蛋白MAPK3和MAPK6，SA调控抗病应答蛋白PR1和PR2、抗氧化相关蛋白酶谷胱甘肽转移酶的表达量显著增加。其中，前文已描述SA信号通路、MAPK级联反应以及植物抗氧化系统都在植物抗病毒应答中发挥了重要作用。而WRKY转录因子家族成员在调控抗病毒应答相关基因表达中也发挥了重要作用，例如在大米中WRKY30在抵抗病原物侵染时能增强JA积累和PR基因表达［50］，拟南芥的WRKY33被证实以SA-ET-JA信号网络多种蛋白基因为靶标，参与表达调控［51］。由此可见，BRs可以通过调控防御应答相关基因表达参与植物抗病毒作用。

3 小结与展望

在过去的几十年中，BRs信号通路一直是植物调控防御应答研究的热点之一，通过众多的突变体研究，BRs信号通路中重要的作用蛋白及其在植物生长和环境应答调控中的重要作用被不断地揭示。并且越来越多的证据表明，BRs信号通路并非单独发挥作用，而是与其他激素信号通路以及多种植物应激应答信号通路相关联，共同组成复杂的调控网络。然而，即便BRs信号通路已被详细地描述，仍然还有很多疑问需要进一步的研究和揭示，例如BRs信号通路如何调控数量如此之多的基因在不同的细胞、组织中的差异性表达，以平衡生长发育调控和环境胁迫应答调控。

今后，随着单细胞基因组学、改良蛋白质组学、计算机模型等技术的发展，研究人员对BRs信号通路的了解会不断加深，并将BRs及其调控作用应用到农作物和经济作物的栽培管理中，从而达到促进农作物提质增效的目的。