摘 "要：水楊酸是一種重要的植物激素，其不僅參與調節(jié)植物生長發(fā)育的多個方面，并且在植物抵抗生物和非生物脅迫中也發(fā)揮著重要作用。近年來，對于水楊酸生物合成和信號轉導的相關研究取得重大進展，水楊酸生物合成的異分支酸合酶和苯丙氨酸解氨酶代謝途徑及其多個步驟得到進一步的完善；明確了NPR1及其同源蛋白NPR3、NPR4是植物中水楊酸的真正受體；對NPR類蛋白的結構進行解析等。該文對水楊酸的生物合成、信號轉導和運輸?shù)南嚓P研究進行綜述。

關鍵詞：植物激素；水楊酸；生物合成；信號轉導；運輸

中圖分類號：Q946 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-9902（2024）08-0013-04

Abstract： Salicylic acid is an important plant hormone， which not only regulates many aspects of plant growth and development， but also plays an important role in plant resistance to biotic and abiotic stresses. In recent years， great progress has been made in the research on Salicylic acid biosynthesis and signal transduction： the metabolic pathways and several steps of isochorismate synthase and phenylalanine ammonia-lyase in Salicylic acid biosynthesis have been further improved， and it is clear that NPR1 and its homologous proteins NPR3 and NPR4 are the real receptors of Salicylic acid in plants. The structure of NPR proteins was analyzed. This paper reviews the related studies on the biosynthesis， signal transduction and transport of Salicylic acid.

Keywords： plant hormone; Salicylic acid; biosynthesis; signal transduction; transport

水楊酸（Salicylic acid， SA）是植物合成的眾多酚類化合物之一。SA不僅參與調節(jié)植物生長發(fā)育的許多方面，而且在植物抵抗生物與非生物脅迫中發(fā)揮著重要的作用。研究表明，內源性SA作為植物免疫的內部防御信號發(fā)揮作用，外源噴施水楊酸同樣影響植物的生長和發(fā)育，主要包括光合作用、呼吸、種子萌發(fā)、氣孔關閉、開花和衰老等[1]。而SA在植物免疫中最顯著的作用之一是其在植物系統(tǒng)性獲得抗性（systemic acquired resistance， SAR）合成中的作用，SAR與感染部位和全身組織中SA水平的增加息息相關。

隨著對SA的深入研究，異分支酸合酶（ｉｓｏｃｈｏｒｉｓｍａｔｅ ｓｙｎｔｈａｓｅ，ＩＣＳ）和苯丙氨酸解氨酶（ｐｈｅｎｙｌａｌａｎｉｎｅ ａｍｍｏｎｉａ－ｌｙａｓｅ，ＰＡＬ）途徑作為植物合成ＳＡ的重要途徑，其合成相關的酶類已基本被解析。近期，也有研究表明ＮＰＲ１（ｎｏｎｅｘｐｒｅｓｓｏｒ ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｅｓｉｓ－ｒｅｌａｔｅｄ ｇｅｎｅｓ １）為ＳＡ受體，解決了多年來的科學爭論，ＳA的生物合成和信號轉導過程進一步得到完善[2]。

1 "SA的生物合成與儲存

人們普遍認為，植物通過2條途徑來合成SA：ICS途徑和PAL途徑。2種途徑都起源于莽草酸（Shikimic acid）途徑所產(chǎn)生的分支酸（chorismate acid， CA），然后經(jīng)過一系列的酶促反應，最終合成SA，其中部分酶并沒有被鑒定出來。在不同的植物中，2條途徑對SA生物合成的重要性不同，甚至同一植物體內的SA含量也不相同。SA含量在植物細胞內受到嚴格的化學修飾調節(jié)，從而產(chǎn)生一些非活性分子，這些非活性分子可以在細胞內儲存，直到需要激活SA觸發(fā)的響應為止。

1.1 "ICS途徑

SA生物合成的ICS途徑始于CA，然后在葉綠體中通過ICS轉化為異分支酸（isochorismate， IC），該途徑在細菌中首次被發(fā)現(xiàn)，并且由異分支酸裂解酶（isochorismate pyruvate lyase， IPL）催化IC轉化為SA。隨著研究的進一步深入，科學家發(fā)現(xiàn)植物擁有自身獨特的ICS途徑。在葉綠體中，ICS將分支酸轉化為IC，然后通過EDS5（enhanced disease susceptibility 5）將IC轉運到細胞質中。在細胞質中，PBS3 （AvrPphB susceptible 3）催化L-谷氨酸與異分支酸結合，產(chǎn)生IC-9-Glu（isochorismoyl-9-glutamate）；而SA的最終合成通過2條不同的途徑來完成：其一是在沒有酶的情況下，SA的合成由IC-9-Glu自發(fā)衰變產(chǎn)生；其二為EPS1催化加速SA的合成。然而，第二條途徑只發(fā)生在蕓苔科植物中，這在一定程度上說明其他科的植物可能含有其他的酶類催化或者依賴于IC-9-Glu的自發(fā)衰變合成SA[3]。因此，植物與細菌的ICS途徑存在較大差異，植物中ICS途徑的完善為研究植物SA生物合成提供了巨大的貢獻。

1.2 "PAL途徑

植物通過PAL途徑同樣產(chǎn)生SA，盡管PAL途徑在SA的生物合成中具有重要的作用，但是PAL是一種上游酶，其也可能催化產(chǎn)生其他的防御相關化合物。分支酸變位酶（Chorismate mutase， CM）在SA合成中將分支酸轉化為預苯酸（prephenic acid）；PAL是PAL途徑中第一種被確定的酶，其負責將苯丙氨酸（phenylalanine， Phe）轉化為反式肉桂酸（trans-cinnamic acid， t-CA）；AIM1 （abnormal inflorescence meristem 1）是多功能蛋白質（MFP）家族的成員，能夠催化t-CA轉化為苯甲酸（benzoic acid， BA）；而苯甲酸羥化酶（benzoic acid 2-hydroxylase， BA2H）尚未被純化，其可能負責將BA轉化為SA。因此，PAL途徑起始于分支酸，由CM催化分支酸產(chǎn)生預苯酸，然后被還原成苯丙氨酸，進而由PAL將苯丙氨酸轉化為t-CA。t-CA進一步通過鄰香豆酸（ortho-coumaric acid， o-CA）或苯甲酸2種中間體轉化為CA，而AIM1催化t-CA轉化為苯甲酸，苯甲酸可能經(jīng)由BA2H催化合成SA；o-CA可直接合成SA。PAL途徑中的中間體和產(chǎn)物不僅是SA的生物合成所必需的，也是其他次生代謝物的生物合成所必需的。

1.3 "SA合成的調控

Wildermuth等通過研究鑒定出了2個假定的ICS基因ICS1和ICS2。在ics1突變體中SA積累大幅度降低，ics1和ics2雙突變體完全喪失誘導合成SA的能力，這表明內源途徑是擬南芥合成SA的主要途徑[4]。ICS1和ICS2都定位于葉綠體，ICS2具有較低的酶活性，其反應速率約為ICS1的一半，與ICS1相比，在病原體感染后，ICS2產(chǎn)生的SA含量明顯較低[4]。

近年來，科研人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個參與調節(jié)SA生物合成或積累的重要基因表達的轉錄因子。van Verk等研究表明，WRKY家族轉錄因子可能在SA信號通路中具有重要作用。其中，WRKY28 （WRKY DNA binding protein 28）可直接或間接激活ICS1基因的表達，通過在-460和-445兩個結合位點以及可能在其他位點結合啟動子，從而促進ICS的合成。此外，SARD1 （Systemic Acquired Resistance Deficient 1）及其同源物CBP60g （CaM-Binding Protein 60g）也被鑒定為病原體誘導SA合成的重要調節(jié)因子，在sard1與cbp60g雙突變體中，病原體誘導的局部和系統(tǒng)葉片中的SA合成被完全阻斷，導致局部和系統(tǒng)抗性嚴重受損。Zhang等[5]證明了SARD1和CBP60g是DNA結合蛋白，在對病原體感染的反應中，SARD1和CBP60g都被招募到ICS1啟動子中，這表明它們直接調節(jié)ICS1的表達和SA的合成。最新研究表明PBS3在植物合成SA中也發(fā)揮著巨大的作用[3]，然而關于其轉錄相關的研究較少。

1.4 "SA的儲存

SA合成后可以被轉化成多種衍生物。這些分子既可以作為SA的可運輸形式，也可以作為SA的非活性/存儲形式。SA的非活性形式主要有SA葡萄糖酯（SGE）、SA葡萄糖苷（SAG）、水楊酸甲酯（MeSA）及水楊酸甲酯O-β-葡萄糖苷（MeSAG）。當植物遭受病原體感染后，新合成的SA會大部分形成SAG，只有少部分會形成SGE。SAG可能在細胞質中形成，然后被運輸?shù)揭号葜校诓≡w攻擊后可以水解釋放出游離的SA，而SGE大部分位于液泡之外[6]。

例如，擬南芥通過UDP-糖基轉移酶UGT74F1和UGT74F2來完成SA的糖基化，而這二者定位于細胞質，并由SA所誘導[7]。盡管這2種酶具有77％的相同性，并且具有保守的活性位點殘基，但它們催化形成不同的產(chǎn)物：UGT74F1催化形成SAG，而UGT74F2主要形成SGE。SAG和SGE很容易被水解成活性SA，這些活性SA可以被重新動員到其他細胞位置發(fā)揮作用，然而對于SAG和SGE水解的機制尚不清楚。除了糖基化作用，SA還可以通過羧基甲基轉移酶（carboxy methyltransferases， SAMT）的活性形成MeSA，在擬南芥中，AtBSMT1編碼一個羧基甲基轉移酶，該酶可能以BA或SA作為底物形成MeSA。而MeSA可以被甲基酯酶（methylesterases， MESs）轉化為活性SA。甲基化賦予SA更好的膜滲透性和揮發(fā)性，促進其從植物中釋放。

2 "SA的信號轉導

在過去的三十年里，關于SA信號通路領域的研究取得了巨大的進展，而在SA信號通路的關鍵免疫因子中，NPR1是SA介導的植物防御的主要調節(jié)因子。人們普遍認為，植物和動物激素通過結合一個或多個受體來實現(xiàn)信號傳遞。從20世紀90年代初開始，研究人員已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾十種SA結合蛋白（SABPs），然而，只有NPR1、NPR3和NPR4被證明是真正的SA受體[8]。

2.1 "SA信號接收

2.1.1 "NPR1

在發(fā)現(xiàn)SA是內源性信號之后，為了鑒定在SA下游起作用的關鍵成分，研究人員通過多個正向遺傳篩選來鑒定對SA或其活性類似物無反應的擬南芥突變體，在研究中首次鑒定出了NPR1突變體。NPR1是一種轉錄共激活因子，研究發(fā)現(xiàn)，在相同的飽和濃度下，相較于NPR4（8%），樣本中的NPR1只有0.02%能與SA結合，這一研究結果在一定程度上解釋了很少檢測到NPR1的SA結合活性的原因，并且Wu等也證明了NPR1直接結合SA，結果表明，SA的結合導致NPR1的構象變化，并伴隨著C端反轉錄激活域從N端自抑制BTB/POZ域釋放，而位于C端反轉錄激活域的2個aa殘基（Cys521/Cys529）是SA結合所必需的。在NPR1同源系中，Cys521/529不是普遍保守的。然而，金屬與蛋白質的相互作用并不嚴格限于Cys，目前尚不清楚SA是否通過與其他能夠結合金屬輔助因子的aa殘基相互作用的類似機制結合和調控這些蛋白。在未誘導的條件下，NPR1主要以低聚復合物的形式存在于細胞質中，其分子之間通過二硫鍵連接；而在病原菌或SA的誘導下，NPR1會逐漸從聚合形態(tài)轉換為單體狀態(tài)，并且這些單體狀態(tài)的NPR1會在細胞核里積累以激活相關基因的表達。

2.1.2 "NPR3/4

NPR3和NPR4是NPR1的同源蛋白，二者功能冗余。研究表明，NPR1正調節(jié)SA介導的植物免疫，而NPR3和NPR4被證明對植物免疫具有負調節(jié)作用。但盡管對于NPRs進行了大量的研究，但其結構直到近期才被解析。Wang等的研究進一步證明了SBC在感知SA中的關鍵作用。隨后將NPR4的SBC結晶，并確定其結構為2.3 A分辨率，NPR4的SBC結構由5個緊密排列的α-螺旋和C端四螺旋束狀折疊（C-terminal four-helix-bundle-like fold）組成[9]。總的來說，SA結合袋的特點是位于受體SBC結構域的中心位置和總體疏水性，SA結合袋將SA完全埋在四螺旋束狀折疊的錐形末端內腔中，不留下配體進入或逃逸的空隙。同時Wang等研究表明，NPR1還配備了能夠感知SA的潛在SBC模塊（氨基酸386-525）。盡管NPR1和NPR4具有幾乎相同的激素結合殘基，但NPR4對SA的親和力要高得多，而NPR3和NPR1的SA結合親和力相當。通過揭示NPR4 SBC感知SA的結構機制，為人們明確NPR蛋白的結構-功能關系提供了新的方向。

2.2 "SA信號轉導的調控

NPRs自身沒有與DNA結合的區(qū)域，因此需要通過與轉錄因子（transcription factor， TF）的相互作用來進行信號傳導，并調控下游基因的表達。

在細胞核中，NPR1與轉錄因子相互作用，誘導致病相關基因的表達，從而促進防御反應，然而對于NPR1表達的調節(jié)尚未得到廣泛研究。研究表明，功能性NPR1蛋白是NPR1充分表達所必需的，到目前為止，只有2種轉錄因子被發(fā)現(xiàn)與NPR1的啟動子結合。WRKY18是一種SA誘導的蛋白，其是第一個被報道專門識別NPR1啟動子中的W-box基元的轉錄因子（NPR1啟動子中的W-box基序對其基因表達至關重要），Chen等研究發(fā)現(xiàn)WRKY18與NPR1相互作用，而SA會增強這種相互作用。同時，研究還發(fā)現(xiàn)，在SA處理下，其他幾個WRKY基因表達上調，這表明WRKY家族的其他蛋白也有可能參與了NPR1基因的調控。NPR1蛋白還通過募集CDK8（cyclin-dependent kinase8）和WRKY轉錄因子間接調節(jié)自身的基因表達，例如，NPR1能夠通過與轉錄因子相互作用來結合自身啟動子的W-box基序[8]。

3 "SA在植物體內的運輸

3.1 "角質層和SA運輸

葉片中總SA的一部分來自于表皮角質層中，這表明角質層中也存在SA，這種表皮中SA的存在形式也解釋了自公元前400年以來柳樹樹皮的藥用特性。植物角質層通常被認為是與環(huán)境隔絕的被動屏障，Lim等研究表明，運輸出葉綠體的SA被輸送到細胞外部和角質層，角質層參與調節(jié)防御激素SA的主動運輸。在角質層缺陷突變體中，增加的蒸騰作用和降低的水勢優(yōu)先將SA輸送到角質層而不是到質外體，導致SA長距離運輸?shù)娜毕荩瑥亩鴵p害SAR誘導劑哌可酸（Pipecolic acid）的遠端積累，并且SA在共質體和角質層之間的分配是由蒸騰作用調節(jié)的。SA在細胞質中合成后，在中性胞質酸堿度下，SA主要以去質子化形式存在，隨著SA對病原體感染的反應而積累，由于積累的SA的去質子化，細胞質中的H+水平預計會升高。H+的增加可能導致質膜上的質子差異，反過來又可以促進SA以依賴于酸堿度和載體的方式快速輸出到質外體區(qū)。與葉綠體膜不同，SA能夠雙向滲透質膜，這與SA最初轉運到受感染葉片的質外體，隨后再進入遠端未感染細胞的共質體一致[10]。

3.2 "細胞間運輸

SA一旦在細胞中合成后，其含量受到嚴格的調控，要么會被轉化為非活性形式進行存儲，要么會向其他部位運輸。而SA運輸旅程的下一步就是向臨近細胞的傳播。SA通常通過質外體途徑進行運輸，由于其化學特性，SA通過依賴于酸堿度的擴散和載體介導的機制穿過植物細胞膜。

3.3 "長距離運輸

在病原菌侵染過程中，SA通過擬南芥和煙草的質外體在韌皮部積累。將14C標記的SA通過涂抹葉片背面引入葡萄幼苗，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)SA不易向外運輸，具有以韌皮部運輸為主（也可少量木質部運輸）、向下運輸為主的特點。雖然木質部在SA介導的運輸過程中所起的作用尚不清楚，但Rocher等也研究發(fā)現(xiàn)SA通過韌皮部運輸?shù)礁?，并通過木質部少量向上分配，這有助于解釋植物對生物脅迫和外源SA施用的響應特性。

4 "結束語

目前，對于植物激素SA的生物合成和信號轉導方面的研究取得了重大進展。植物體內SA生物合成的2條途徑得到了很大的完善，SA信號的感知以及相關調控也進一步被研究。但是，隨著深入研究，發(fā)現(xiàn)還有諸多問題不明晰，這些問題的探索對于未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展意義重大。

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