葡萄果实内油菜素内酯生物合成调控及生理效应

　　摘要油菜素内酯是调控植物生长发育的重要植物激素，具有促进植物细胞分裂和生长、光合作用和呼吸作用、植株光形态的建成、提高抗逆性以及降低蒸腾等作用，对葡萄果实产量和品质的提高均有着极其重要的贡献。本研究综述了油菜素内酯的生物合成途径及其关键酶、生物合成途径的影响因素，以及其对葡萄果实产量和品质的影响，总结了油菜素内酯对植物光合作用，呼吸作用，蒸腾作用及植物光形态的建成的生理效应。同时，对油菜素内酯与其他植物内源激素的互作网络进行了梳理，并提出未来的研究方向应以油菜素内酯合成相关转录因子、与其他植物激素互作机理和开发新型高效的油菜素内酯类植物调节剂为主。

　　关键词葡萄;油菜素内酯;合成;生理效应互作机理

　　油菜素内酯rassinolide,BR又名芸苔素内酯，是一类痕量高效的植物激素，具有调控植株生长发育的作用且广泛分布在植物体中Groveetal.,1979，因而也被誉为第六类激素。目前已知BR具有促进细胞分裂与生长、提高植物的抗逆性、平衡植物营养生长与生殖生长、促进植物的光合作用、提高产量等生理作用赵毓橘和王玉琴,1986,大自然探索,(3):133136.。

　　已有研究表明，BR可以显著促进西瓜Citrulluslanatus(Thunb.)Matsum.etNakai幼苗的生长王玉琴等,1994，也可以促进玉米ZeamaysL.根系的生长孔祥生和张妙霞,1998，且BR在对植物抗旱性、抗寒性、耐高温性、抗盐性、抗药性、抗病性的形成具有显著促进作用王红红等,2005。

　　在对BR生物合成途径的研究中发现，合成前体是30甾醇衍生物环状类固醇ycloartenol)，通过甲基化、异构化生成中间产物菜油甾醇ampesterol)，最后再通过前氧化途径和后氧化途径，最终生成了BR。BR在信号转导方面也有着重要作用，研究表明，BR信号通过细胞膜上受体BRI1/BAK1感知后，在一系列蛋白、酶的作用下调控下游基因的表达，进一步调控植物的生长发育(FujiokaandYokota, 2003)。植物生长发育由多种激素共同作用，有些激素表现为协同作用，有些则表现为拮抗作用。BR可以通过与生长素协同作用共同调控乙烯的生成，从而达到调控果实成熟的目的万正林,2007)。

　　同时，BR与脱落酸也具有协同作用，二者既可以通过促进果实可溶性固形物的增加，而调控葡萄果实花色苷的形成，也可以通过调节气孔运动进而提高植物对逆境胁迫的能力李钱峰等,2018。此外，BR与水杨酸也具有协同作用，二者通过调节膜保护酶的活性进而提高番茄LycopersiconesculentumMill.幼苗的抗逆性万正林,2007。

　　葡萄VitisviniferaL.是世界种植面积较广的果树，因其果实口感酸甜、适宜破碎而广泛应用于酿造葡萄酒。近年来，BR被广泛运用到葡萄栽培实践中，为葡萄产量、品质的提高做出贡献。研究表明，BR可改善葡萄浆果和串的大小和产量，提高葡萄果实对胁迫的抵抗能力，提高葡萄光合色素的含量BajguzandTretyn,2003。随着分析技术的完善、基因组学研究方法的应用、转录组学的发展等，BR在葡萄栽培过程中的应用也越来越广泛，本研究总结了BR合成代谢的分子机制及其对葡萄果实品质的生理作用，并为未来研究其他植物激素与油菜素内酯互作提供新思路。葡萄果实内的油菜素内酯.

　　BR在植物体内广泛存在，是唯一与动物激素相似的植物激素，与哺乳动物中的甾醇5α还原酶steroid5αreductase基因同源，这就意味着未来可以通过分析动物激素的作用机理推测出BR可能存在的代谢合成方式和信号转导途经。BR是甾醇类化合物，根据甾体分子碳原子数量，所有的BRs可以分为三类：27、28和29FujiokaandYokota,2003。随着激素分析技术日益成熟，目前已被发现的油菜素类固醇高达70多种。在香蒲科TyphaceaeJuss.)植物中，BR的存在形式主要是香蒲甾醇yphasterol图和茶甾醇easterone图2BBajguzandTretyn,2003。

　　对BR的生物合成途径的研究多聚焦于突变体中，有研究发现BR的合成途径分为早期C6氧化途径和后期C6氧化途径，Suzuk等(1995)研究发现了云台甾醇Campesterol是BR的合成起始物，经过加氧、羟化、氧化最终得到了氧芸苔甾烷醇xocampestanol，Fujioka1997发现该产物将继续羟化、脱羟基、再羟化进一步反应最终生成BR，该反应途径统称为早期C6氧化途径，进一步在长春花Catharanthusroseus(L.)G.Don)培养细胞中发现脱氧油菜素甾酮Dehydrocastasterone可以直接转化为油菜素甾酮Castasterone，这就意味着在植物体内还存在着另一条油菜素内酯的合成途径，即后期C6氧化途径。

　　早期C6氧化途径

　　具体过程是菜油甾醇Campesterol作为合成前体通过脱氢反应生成菜油甾烷醇ampestanol，之后通过羟基化生成6α羟基菜油甾烷醇αHydroxycampestanoil，随后通过加氧反应生成含氧菜油甾烷醇Oxocampestanol，通过两步羟基化生成长春花甾酮athasterone、茶甾酮easterone，通过脱氢反应生成脱氢茶甾酮Dehydroteasterone，进一步反应生成香莆甾醇yphasterol，最后通过羟基化生成油菜素甾酮astasteron，进一步氧化生成油菜素内酯rassinolideNoguchietal.,2000。

　　具体过程是脱氧茶甾酮Dehydroteasterone作为合成前体通过脱氢反应生成脱氢脱氧茶甾酮Dehydroeoxoteasterone，再通过羟基化合成脱氧香蒲甾醇Oeoxocastasterone，进一步脱氢生成油菜素甾酮Castasterone，最后脱氢生成油菜素内酯BrassinolideNoguchetal.,2000。

　　油菜素内酯的生物合成调控

　　油菜素内酯的合成与光信号调节植物光形态建成是一个低能量级的反应，大多数的BR缺失突变体都表现出叶卷曲，黄化的形态特征Hongetal,2002。Luo等(2010)分离鉴定出了调节植物光形态建成的拟南芥的转录因子GATA，它的作用是直接参与BR调控光信号的转导过程，进而参与调控植株光形态建成。

　　油菜素内酯生物合成的调节基因在BR信号转导的过程中，受体激酶BRI1与BAK1在信号通路中起决定性的作用。BRI1的过表达会使植物对BR敏感性增强，与BR的结合性也更强，BAK1与BRI1的作用机理可以概括为：BR结合蛋白与BRI1的胞外结构域结合，从而介导BR的信号转导，BRI1的同源物的突变体利用一种新的激活方式，在与BR结合后启动BR的信号转导。等(2002)研究发现AK1和BRI1具有相同的表达模式，并且两种蛋白都位于质膜上，因此可以相互作用，此外，BAK1和BRI1可以彼此磷酸化，并且BAK1在存在BRI1的情况下显示出更高的磷酸化水平。

　　Tang等(2008)研究拟南芥BSK族基因介导BRI1信号转导，发现BAK1最有可能介导BRI1激酶的激活，而不是介导BR信号通路中特定下游成分的信号转导，相反，BSK直接介导从BRI1到下游BR响应的信号转导。在对BR信号转导通路的研究中发现BAK1调节BRI1的运输，且BRI1与BAK1共受体在原生质体中的共过量表达导致BRI1的内部积累增加，但是原生质体系统的固有局限性限制了将功能性内吞作用与BRI1信号转导联系的尝试，故该假说一直未被证实Russinovaetal,2004。

　　在BR信号转导的过程中，BZR1在介导BR生物合成反馈抑制中有着重要的作用。通过对BZR1突变体核成分进行鉴定，发现BZR1是BR信号通路的正调节剂，介导下游BR生理效应和BR生物合成的反馈调节Wangetal,2002。BZR1作为BR合成转录抑制剂，对BR稳态的形成和生长发育中具有双重作用，ong等(2005)通过对拟南芥体内BR的突变体bzr11D研究分析发现显性bzr11D突变体可以增加BZR1蛋白的积累，抑制BR不敏感的bri1和bin2突变体，并导致对BR生物合成抑制剂油菜素唑不敏感，这些发现共同表明了BZR1在BR信号传导中起积极作用。

　　植物内油菜素内酯的生理效应

　　油菜素内酯对植物生长发育的影响BR作为植物体内的重要激素，对调控植物生长发育有着极其重要的作用，体现在对细胞的伸长、细胞的分裂、植株的生殖生长、植物的向性运动都有促进作用。BR增加植株株高主要是通过对细胞壁进行修饰和调控细胞壁合成基因表达从而影响细胞壁的生成。细胞的伸长主要与木葡聚糖内糖基转移酶与扩张蛋白的合成有关，有研究发现，BR可以促进新的木葡聚糖添加到细胞壁中，从而使细胞松弛细胞伸长(Jinetal.,2014)。

　　Xie等2011通过使用拟南芥BR突变体证明了BR通过与纤维素酶合成酶上游元件结合从而实现对纤维素合成酶的调控，这也解释了BR促进细胞伸长的原因。研究发现MD40作为调节蛋白对拟南芥下胚轴伸长有着正调控作用，与花粉管伸长有关的受体激酶FERONIA也参与BR信号转导的过程DeslauriersandLarsen,2010。通过对BR缺失突变体水稻的叶片夹角进行分析发现叶片连接处倾斜程度明显减少，推测出BR具有增加叶片弯曲程度的作用Nakayaetal,2002。

　　BR促进细胞分裂主要表现在促进叶片的扩张、促进根细胞周期的进程、调节维管束的数量、抑制气孔的形成。通过对大豆Glycinemax(Linn.)Merr.)上胚轴切断并进行BR的处理，目前已经被证实BR可以使周期蛋白CycD3表达上调Huetal,2000，从而对细胞分裂有所影响，而且外源BR可以使BR缺失突变体植株叶片扩大Nakayaetal,2002。

　　BR对根系的作用是通过调控细胞静止中心的分裂和远端干细胞的分化进程，Kuppusamy等(2009)研究发现BR还可以影响根毛的生成、并促进了侧根的生成。生长素可以促进木质部的发育，因此有研究者推测BR同样可以调节木质部的生命活动，目前已被证实，BR信号转导受体BRL1与BRL3可通过调节韧皮部与木质部分化比例进而调控维管束的发育Wangetal,200。

　　对拟南芥施加外源BR时也会发现，其气孔关闭的比例增加，气孔发育变缓，推测因为BR通过磷酸化调控与气孔发育有关的转录因子SPCH的活性，进而调节气孔开闭和发育Gudesblatetal,2012。BR调控植株的生殖生长表现在促进植物花粉管伸长、影响开花时间、诱导开花、提高产量及果实品质。李计红等(2011)研究发现施加外源的BR可以使拟南芥的开花时间提前，并且可以不通过春化和自主途经诱导植株的开花。

　　油菜素内酯在葡萄内应用及未来研究方向葡萄作为重要果树，如何提高果实品质一直是研究热点，由于BR具有促进植株生长、提高光合能力、提高抗旱能力的作用因而被广泛应用到葡萄的生产中。通过对葡萄浆果施用BR后发现果实成熟期提前，而施用BR抑制剂后果实成熟期延后，直接证明了BR参与调控果实成熟过程Symonsetal,2006。Vergar等(2018)在对葡萄施用BR类似物后发现鲜食葡萄色泽变艳，果实品质提高。

　　Zheng等(2020)研究发现经BR处理后的果实果糖成分含量提高、有机酸含量降低、花色苷含量显著提高，进一步分析发现BR可以通过抑制HMGR的活性，并与VvHMGR协同调节水果中颜色，从而促进香气及果实其他品质特征的形成。其他研究结果表明，对葡萄施用BR后果实产量、可溶性糖含量显著提高，抗氧化能力显著提高Babalıketal,2019。植物生长调节剂具有微量、高效的作用，在农业生产中有着极其重要的作用。目前萘乙酸、多效唑、吲哚乙酸、乙烯利、矮壮素等在农业生产中被广泛的应用。但是目前这些植物生长调节剂并不能长时间促进植物的生长发育，且作用形式单一，难以全方面的调控植物的生长和生殖。

　　农艺师论文范例：甘州区设施阳光玫瑰葡萄栽培技术

　　BR作为可以与多种植物激素互作的新型植物激素，其生理效应较广泛，可以全面的促进植物生长和代谢活动，因此，在未来的研究中应该着重研究BR与其他激素的互作机理，以便开发BR类的生长调节剂。BR与生长素、赤霉素、脱落酸、乙烯存在互作Tanakaetal.,2003;马立娜等,2012，但尚不明确其是否与细胞分裂素、水杨酸、茉莉酸发生互作，BR与其他植物激素互作调控的网络也将是未来研究的方向。通过分析近年来BR的应用现状，发现应该着手于解决农药残留的问题张琳,2011，而BR的优势在于其具有用量少、见效快的特点，可以很好的减少农药残留。因此，开发新型的BR类的生长调节剂是未来植物激素研究的新方向，有着广阔的前景。

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　　FengX.X.,2014,EffectsofbrassinolideonphysiologicalandbiochemicalcharacteristicsandqualityofredearthGrape,ThesisforM.S.,GansuAgriculturalUniversity,Supervisor:YangJ.S.,pp.4649

　　冯晓雪,2014,油菜素内酯对红地球葡萄生理生化特性和品质的影响,硕士学位论文,甘肃农业大学,导师:杨江山,pp.4649

　　作者：李嘉佳李相怡王磊王世平