细胞分裂素合成基因ipt研究进展_综述_吴吉林
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2005,34(2):66-69. Subtropical Plant Science
细胞分裂素合成基因ipt研究进展(综述)
吴吉林，王再花，叶庆生，李 玲（华南师范大学 生命科学学院，广东省植物发育生物工程重点实验室，广东 广州 510631）
摘 要：异戊烯基转移酶是细胞分裂素生物合成第一步的催化酶，也是限速酶。其编码基因ipt已被克隆，运用生物信息学方法，在拟南芥中鉴定出与微生物同源的编码异戊烯基转移酶的基因家族，推测这些基因可能存在特殊时空表达来调控细胞分裂素的合成途径。本文着重介绍ipt在细胞分裂素合成中的作用和研究进展。 关键词：细胞分裂素；异戊烯基转移酶；ipt
中图分类号：Q946.885+.4; Q789 文献标识码：A 文章编号：1009-7791(2005)02-0066-04
A Review of the Advances in Cytokinin Biosynthesis ipt Gene WU Ji-lin, WANG Zai-hua, YE Qing-sheng, LI Ling (Guangdong Key Lab of Biotechnology for Plant Development, College of life science, South China Normal University, Guangzhou 510631, Guangdong China)
Abstract: Isopentenyl-transferases catalyze the first and rate-limiting steps of cytokinin biosynthesis, and the corresponding genes have been cloned. A family of genes from Arabidopsis coding for cytokinin biosynthesis enzymes have been identified by a bioinformatic approach. It is speculated that these genes might be expressed in distinct spatial and temporal patterns to regulate cytokinin biosynthesis. This review specially introduced the functions and advances of ipt in cytokinin biosynthesis. Key words: cytokinin; isopentenyl-transferases; ipt
细胞分裂素在植物生长发育的许多方面行使重要功能，如细胞分裂、光合作用、衰老及营养代谢等。自从20世纪60年代初期首次分离获得天然细胞分裂素——反式-玉米素（t-Z）以来，已经知道植物体内存在多种形态的细胞分裂素[1]。天然细胞分裂素N6-取代基腺嘌呤衍生物一般包含一个类异戊二烯
基或芳香环衍生物侧链。现在，已研究了几种与细胞分裂素生物合成有关的酶的特性，有些还被纯化并克隆得到了相应的基因[2]。
编码细胞分裂素生物合成限速步骤合成酶——异戊烯基转移酶（isopentenyl-transferases）的基因首先在根癌农杆菌（Agrobacterium tumefaciens）中得到鉴定，命名为tmr，后来称为ipt，但对其生化特性了解甚少[3,4]。2000年，随着拟南芥（Arabidopsis）基因组测序工作的完成，为ipt的研究提供了新机遇。
最近研究表明，拟南芥的异戊烯基转移酶是被一个小的多基因家族编码，其结构与细胞腺苷酸异戊烯基转移酶和tRNA异戊烯基转移酶相似。进行基因产物的生化分析还揭示了ADP和ATP是反应的优先底物[5]。这个发现使人们不得不重新考虑细胞分裂素合成途径。本文简要介绍细胞分裂素合成基因ipt编
码酶的特性及其与细胞分裂素合成的关系。
1 ipt编码异戊烯基转移酶与细胞分裂素合成相关 目前存在两类异戊烯基转移酶，一类修饰腺嘌呤的tRNA，称为tRNA-IPT（EC.2.5.1.8），修饰的核收稿日期：2004-09-02 作者简介：吴吉林（1978-），男，湖南涟源人，硕士研究生，从事植物发育与分子生物学研究。 注：叶庆生为通讯作者。 第2期 吴吉林,等：细胞分裂素合成基因ipt研究进展(综述) ﹒67﹒苷位于反密码子的邻位，影响转录的保真度及其效率。tRNA-IPT催化二甲烯二磷酸（dimethylallyl diphosphate，DMAPP）的异戊烯基转移到前体tRNA分子的腺嘌呤残基上，形成成熟的tRNA分子[5]。
另一类催化形成iPMP，称为腺苷酸异戊烯基转移酶（IPT；EC2.5.1.27），已在根癌农杆菌中鉴定，其结构与tRNA-IPT相似。Takei 等推测这两类IPT可能从共同的祖先基因分离出来[6]。
多年来人们推测细胞分裂素可能来源于tRNA分子。从植物tRNA的水解产物中分离出来的有[7]：顺式-玉米素核苷（c-ZR）、反式-玉米素核苷(t-ZR)、异戊烯基腺苷（iPA）、甲硫基-iPA、顺式-甲硫基-ZR及反式-甲硫基-ZR。其中c-ZR为植物tRNA衍生出来的最丰富的细胞分裂素，因此推测它源于tRNA的降解。根据tRNA的转化效率及细胞分裂素产生的效率计算，发现tRNA降解不是细胞分裂素的主要来源。tRNA释放出来的顺式玉米素(c-Z)能被转换成活性t-Z，主要是由于顺-反异构酶参与互变过程[2]。
2 拟南芥细胞分裂素生物合成基因的鉴定 1984年，Akiyoshi等鉴定了根癌农杆菌中的ipt/tmr基因，当基因发生突变时，产生根状肿瘤，该基因编码的酶显示出异戊烯基转移酶活性[8]。在一些细菌中也发现ipt基因，从多种植物组织的粗提物中也检测到IPT酶活性。在拟南芥中已经证实编码该酶的基因家族有9个成员，命名为AtIPT1-AtIPT9[6,9]。
进化系统树（图1）分析表明AtIPT2和AtIPT9与tRNA-IPT更相似，而其他7种AtIPTs形成独特的进化支，其编码基因与细菌ipt/tmr基因同源性更大[10]。
除了AtIPT2和AtIPT8外，其余7种AtIPT基因的重组蛋白除皆能使E.coli产生具活性的细胞分裂素[6]。AtIPT4在转基因拟南芥中过表达
使植物在未添加外源细胞分裂素的培养基中发生典型的细胞分裂素应答，这与根癌农杆菌 ipt过表达的结果一致[9]。此外，AtIPT1和
AtIPT3～8在E.coli中的表达合成了异戊烯基腺嘌呤（iP）和反式-玉米素（t-Z），从而证实了IPT的活力。AtIPT1和AtIPT4的重组酶被纯化，并鉴定出它们具有催化合成细胞分裂素的活性[6,9]。
Golovko 等首次从拟南芥中克隆与细菌编码异戊烯基转移酶同源的基因，此基因在酵母（S. cerevisiae）中的表达能弥补MOD5（tRNA- ipt基因）缺失突变体的抗抑制因子表型[5]。将
拟南芥tRNA异戊烯基转移酶基因在酵母表达载体PEL61中克隆，随后转化到酵母突变菌株MT-8（MOD5缺失）中表达，产生大量iPA，表明拟南芥IPT cDNA编码的蛋白可替代MOD5蛋白的功能。但转入拟南芥IPT cDNA的酵母tRNA所含的iPA水平明显低于对照[5]，说明植物IPT蛋白识别酵母tRNA前体的效率低于MOD5。其中有一部分转化细胞的tRNA
未被修饰，说明植物IPT对底物的要求有所不同。
图1 各种异戊烯基转移酶的进化系统树[10]
3 ipt在细胞分裂素合成中的重要作用 通过对拟南芥细胞分裂素合成基因的认识，了解细胞分裂素从头合成至少存在3条途径（图2）。 3.1 AMP途径 Takei等发现从拟南芥中纯化的AtIPT1能促进AMP和DMAPP在体外合成iPMP [6]。运用快速的IPT
测试法测定放射性元素标记从AMP融合到了iPA中[4]。与此途径相似的是，细菌IPT酶催化DMAPP上的异戊烯基侧链转移到AMP的N6位点[9]。 第34卷 ﹒68﹒
3.2 ATP/ADP途径
图2 植物中细胞分裂素合成途径模式图[11]生化分析揭示了AtIPT4重组酶优先利用ATP和ADP，不利用AMP为底物，这与细菌IPT不同[9]。 AtIPT4很可能催化
iPTP和iPDP的生成，随后通过羟化作用形成玉米素类型的细胞分裂素[9]。AtIPT1也
可能优先利用ATP和ADP，该基因活性显著抑制可能是由于放射性标记的AMP和未标记的ATP和ADP之间存在底物竞争[9]。几种AtIPTs基因呈现出特殊的组织特
异表达模式，这可能为细胞分裂素的产生部位提供新的见解[6]。
3.3 旁路的途径（alternative pathway） Åstot等比较拟南芥野生型及ipt转化株中核苷单磷酸(ZMP)和iPMP 的生物合成速率时发现，iPMP在内源羟化酶活性促进下也能转化成ZMP[12]。体内氘标记实验揭示ZMP生物合成速率比IPT生成iPMP
高66倍，后来证实ZMP的主要前体不是胞质中的iPMP。因而存在一个不依赖iPMP的途径(iPMP-independent pathway)，直接通过IPT从AMP合成ZMP，即直接将羟化侧链加到腺嘌呤的N6位点。
目前不知如何识别侧链前体，有人推测可能为萜类化合物。 目前对植物中细胞分裂素生物合成的认识大部分来源于对根癌农杆菌模拟系统的研究。根癌农杆菌能通过宿主植物组织形成肿瘤以感染此植物。在转基因植物中ipt过表达导致细胞分裂素水平的增加，并引起植物典型细胞分裂素应答[13]。因此推测植物细胞细胞分裂素合成机制与根癌农杆菌细胞分裂素
合成机制相似。
4 细胞分裂素生物合成的调控 业已证实，大麦、棉花和玉米中细胞分裂素的积累与植物的N状态紧密相关[14-16]。Takei等报道N首先刺激玉米中iPMP的积累，然后引起根中Z-型细胞分裂素的积累。在拟南芥中观察到重新提供硝酸盐时，细胞分裂素出现相似的积累[17]。这表明N-诱导细胞分裂素的合成是高等植物的普遍特性，并且
一些AtIPT基因可能被根周围可利用的N调节[17]。
除了N，其他大量元素也影响细胞分裂素的代谢。例如，P饥饿反应与高等植物组织中细胞分裂素浓度的降低有关。外源细胞分裂素反作用于根，低营养物条件下能诱导刺激生长[18]。这些发现提示细
胞分裂素合成可能受许多大量元素（除N）的有效性变化的调节。最终，受到具生物活性的细胞分裂素降解速率和互变途径的影响[18]。
