植物激素信号传导的成果

1.生长素信号传导

生长素受体TIR1与生长素AUXIN结合后活化，与生长素处理10～20分钟后就被诱导形成、由多基因家族编码、分子量为20～35 kU的蛋白的区域Ⅱ结合，这些蛋白叫生长素诱导的基因编码的蛋白（Auxin-Induced Genes Encoded Protein，AUXIN/IAA）。由于TIR1含有F-box，而F-box与SCF结合，能降解目标蛋白，TIR1将结合的AUXIN/IAA送到蛋白酶降解。拟南芥中有29个AUXIN/IAA基因，多由生长素诱导，多数AUXIN/IAA蛋白有四个高度保守区域，每个有7～40个AA。低生长素浓度下，AUXIN/IAA蛋白通过区域I形成二聚体，并在C端（区域Ⅲ、IV）同生长素反应因子（Auxin Response Factor，ARF）结构相似的区域结合，抑制生长素反应基因的表达。高浓度生长素时，区域Ⅱ与结合有生长素的TIR1结合，释放区域Ⅲ、IV结合的ARF，从而释放对生长素反应基因表达的抑制（图2.4）。ARF是N端与生长素诱导的基因启动子中生长素反应元件（auxin-responsive elements，AuxREs）结合，促进或抑制目标蛋白表达的一类转录调控因子（Ulmasov et al.，1999），其C端与AUXIN/IAA蛋白相似区域结合，抑制对生长素反应基因的表达。拟南芥中ARF有23个，含有B3-DNA结合区域、抑制或激活区域，以及与AUXIN/IAA蛋白相似的区域Ⅲ、IV，不同的ARF在植物体不同的时空发挥不同的生长素反应（reviewed by Hagen et al.，2004；Lau et al.，2008）。

图2.4　TIR1介导的生长素信号传导Lau et al.，2008，ⓒASPB

TIR1家族生长素受体的调节比较复杂。TFR1家族还有5个成员，TFR1、AFB1、AFB2、AFB3具有生长素受体的作用，它们在生长素对根的作用中贡献不同，AFB3在根中对2，4-D反应，而AFB1不反应。TIR1、AFB2、AFB3在根中通过转录后调控，而且TIR1/AFB不受生长素正负循环的调控（Parry et al.，2009）。

在20世纪80年代被克隆出来的生长素受体ABP1（Auxin Binding Protein1）（Inohara et al.，1989）在几分钟内可以引起细胞质膜上荧光标记物的迅速扩散和稀释，细胞体积扩张（Dahlke et al.，2010）。烟草合子与胚发育中必需的生长素极性分布与ABP1和质膜H＋-ATPase活性相关（Chen et al.，2010）。反义抑制和细胞免疫抑制实验证明ABP1在拟南芥和烟草胚后茎端分生组织发育中参与对细胞分裂和细胞扩张促进和调控。对叶原基的作用尤为明显（Braun et al.，2008）。ABP1在拟南芥根中生长素诱导的生长中也起作用，在细胞周期中CYCD/RBP途径促进细胞周期，维持根分生组织（Tromas et al.，2009）。

生长素引起的反应有几分钟就表现出来的快速反应和比较慢的通过转录因子转录后翻译的长期反应。快速反应有三类：AUX/IAA、SAUR（Small Auxin Up RNAs）、GH3。

SAUR是最快诱导的基因，暴露在生长素中2～5分钟后转录，不同植物的SAUR有不同的诱导特性，也被不同的其他物质诱导。其转录子高度不稳定，3’端未翻译区域保守序列对其不稳定性起作用。其编码的蛋白分子量在9～15 kU。拟南芥有70个这样的基因，许多成串分布在染色体上。玉米SAUR蛋白的半衰期是7分钟。由其功能位置推断在核中起信号传导作用。

GH3是从大豆中分离的，生长素处理5分钟后转录，分子量70kU，定位于细胞质，相当稳定。拟南芥有19个基因，每个编码65～70kU蛋白，至少有一个基因介导光信号传递。拟南芥茉莉酸反应突变体jar1/（GH3-11）和其他15个GH3成员编码的基因是一类acyl adenylate-forming enzymes，以植物激素为底物，GH3-11对JA（jasmonic asid）有专一反应，6个其他家族成员专一使IAA腺苷化，这些可能是激素代谢的步骤。复合物对信号传导有正的调控作用，而对IAA有负的调控作用。

生长素对植物体的作用在很大程度上与生长素的运输有关，生长素本身也调控生长素运出载体PIN的分布（Smith et al.，2006；Pan et al.，2009）。TIR1 E3复合物和膜脂甾类一起在生长素调控的PIN2的细胞内吞、再循环、质膜上的分布过程中起着关键作用。生长素抑制PIN2的内吞作用，而TIR1复合体突变降低生长素的抑制作用（Pan et al.，2009）。

生长素在细胞间和细胞内的运输需要载体介导。目前已经发现的细胞间运输的载体有运入和运出载体。生长素运入载体有氨基酸通透酶类AUXIN-RESISTANT1/LIKE AUX1（AUX1/LAX）（Swarup et al.，2001；2008），生长素运输载体还有需能的P糖蛋白（PGP）驱动、结合ATP的ABC（ATP Binding Cassette）类载体，已经发现它们与运出载体PIN（PINFORMED）作用，能够介导生长素运输的ABC载体有B1、B4、B19（Petrasek et al.，2006；Blakeslee et al.，2007；Bandyopadhyay et al.，2007；Mravec et al.，2008；Titapiwatanakun et al.，2008）。拟南芥生长素运出载体PIN家族目前发现8种，其中1、2、3、4、7位于细胞质膜上，起外运载体作用，在植物发育的各种过程中起关键调控作用，如胚发育、向性生长、根分生组织分化、微管组织发育和再生、侧生器官形成和发育等（Friml et al.，2003；2002a；2002b；Sauer and Friml，2004；Weijers et al.，2005；Sauer et al.，2006；Scarpella et al.，2006；Reinhardt et al.，2003；Blilou et al.，2005；Abas et al.，2006）。在植物发育过程中，这些载体不对称分布，其分布类型在生长素分布和植物发育中起重要作用（Swarup et al.，2001；Feraru and Friml，2008；Bandyopadhyay et al.，2007）。

另一类PIN（5、6、8及一些质膜PIN）载体在细胞内膜泡运输中起作用，参与内膜系统再循环，这些循环包括将顶端PIN内吞，通过ARF GEF GNOM释放到基部质膜（Geldner et al.，2001；Kleine-Vehn et al.，2008a），实现PIN在细胞内方向分布的改变，从而改变生长素运输方向，使细胞各种反应在组织中灵活适应内外环境。其他参与PIN胞内膜循环调控的还有早期内膜调控复合体ARF GEF BEN1/MIN7（Tanaka et al.，2009）、与GNOM相拮抗的ARF GAP VAN3（Naramoto et al.，2009）。PIN类细胞内再循环依赖细胞骨架肌动蛋白（Geldner et al.，2001），微管具有间接作用（Kleine-Vehn，2008b）。而在细胞分裂期间，一些PIN的细胞内膜泡运输由微管介导（Geldner et al.，2001；Kleine-Vehn，2008b）.。细胞分裂期间PIN参与的膜泡运输目标是细胞板，包括了内吞和外泌两类物质（Friml，2010）。

PIN在细胞内的顶端和基部分布受到Ser/Thr类激酶Pinoid（PID）的磷酸化和蛋白磷酸酶PP2A（protein phosphatase-2A）去磷酸的调控。磷酸化的PIN分布在顶端，去磷酸化PIN分布在基部（Friml，2010）。

2.细胞分裂素信号传导

细胞分裂素的信号传导是双组分信号传导。第一个组分是感受器组氨酸蛋白激酶，对外界环境刺激进行反应。第二个组分是介导输出的调控因子，通常对基因转录有直接调控作用。传感器是跨膜组氨酸激酶二聚体，细胞外部分接受输入信号，控制激酶活性。当刺激物结合时，发生反式磷酸化，二聚体中一个亚基的激酶区域磷酸化相反亚基细胞内传输区域保守的组氨酸。在一些系统，结合到输入区域也可以负调控组氨酸激酶。在活性状态，反应调控因子接受区域保守的天冬氨酸被磷酸化，引起具有生物功能的输出区域活化，进行基因的转录调控，或者通过蛋白-蛋白之间的作用影响生物功能。两组分系统可以通过磷酸信号传输蛋白形成组氨酸-天冬氨酸交替的磷酸化链（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

拟南芥基因组有16个类似组氨酸激酶（Arabidopsis Histidine Kinases，AHKs）基因和32个反应调控因子相关的蛋白。其中组氨酸激酶分为三组：乙烯受体、细胞分裂素受体、光敏素，还有三个在这三组之外：CK11、AHK5、AHK1（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

细胞分裂素受体家族是CRE1/AHK4/WOL、AHK2和AHK3（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004；Hutchison and Kieber，2002）。AHK4在植物中作为细胞分裂素受体起作用，在酵母中还可以作为渗透势传感器（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。AHK2和AHK3高度相似，在N端细胞外区域两侧有跨膜区域、一个组氨酸激酶传导区、一个功能区域和一个退化的受体区域。这三个传感激酶还具有一个保守的CHASE（cyclase/histidine kinases-associated sensory extracellular）区域，对AHK4，这个区域与细胞分裂素结合。但对AHK2和AHK3无直接证据。AHK2和AHK3引起不同的对细胞分裂素的反应。AHK4的CHASE区发生突变，使根维管束的韧皮部不能发育。对根的影响与对细胞分裂素的信号传递相分离（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。对AHK4、AHK2和AHK3的多种突变组合植物的研究表明它们在植物发育过程中都起重要作用（Nishimura et al.，2004；Higuchi et al.，2004；Riefler et al.，2006）。

（1）细胞分裂素诱导的原初反应：根据拟南芥原初反应调控因子（Arabidopsis Response Regulators，ARRs）的不同，细胞分裂素通过A和B两条途径引起植物反应（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

双组分系统中的第二部分是反应调控因子。拟南芥中有32个反应调控因子，分为三个家族：A类ARRs、B类ARRs、假（pseudo）-ARRs。A类ARRs受体区域含有Asp-Asp-Lys（D-D-K）保守序列，中心的Asp基团从磷酸传输子的组氨酸接受一个磷酸基团。B类ARRs有一个与DNA结合区域融合的受体区域和一个C端转录激活区域。假（pseudo）-ARRs含有非典型受体区域，没有DDK序列，很可能参与生物钟调控（Reviewed by Maxwell and Kieber.，2004）。

（2）组氨酸磷酸转移蛋白（Histidine-phosphotransfer Proteins：AHPs）：细胞分裂素受体与磷酸受体Asp区域融合，类型A和类型B反应调控因子都有Asp受体区域，需要一个组氨酸磷酸转移蛋白介导。拟南芥中发现了5个基因，编码与酵母和原核组氨酸磷酸转移区域相似的蛋白（1～150aa），第六个蛋白AHP6/APHP1可能也具有组氨酸磷酸转移活性。AHPs的稳定水平不被细胞分裂素或刺激信号诱导（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

AHP的下游是目标A和B类ARR反应调控因子，不同的AHP专一性不同。酵母双杂交实验证明，AHP2与AHK1、ETR1、CKI1作用；AHP1只与ETR1作用。AHP本身没有酶活性，只提供磷酸基团。AHP1和AHP2与细胞分裂素信号传导途径相连。在细胞分裂素处理下，拟南芥中AHP1和AHP2从细胞质转移到细胞核中。这为原生质膜定位的AHK受体的磷酸基团转移到细胞核定位的ARR上提供机理上的连接（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

（3）A类拟南芥原初反应调控因子：A类ARRs在受体区域两端只有短的延伸，由5对高度同源对组成。细胞分裂素诱导A类ARRs的转录。不同的ARR表达区域具有特异性，使细胞分裂素在不同组织部位发挥特异的作用。ARR5在根和茎端分生组织以及维管组织表达。ARR4蛋白在茎、叶表达（Hutchison and Kieber，2002）。多数在A类ARR细胞核中分布，少数如ARR16在细胞质中表达，细胞核中分布的ARR7的核定位依赖其C端的核定位信号序列，这在ARR16中不存在（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

A类ARRs还可以被细胞分裂素诱导磷酸化。ARR3、ARR4、ARR6都可以在3分钟内获得磷酸基团。ARR3内保守的Asp是磷酸化必需的。在AHP1、AHP2和几个ARR之间磷酸的传递在体外得到证明。A类ARR可以自身负调控细胞分裂素诱导的转录。ARR6：：LUC融合基因的转录被几种A类ARR基因的过量表达抑制。ARR4和ARR6受体区域Asp的缺失并不阻止pARR6：：LUC的细胞分裂素诱导的表达，可能非磷酸化形式抑制信号传递而磷酸化形式无影响。A类ARR敲除的四突变体和六突变体表型表明A类ARRs具有重叠功能（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

一些A类ARRs可被环境因子如光、硝酸盐、高盐、低温等诱导，说明这些输入信号以某种方式与细胞分裂素或与其他双组分信号系统整合。玉米中硝酸盐提高细胞分裂素的水平，导致玉米同源反应调控因子基因的表达。拟南芥类似物也是一样。这些基因在整株植物中是被细胞分裂素和硝酸根诱导，但分离的叶中只被细胞分裂素诱导，说明细胞分裂素可能使用双组分信号系统介导从根到叶的氮信号（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。A类ARRs由于是逆境中的反应，主要介导负调控反应。

（4）B类拟南芥原初反应调控因子：B类ARRs在酵母和植物中是转录激活因子，通常介导正调控反应。12个B类ARRs有N端受体区域和相连的300个氨基酸的C端延伸区，这个C端区域含有一个富含谷氨酸的区域和与MYB DNA结合区域超级家族相关的GARP（Golden2/ARR/Psr1）区域。GARP DNA结合区域与生理种相关的MYB转录因子LHY和CCA1属于同类（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。B类ARR由于C端的VRK（R/K）R核定位序列而存在于细胞核中。ARR1、2、10、11富含谷氨酸的C端区域具有序列专一的转录激活功能。GARP结合DNA的结合序列是（G/A）GAT（T/C）。这类结合位点保守序列存在于迄今发现的细胞分裂素原初反应的所有基因启动子中。

过量表达ARR1、2、10、11导致细胞分裂素敏感性的增加。过量表达ARR14、20、21的C端DNA结合区域导致不同的形态变化。ARR20 C端DNA结合区域过量表达使幼苗形成愈伤组织，一批A类ARRs表达上调（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。ARR1、10、11的过量表达增强细胞分裂素诱导的A类ARRs启动子的活化。ARR2受体区域与这类活化无关，表明磷酸化与细胞分裂素的激活无关。植物中过量表达ARR2使衰老延迟，顶端和叶生长增加。ARR1和ARR2在细胞分裂素信号传导中起作用，其水平是细胞分裂素反应限制因子（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

一类AP2转录因子被细胞分裂素诱导上调表达，被称为细胞分裂素反应因子（CYTOKININ RESPONSE FACTORS，CRF）。CRFs在胚、子叶和叶的发育调控中具有重叠功能，介导一批细胞分裂素调控的转录反应，与B类ARRs的功能大量重叠，可能是一套基因，在细胞分裂素起始反应中起作用（Rashotte et al.，2006）。

一组基因芯片研究发现了17个细胞分裂素转录调控的基因，包括两个AP2样转录调控因子、细胞分裂素氧化酶、生长素相关基因（IAA3/SHY2，SAUR-AC1，IAA17/AXR3）及几个与疾病相关的基因。这些基因的启动子含有至少一个以上的ARR1和ARRDNA识别核心序列，表明B类ARR在细胞分裂素诱导的原初反应中起重要作用（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

拟南芥一类亮氨酸拉链转录因子GeBP家族中四个转录因子GeBP和GeBP-like proteins（GPL）1、2、3参与细胞分裂素介导的生长和老化反应，突变体中A类ARRs表达上升，说明这类基因与A类ARR的作用相拮抗（Chevalier et al.，2008）。

（5）细胞分裂素与分生组织的联系：细胞分裂素通过CycD3基因的诱导调控细胞循环。愈伤组织CycD3的恒定表达使愈伤组织形成不需要细胞分裂素。D类型cyclin是参与G1到S期转变的主要因子，在控制细胞繁殖中起着关键作用。细胞分裂素双组分元件AHK4、ARR4、ARR7在细胞周期循环中受到协同调控，在G1期有表达高峰。这些基因的上调表达反映了细胞分裂素在G1期合成的增加，这样可能导致CycD3表达的增加（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

植物茎顶端分生组织中细胞分裂素氧化酶的突变导致细胞分裂素总水平降低，茎发育减少，根繁殖增加；反之，叶原基繁殖。在根和茎分生组织中细胞分裂素起着相反的作用。很可能控制SAM的细胞数目（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。细胞分裂素受体ahk4ahk2ahk3三突变使分生组织体积和活性减小、无细胞生物素反应，没有细胞分裂素诱导的基因表达（Higuchi et al.，2004）。

玉米KANT1类似基因Kn1在衰老诱导的启动子控制下的体外表达延迟衰老，细胞分裂素水平上升15倍；水稻和烟草KNOX基因的过量表达也使细胞分裂素水平上升。细胞分裂素提高这些同源盒基因的表达水平，它们之间存在正的相互作用（Reviewed by Maxwell and Kieber.，2004）。

（6）磷脂酶D（Phospholipase D，PLD）和钙与细胞分裂素信号传导：PLD抑制剂抑制细胞分裂素对A类基因启动子和GUS融合蛋白的诱导和转录，表明钙信号参与了早期细胞分裂素的传导。苔藓细胞中，细胞分裂素的处理导致细胞内钙离子浓度的增加，细胞内钙离子水平依赖于细胞外基质钙的存在。钙离子是通过原生质膜上的依赖电压的钙离子通道运入，导致出芽。一个依赖钙的蛋白激酶CDPK基因同样在细胞分裂素作用下，在黄瓜中下调，在烟草中上调。依赖硝酸盐的原初反应基因表达也涉及钙离子和蛋白质磷酸化。人们假设这些对硝酸盐供给的反应与细胞分裂素信号链下游双组分系统有关（Reviewed by Maxwell and Kieber.，2004）。

（7）泛素降解蛋白酶体与细胞分裂素信号传导：26S蛋白酶体参与细胞分裂素对cyclin D3的调控（Smalle et al.，2002）。一些膜结合的转录因子的活化也是通过蛋白酶体进行的。拟南芥NAC（NAM、ATAF1/2、CUC2）膜结合转录因子在被蛋白酶切割后活化，介导细胞分裂素诱导的细胞分裂活动，突变体生长迟滞，CDK抑制蛋白上调表达（Kim et al.，2006）。细胞分裂素反应蛋白ARR3、ARR5、ARR7、ARR16、ARR17，可能还有ARR8、ARR15受到蛋白酶系统降解的调控（Ren et al.，2009）。

（8）细胞分裂素的负调控：PLS（Polaris）基因编码36个AA多肽，主要在胚和幼根中表达，其表达被生长素诱导和被细胞分裂素抑制。突变体根生长降低，对外源生长素敏感性降低，根对外源细胞分裂素超敏感。叶维管化。突变体中细胞分裂素和生长素诱导的基因ARR5、IAA1表达缺陷。说明PLS参与了特定类型生长素与细胞分裂素的相互作用（Reviewed by Maxwell and Kieber.，2004）。

三种pasticcino（pas）突变体表现出细胞繁殖过量、SAM和胚轴形成额外细胞层。PAS1编码未知功能的immunophilin样蛋白，细胞分裂素上调其转录。PEPINO/PAS2编码假定的抗磷酸酶蛋白，调控CDKA的活性（Da Costa et al.，2006）。其突变体表现出异常的细胞繁殖，这种表型被amp突变体增强，导致内源细胞分裂素水平上升，使PEP与细胞分裂素信号传导连接起来（Reviewed by Maxwell and Kieber.，2004）。

（9）细胞分裂素的正调控：细胞分裂素对黑暗中生长幼苗的作用是通过稳定乙烯合成有关蛋白促进乙烯的形成。如，通过控制ACS5蛋白的稳定性控制乙烯的合成，acs5突变体对细胞分裂素不敏感。cin1-cin4突变对细胞分裂素在幼苗中诱导下不能形成乙烯。cin1在形成茎的起始和花青素形成上缺陷，cin4与光形态建成突变体fus9/cop10同源，后者是泛素聚合酶变异体，与COP1和COP9信号传导体一起调控蛋白质降解（Reviewed by Maxwell and Kieber，2004）。

3.赤霉素信号传导

在水稻和拟南芥中赤霉素受体是GID1。GID1与激素敏感的脂酶同源（Ueguchi-Tanaka et al.，2005；Bishopp et al.，2006）。GID1结合赤霉素后，与不同类型含有DELLA结构的蛋白结合，通过与生长素类似的泛素降解蛋白体系进行信号传导，诱发正或负的调控反应（图2.5）。

E3泛素连接酶是编码具有F-box的SCF的组成蛋白，水稻中是GID2（Gibberellin Insensitive Dwarf2），和拟南芥中的SLY1同源，是GA信号传导的正调控因子，修饰GA反应成分的稳定性（Reviewed by Sun，2004）。RGA（REPRESSOR OF ga1-3）和SLR1（SLENDER RICE1）是SCFSLY1和SCFGID2的目标蛋白，通过泛素降解复合体降解（Ueguchi-Tanaka et al.，2007）。

图2.5　GA信号传导示意图（by Haiyan yan）

正调控中，GID1结合赤霉素后，能直接与结合在目标基因启动子上含有DELLA的负调控转录因子结合，再通过SCFGID2的作用，使之被送到蛋白质降解酶系降解（Ueguchi-Tanaka et al.，2005；Bishopp et al.，2006；Gomi et al.，2004；Sasaki et al.，2003；Ariizumi et al.，2008），从而诱导基因表达。

DELLA、VHYNP或VHYNP和DELLA区域之间的结构是GID1-GA复合物结合的区域，因此是GA诱导RGA/SLR1/SLN1降解的必需途径。这些蛋白都含有DELLA区域，属于DELLA蛋白。GA通过诱导RGA、GAI蛋白的降解解除它在信号途径中的抑制，属于正调控（Reviewed by Sun，2004）。(www.chuimin.cn)

RGA、GAI除了含有DELLA区域外，还含有作为磷酸化或糖基化目标的多聚（polymeric）Ser/Thr（S/T）区域、介导蛋白和蛋白之间作用的Leu heptad repeats（LHR）（7亮氨酸重复）区域、核定位信号（NLS）区域、磷酸酪氨酸结合位点（图2.6）。多聚S/T区域可能在调节SLR1活性中起作用。LHR可能在二聚体化中起作用。SLR1C端的VHⅡD区域的缺失对赤霉素不反应，突变蛋白的过量表达表现细长表型（Reviewed by Sun，2004）。

图2.6　RGA，GAI结构示意图（Sun，2004，严海燕改画）

SCF E3连接酶对目标蛋白的识别需要目标蛋白的翻译后修饰如磷酸化。gid2突变体中有磷酸化和非磷酸化的SLR1蛋白形式，而野生型中只检测到有非磷酸化的SLR1。然而，拟南芥中GA通过GID1与DELLA的作用也可以不通过SLY1，可能还有其他途径（Ariizumi et al.，2008）。

RGA、GAI可能通过与转录因子结合，起着共激活或共抑制的作用。RGA、GAI的DELLA保守区域在对GA信号反应中活性的变化起重要作用。SPY（SPINDLY）催化RGA的Ser/Thr糖基化，增加RGA活性，是GA反应的负调控因子（Silverstone et al.，2007）。

GA信号传导第二类抑制因子在拟南芥和几种作物中高度保守。拟南芥RGA、GAI、RGL1、RGL2、RGL3、玉米d8、小麦Rht、水稻SLR1、燕麦SLN1、葡萄VvGA1、RGA、GAI属于植物专一的GRAS蛋白家族的DELLA亚家族。拟南芥有30个GRAS家族成员，GRAS都含有C端保守序列，N端可变。在RGA、GAI的N端附近有保守的DELLA序列，在其他GRAS成员中不存在。RGA、GAI有82%的相似性，功能有部分重叠，保持GA信号途径的抑制状态。RGA、GAI功能的去除使顶端叶簇扩张、开花时间设定、茎延长。三个DELLA亚家族蛋白RGL1、RGL2、RGL3中，RGL1、RGL2可能控制种子萌发。开花控制更复杂，可能需要多个蛋白的功能（Reviewed by Sun，2004）。

拟南芥GA信号传导另一个抑制因子SHORT INTERNODES（SHI）含有锌指结合区域，可能在泛素介导的蛋白降解或转录调控中起作用。SHI在大麦糊粉层的瞬时表达抑制GA诱导的淀粉酶合成（Reviewed by Sun，2004）。

4.乙烯信号传导

乙烯信号受体有5个成员，都具有保守的组氨酸（H）和天冬氨酸（D）磷酸化位点、激酶活性和激酶激酶区域内保守的氨基酸序列（NGFG）。每个受体N端跨膜区域都与乙烯和铜辅助因子结合，5个成员又根据信号序列的结构分为两类I和Ⅱ（图2.7）（reviewed by Schaller and Kieber，2002；Kendrick and Chang，2008）。

图2.7　乙烯受体结构（Schaller and Kieber，2002，ⓒASPB）

乙烯容易扩散通过气孔和脂膜，乙烯受体位于几种膜系统，已经发现五种乙烯受体同时位于内质网膜上，ETR1在拟南芥根中主要位于高尔基体上，烟草NTHK1（Ⅱ）位于质膜（Kendrick and Chang，2008）。各种乙烯受体之间形成同源或异源聚合体形式（reviewed by Kendrick and Chang，2008）。

乙烯受体对乙烯的结合需要铜离子介导，而铜离子需要铜离子运输蛋白RAN1提供（图2.8）。RAN1的突变改变乙烯受体配体专一性，降低乙烯信号传导途径的功能。银离子是铜离子的类似物，抑制植物对乙烯信号的反应（Reviewed by Schaller and Kieber，2002；Kendrick and Chang，2008）。

图2.8　乙烯受体与乙烯信号传导示意图Schaller and Kieber，2002，ⓒASPB

两类乙烯受体中，I类受体N端有三个跨膜区域，Ⅱ类受体有四个跨膜区域。I类受体具有组氨酸激酶活性，而Ⅱ类受体有丝/苏氨酸激酶活性（图2.8），拟南芥ETR1和ERS1以及番茄六个受体中的三个属于I类受体（reviewed by Kendrick and Chang，2008）。每种受体都具有不同的功能。拟南芥中I类受体和烟草中Ⅱ类受体的作用更广泛，但不能替代另一类受体的功能（reviewed by Kendrick and Chang，2008）。

ETR1的N端跨膜区域细胞质区I和Ⅲ不干扰与乙烯的结合，具有乙烯信号转导的抑制作用。膜内蛋白RTE1专一地抑制ETR1的作用，RTE1的表达受乙烯诱导（reviewed by Kendrick and Chang，2008）。

在没有乙烯信号时，乙烯受体通过Raf蛋白激酶CTR1抑制下游乙烯反应。乙烯的结合使受体失活，EIN2被激活，涉及EIN3/EIL和ERF转录因子起始的一系列转录系列被激活。这些转录因子家族都参与乙烯反应（图2.9，Reviewed by Schaller and Kieber，2002；Kendrick and Chang，2008）。

CTR1具有Ser/Thr激酶活性，直接通过其N端与乙烯受体ETR1结合。没有乙烯存在时，乙烯受体活化CTR1，使其对下游目标磷酸化，抑制乙烯途径。乙烯结合以后，CTR1对下游的抑制释放，乙烯途径能够进行（Reviewed by Schaller and Kieber，2002）。磷脂酸PA能够与CTR1结合，抑制CTR1的激酶活性（Reviewed by Kendrick and Chang，2008）。

乙烯下游途径是MAPK信号传导途径，在中心信号成分EIN2上游。EIN2是乙烯信号途径的正调控因子。它的等位基因在其他激素信号传导途径中也存在（Reviewed by Schaller and Kieber，2002）。

EIN2编码N端有12个跨膜区域的膜内在蛋白，与铁离子运输蛋白Nramp家族有相似性，但没有实验证明它有离子转运的功能。其C端亲水，与已知功能肽链没有同源性，可能具有蛋白-蛋白相互作用的功能，单独的C端亲水区域足以诱导植物对乙烯的反应。过量表达C-EIN2在光和成熟植物中恒定表现对乙烯的反应。这些植物同样恒定表达对乙烯反应的基因，但不能诱导暗中的幼苗三联反应，表明Nramp在感知上游乙烯信号中的作用。而C-EIN2在传导信号中起重要作用。

图2.9　乙烯信号传导初始途径（Schaller and Kieber，2002，ⓒASPB）

EIN3家族和其目标基因作用发生在细胞核中。拟南芥有六个EIN3家族蛋白，突变体对乙烯反应降低，包括暗中生长幼苗的不敏感性、基因表达、叶子老化，体现了正调控因子的特性。

EIN3定位于核中，N端含有酸性氨基酸，相邻区域富含脯氨酸，具有线圈结构和几个含有高度碱性氨基酸的区域。两个类似于EIN3的成员EIL1、EIL2互补EIN3的突变。EIN3或EIL1的过量表达诱导组成型乙烯反应，说明它们能激活乙烯反应途径（Reviewed by Schaller and Kieber，2002）。

EIN3功能独立于EIN2说明其在EIN2下游起作用，EIN3表达不受乙烯影响。EIN3、EIL1、ETR2、LeETR4、LeETR6受蛋白酶解体系的控制，EBF1和EBF2与EIN3结合，介导它的降解。EBF1主要作用在乙烯信号之前，EBF2主要作用在乙烯信号之后。EIN3还通过两个苏氨酸174和592的磷酸化分别受到稳定和降解的调控。MPK3和MPK 6在EIN3的苏氨酸174磷酸化，促使其稳定，而CTR1通过未知途径使EIN3的苏氨酸592磷酸化而降解（Reviewed by Schaller and Kieber，2002）。

EIN3作为转录因子调控EBF1和EBF2的转录。ein3突变体中EBF1和EBF2的转录受到干扰；乙烯稳定和防止EIN3降解，另一方面乙烯诱导EBF1和EBF2合成，使之介导EIN3的降解，形成负反馈调节。EIN3/EIL以同源二聚体形式与EREBP（ERF1）的启动子中一段反向徊文序列结合，控制ERF1的转录。这段序列是原始乙烯反应元件（primary ethylene response element，PERE）（Reviewed by Schaller and Kieber，2002；Kendrick and Chang，2008）。一个核酸外切酶EIN5可能通过促进EBF1和EBF2转录的抑制因子而调节EBF1和EBF2的水平（Reviewed by Schaller and Kieber，2002）。

ERF1本身也是转录因子，专一与GCCbox结合，作为正调控因子，调节其他EREBPs。而EREBPs在各种事件中或正或负，调控其他基因的转录（Reviewed by Schaller and Kieber，2002）。最近发现两种参与转录因子复合物形成的蛋白（Enhanced Ethylene Response）EER3和EER4在乙烯反应中起负调控作用（reviewed by Kendrick and Chang，2008）。

5.脱落酸信号传导

脱落酸在细胞中合成，也进行细胞间运输。已经发现位于细胞质膜ABC类载体AtABCG25和AtPDR12/ABCG40参与ABA的运出和运入，AtABCG25是运出载体，主要分布在维管束中（Kuromori et al.，2010），AtPDR12/ABCG40是运入载体（Kang et al.，2010）。

细胞对ABA的感受在细胞内和细胞外都存在（reviewed in Finkelstein et al.，2006），保卫细胞质膜上有明显的ABA结合（Yamazaki et al.，2003）。

目前发现的ABA结合蛋白都是通过免疫共沉淀实验证明的蛋白。其中FCA（Flowering Time Control Protein A）是开花决定自开花途径抑制因子，存在于细胞质（Razem et al.，2004，2006），还有一组PYR（Pyrabactin Resistance 1）/PYL（PYR1-Like）/RCAR（Regulatory Components of ABA Receptor）蛋白（Nishimura et al.，2009；Park et al.，2009）、位于质体的含Mg原卟啉IX螯合酶H亚单位CHLH（protoporphyrin IX chelatase H subunit）、GCR2、GPCRs、GTG1（GPCR-Type G-Protein1）、GTG2（reviewed in Risk et al.，2009）。其中FCA和GCR2与ABA的结合还有争议（Risk et al.，2009）。

PYR类蛋白形成二聚体，通过与ABA的结合改变构象，从而触发与2C类蛋白磷酸酶活性的变化（Nishimura et al.，2009；Park et al.，2009）。

虽然ABA受体的研究工作一直很难明晰。但许多ABA信号传导途径中的中间成分已经很清楚。如GCR1、一些G-蛋白、钙信号传导和钙调蛋白、二级信使IP3（Inositol triphosphate）、IP6、ROS，一些酶如PLD（phospholipase D）和产物（PA，Phosphatidic acid）磷脂酸以及一些调控因子如PLC（phospholipase C）。拟南芥的G蛋白ROP9和ROP10在ABA对种子萌发和幼苗生长的反应中起负调控作用。ROP9和ROP10都含有farnesylation motifs，位于细胞膜上。AtPLC1对ABA在萌发、生长和营养相关基因表达中的作用是必需，但不是充分的。更高磷酸化的肌醇（IP6）对ABA在气孔打开的抑制中有作用。磷脂酸介导ABA对气孔的调节。ABA促进其中最普遍的一种PLDa的表达。PLDa的反义抑制降低ABA和乙烯促进的离体叶片的老化（Finkelstein and Rock，2002；Assmann，2004）。

细胞内钙浓度的变化、分布对于激素信号反应专一性很关键，钙信号的变化由细胞内贮藏钙和质膜通道介导的钙内流造成。IP3或cyclic ADP-Rib诱导细胞内贮藏钙的释放（Finkelstein and Rock，2002；Assmann，2004）。

活性氧（reactive oxygen species（ROS；e.g.，H2O2））的形成使钙通道更敏感。ROS作为第二信使起作用，它是包括干旱和病原侵犯的逆境引起的依赖Rop的反应，导致气孔关闭。H2O2-激活的MAPK系列反应可以强化抗性反应。AAPK编码保卫细胞专一的ABA激活的Ser/Thr激酶，在ABA信号传递中有部分作用，protein phosphatase 2C对ABA信号传递有多种负调控作用（Finkelstein and Rock，2002；Assmann，2004）。

细胞外pH值上升，引起钾通道活性降低，活性升高，气孔关闭。由于ABI1 protein phosphatase 2C由pH值上升激活，使ABA反应失活，因此可能是一个负反馈机理（Finkelstein and Rock，2002；Assmann，2004）。

6.芸薹素信号传导

芸薹素（brassinosteroid，BR）又叫油菜类甾醇，是甾醇类化合物，介导对逆境的反应，与生长素、细胞分裂素共同作用，促进细胞分裂、分化，参与繁殖和老化过程。芸薹素BR信号传导是从细胞表面到细胞核系列磷酸化和去磷酸化的传导过程。

目前发现的与芸薹素识别有关的基因有BRI1（brassinosteroid-insensitive1）、BRL1（BRI1-Like 1）、BRL3。与芸薹素信号传导有关的基因有BAK1（BRI1-ASSOCIATED RECEPTOR KINASE1）、BR信号传导激酶BSK（BR-signaling kinases）、BKI1（BRI1 KINASE INHIBITOR1）、磷酸酶BRI1抑制因子BSU1（BRI1 SUPPRESSOR PROTEIN 1）、GSK激酶BIN2（BR INSENSITIVE2）、转录因子BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）、BES1（BRI1 EMS SUPPRESSOR 1）/BZR2、TTL（Transthyretin-Like protein）（In review by Clouse，2004；Gendron and Wang，2007；Kim et al.，2009）。

BRI1编码膜结合富含亮氨酸重复（Leu-rich repeat，LRR）的受体样激酶（receptor-like kinase，RLK），在细胞外通过由N端信号肽、LRR21和70个氨基酸形成的岛结构与BR结合，BRI1有单个跨膜区域，细胞内是C端丝/苏氨酸激酶区域，有41个氨基酸。BKI1是一个质膜结合蛋白，通过BRI的膜内激酶区域在没有BR结合到BRI1时与BRI1结合，抑制与BAK1的结合，负调控BRI1信号途径。当BR结合到同源BRI1寡聚体上时，BKI1从质膜解离。BAK1也是一个LRR受体激酶，细胞外区域很短，有5个LRRs，没有BRI1所具有的70个氨基酸形成的岛。BRI1与BR的结合诱导自磷酸化后，与BAK1结合形成信号竞争异源寡聚体。活化后的BRI1对也是细胞质膜结合的激酶BSK在Ser230进行磷酸化，激活BSK。活性BSK与磷酸酶BSU1直接作用，激活BSU1，而BSU1使GSK激酶BIN2在pTyr200去磷酸化而失去激酶活性。这样细胞核中受BIN2磷酸化而无活性的转录因子BZR1/BZR2因为BIN2失活而减少，去磷酸化的BZR1/BZR2积累使转录得以进行（In review by Clouse，2004；Gendron and Wang，2007；Kim et al.，2009）。

有报道当BRI1与BR结合形成寡聚体后，内吞进入细胞成为内体，内体在细胞内发挥其调控作用，目前这种现象还不是很清楚，可能是BR信号传导中的一种反应（Gendron and Wang，2007）。