植物在上億年的進化過程中逐漸產(chǎn)生一套自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)以應對各種環(huán)境脅迫，而這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)通常是由植物內(nèi)源激素信號的傳導與響應來控制的。這些微量的小分子有機化合物協(xié)調(diào)控制植物的生長發(fā)育，及逆境脅迫響應。隨著人類對植物激素的深入了解，開始將天然植物激素或人工合成激素類似物作為植物生長調(diào)節(jié)劑運用在農(nóng)事生產(chǎn)，提高作物產(chǎn)量、增強作物抗性、提升作物品質(zhì)以滿足人們?nèi)找嫫惹械貙r(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)的要求。

在品類眾多的植物生長調(diào)節(jié)劑中，蕓苔素內(nèi)酯（Brassinosteroid，BR）無疑是其中的佼佼者，自發(fā)現(xiàn)之初就成為科學家熱議的話題和農(nóng)業(yè)工作者的寵兒[1 ]。美國科學家Mitchell于1970年首先提出油菜素（brassins）的概念，這種來源于油菜花粉提取物的未知成分在極低的濃度下就能夠有效促進莖伸長和細胞分裂[2 ]。隨后，1979年科學家Grove從油菜花粉中提取到一個具有油菜素活性的化合物并通過X-射線分析確定其化學結(jié)構(gòu)式，最終命名為蕓苔素內(nèi)酯（brassinolide，BL），由于蕓苔素內(nèi)酯是眾多BR結(jié)構(gòu)中活性最高的一個，此后則使用蕓苔素內(nèi)酯作為該類激素的代稱[3 ]。直到1998年第16屆國際植物生長物質(zhì)學會年會上，BR才被正式確認為第六大植物激素[1 ]。BR廣泛存在于各種植物體內(nèi)，從低等的藻類、蕨類，到裸子植物、被子植物中已發(fā)現(xiàn)幾十種不同結(jié)構(gòu)的蕓苔素內(nèi)酯，說明BR的信號途徑產(chǎn)生于植物進化的早期，且在植物中相對保守。BR在植物體內(nèi)主要集中在生殖器官、未成熟種子及幼嫩組織中，調(diào)控生殖發(fā)育、種子成熟，促進莖的伸長及根形態(tài)建成，同時在植物抗逆境脅迫中起到積極作用[4 , 5 ]。

2 蕓苔素內(nèi)酯的體內(nèi)合成代謝與信號響應

2.1 蕓苔素內(nèi)酯的化學結(jié)構(gòu)

BR是一類植物甾醇激素，其化合物的基本結(jié)構(gòu)是分別由ABCD四環(huán)組成的甾體核及B環(huán)上C6位的酮基和D環(huán)C17位的烷基側(cè)鏈。A環(huán)和烷基側(cè)鏈的羥基化水平及空間結(jié)構(gòu)直接影響蕓苔素內(nèi)酯與其受體復合物的結(jié)合，從而影響其生物活性[6 , 7 ]，天然蕓苔素內(nèi)酯BL是目前已知活性最高、研究最透徹的蕓苔素內(nèi)酯，人們已根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)為藍本，人工合成了24-表蕓苔素內(nèi)酯、28-高蕓苔素內(nèi)酯、28-表高蕓苔素內(nèi)酯、混表蕓苔素內(nèi)酯等多種類似物，并廣泛應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

圖1. 天然蕓苔素內(nèi)酯結(jié)構(gòu)[5 ]

2.2 蕓苔素內(nèi)酯的合成代謝

早期，科學家利用長春花（Catharanthus roseus）懸浮細胞和同位素示蹤法研究BL的體內(nèi)合成途徑，確定菜油甾醇（campesterol）為BR體內(nèi)合成前體物質(zhì)，進而又發(fā)現(xiàn)茶甾酮、香蒲甾醇和蓖麻甾酮等中間產(chǎn)物，如圖2所示經(jīng)歷一系列酶促反應最終形成蕓苔素內(nèi)酯[8 ]。從菜油甾醇合成的第一步是由甾醇還原酶DET2催化生成菜油甾烷醇（campestanol）[9 , 10 ]。在對BR合成代謝深入研究發(fā)現(xiàn)，蕓苔素內(nèi)酯C6位的加氧步驟可發(fā)生在合成途徑早期（早期C6加氧途徑），也可發(fā)生在合成途徑晚期（晚期C6加氧途徑），這兩種合成途徑在植物體內(nèi)是并存的[5 , 8 ]。BL烷基側(cè)鏈C22位的羥基化反應是合成過程的限速步驟，由CYP90 P450單加氧酶DWF4催化完成，因此DWF4是BL合成的限速酶[11-14 ]。通常，BR合成突變體，如det2和dwf4，都顯示出典型的BR缺失突變體表型——極度矮化，及其他發(fā)育異常表型[9-11 ]。

圖2. 蕓苔素內(nèi)酯體內(nèi)合成的早期C6加氧途徑和晚期C6加氧途徑 [15 ]

2.3 細胞內(nèi)BR信號響應

BR的體內(nèi)合成被認為發(fā)生在細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，再經(jīng)高爾基體分泌至胞外[14 , 16 ]，在效應部位的細胞膜上BR被受體結(jié)合，從而激活細胞內(nèi)的一系列信號傳導途徑。圖3向大家展示BR信號傳導的核心途徑：

圖3. 細胞內(nèi)BR信號傳導途徑[17 ]

（1）無激素條件下BR信號抑制

細胞膜上存在BR受體蛋白BRI1，以及受體復合物蛋白BAK1。當BR不存在時，BRI1和BAK1分別與其抑制蛋白BKI1和BIR3相互作用，阻止BR受體復合物的形成，使BR信號通路處于關(guān)閉狀態(tài)[18-23 ]。細胞內(nèi)蛋白激酶BIN2是BR信號的負調(diào)控因子，可使BR轉(zhuǎn)錄因子BES1和BZR1磷酸化而滯留在細胞質(zhì)，無法進入細胞核行使轉(zhuǎn)錄因子功能[24-26 ]。

（2）BR受體復合物激活

當BR存在時，受體蛋白BRI1胞外結(jié)構(gòu)可與BR結(jié)合，并引起細胞內(nèi)分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時招募細胞膜上的受體復合物蛋白BAK1共同形成BRI1-BR-BAK1受體復合物，激活細胞內(nèi)信號傳導途徑[18 , 19 , 21 , 22 , 27 ]。

（3）細胞質(zhì)BR信號級聯(lián)反應

隨著受體復合物的激活，BR信號從細胞外傳入細胞內(nèi)。首先，活化的BRI1-BR-BAK1受體復合物通過一系列磷酸化作用激活激酶蛋白BSK1及蛋白磷酸酶BSU1。其次，BSU1使BR負調(diào)控因子BIN2因去磷酸化而導致失活，從而釋放受BIN2抑制的轉(zhuǎn)錄因子BES1和BZR1，使其被磷酸酶PP2A去磷酸活化后進入細胞核，對蕓苔素內(nèi)酯響應基因進行轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控[28-31 ]。

（4）細胞核BR響應基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

BES1和BZR1是參與BR信號傳導途徑的主要轉(zhuǎn)錄因子，可被BIN2磷酸化失活，而被PP2A去磷酸化激活[31 ]。活性BES1和BZR1在細胞核對BR響應基因表達進行轉(zhuǎn)錄調(diào)控。通過ChIP-seq技術(shù)可知，擬南芥中大約有5000-8000個基因受到BR相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，上調(diào)基因和下調(diào)基因大約各占一半。BES1和BZR1可形成同源二聚體結(jié)合在順式作用元件E-box（CANNTG）上激活BR上調(diào)基因表達，或與其他轉(zhuǎn)錄因子形成異源二聚體結(jié)合在啟動子上BRRE（CGTG(T/C)G）元件抑制BR下調(diào)基因表達[32 , 33 ]。

BES1和BZR1可直接誘導轉(zhuǎn)錄因子共同調(diào)控BR響應基因表達。例如，MYB30和MYC類轉(zhuǎn)錄因子BIM1的表達受BES1誘導，又可和BES1蛋白結(jié)合共同誘導下游基因表達；而MYBL2和HAT1又可與BES1共同調(diào)節(jié)BR下調(diào)基因表達。另外，BES1和BZR1還可通過招募TPL轉(zhuǎn)錄抑制復合物來實現(xiàn)靶基因的轉(zhuǎn)錄抑制。

3 蕓苔素內(nèi)酯在農(nóng)業(yè)上的應用

蕓苔素內(nèi)酯生物活性的經(jīng)典實驗是大豆節(jié)間伸長和水稻枕葉轉(zhuǎn)角實驗，因此，蕓苔素內(nèi)酯首要的生理功能是促進細胞伸長。隨后，科學家又不斷發(fā)現(xiàn)蕓苔素內(nèi)酯更多的生理功能：促進細胞膨脹、細胞分裂、生殖器官和維管發(fā)育、細胞膜極化與質(zhì)子泵、源庫關(guān)系及脅迫調(diào)節(jié)等方面，同時，蕓苔素內(nèi)酯還可以與環(huán)境信號進行交，影響昆蟲和真菌發(fā)育。

蕓苔素內(nèi)酯合成和信號傳導途徑在各個物種中都是保守的，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可利用蕓苔素內(nèi)酯的這些生物學特性調(diào)節(jié)農(nóng)作物的生長發(fā)育以達到提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的目的。例如，利用外施蕓苔素內(nèi)酯，調(diào)節(jié)樹木韌皮部發(fā)育，以促進木材和纖維產(chǎn)物生成；通過控制BR信號途徑，控制棉花纖維發(fā)育；噴灑蕓苔素內(nèi)酯，促進花粉發(fā)育及授粉率，提高果樹坐果率，減少畸形果形成；利用蕓苔素內(nèi)酯，調(diào)節(jié)谷物糖分轉(zhuǎn)化促進灌漿和提高水果可溶性糖含量。

隨著對BR信號響應途徑的深入了解，未來我們不僅可以通過外源施加蕓苔素內(nèi)酯來實現(xiàn)促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)提質(zhì)的目的，而且可以通過分子育種及基因編輯育種技術(shù)，使BR信號通路分時空表達和組織特異性表達，實現(xiàn)作物在生長促進和脅迫耐受之間的精準調(diào)節(jié)。