豆科植物微管参与胁迫响应的研究进展

芦 蕾，王 泉，李 广,3，高金珊

(1.吉林农业大学，吉林 长春 130117；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 大豆分子设计育种重点实验室，吉林 长春 130102；3.中国科学院大学,北京 100049)

0 引 言

微管是高度保守的细胞骨架结构，由13根α-β微管蛋白组成，直径约为25 nm[1-2]。微管聚合物的延伸端(Plus end)通常是β-微管蛋白，负端(Minus end)是α-微管蛋白[3]。微管蛋白主要以α-β相互作用连接，但是也存在着α-α和β-β相互作用，连接的地方被称为接缝(Seam)，是微管最薄弱的地方。微管接缝开裂会导致微管的解聚[4-5]。α-微管蛋白高度保守，而β-微管蛋白的C端相对不保守，这就使β-微管蛋白在环境改变时可以通过末端修饰实现微管延伸并维持稳定[6]。微管始终处于解聚-成核的动态平衡状态，13个γ-微管和多个微管复杂蛋白组成的环状蛋白复合体(γ-TuRC)保障了内环境下微管的成核速率[7-8]。

植物微管在维持细胞形态[9-10]、细胞运动[11]、细胞物质运输[12-13]、细胞分裂和细胞壁形成[14]等过程中发挥重要作用。在有丝分裂早期，微管围绕着细胞核形成一个早期的前带结构，它能够决定细胞板的位置；并且这种微管早期前带结构能够通过限制纺锤体的旋转决定细胞分离的准确性，从而调控植物细胞分裂[15]。在拟南芥中，微管相关蛋白WDL4能够通过调节生长素的分布来调节顶端的发育，介导植物细胞差异生长[16]。微管作为细胞骨架的重要组分，可以调控植物细胞壁纤维素的合成与沉积[17-18]，为胞内物质运输提供快速精确的运输轨道[19-20]，同时能够响应和传递环境信号，在植物发育和环境应答过程中具有重要调控作用[21-23]。最新的研究发现，拟南芥微管切割蛋白ATKTN1对调控盐胁迫下拟南芥的生长发育至关重要[24]。拟南芥微管切割蛋白ktn1-4突变体在盐胁迫的早期耐盐性增加，但在后期耐盐性显著下降，盐胁迫导致拟南芥ktn1-4突变体微管组织的异常解聚和重组[24]。还有研究表明，烟草α-微管蛋白功能缺失造成相应突变体微管运动缓慢，烟草花叶病毒的细胞间运动活性也受到抑制[25]。植物中存在的芳香族物质，香味能够吸引害虫的入侵，微管为这些香味物质的传输及扩散提供了轨道，因此，微管组织也为防治虫害、研发新型抗虫剂提供了新思路[26]。因此，微管可以通过改变组织结构修正外界因素改变导致的结构偏差，提高植物适应外界环境变化的能力[27-28]，对提升植物的耐受能力具有重要作用。

豆科植物作为重要的粮、油、牧作物，在人类生产和生活中具有重要地位。随着我国人民生活水平的提高，对大豆等豆科植物的需求也急剧增加[29]。然而，盐碱胁迫、干旱胁迫、病原菌入侵等外界不利生长环境抑制了豆科植物的生长发育，也对豆科植物的产量和生物量产生了极大的影响。深入研究微管的功能，解析微管基因在大豆植物应答外界环境胁迫中的作用机制，可以为通过改良微管基因增加豆科植物逆境耐受性提供科学依据。

1 豆科微管对非生物胁迫的响应

植物非生物胁迫耐受机制能够调控植物适应环境因素带来的负面影响，从而对作物产量、生态环境平衡和生物多样性具有重要作用[30-31]。非生物胁迫通常指干旱、盐胁迫、寒冷和内涝等[32-33]。目前对豆科植物非生物胁迫耐受性机制的研究主要集中在胁迫条件下抗性基因的表达变化[34-35]、膜组成成分的改变[36-37]以及胁迫相关酶活性的变化[38-40]等方面。

干旱胁迫是导致作物减产的主要因素，会造成严重的发育阻滞和生理损伤[41-43]。研究表明，豆科微管参与调节气孔形态、细胞壁构建和脱落酸(ABA)的积累；在干旱胁迫下，大豆β-微管蛋白表达量下调，微管蛋白调节气孔关闭减少水分蒸发[44]。Faria等[45]将苜蓿幼苗胚根进行聚乙二醇(PEG)处理模拟干旱胁迫，发现PEG处理会导致微管组织解聚，复水后微管阵列重建，细胞恢复完整性。

镉(Cd)是一种非必需的重金属，在土壤-植物系统中具有相对较高的移动性和干扰植物代谢的能力，每年约有25 000 t镉释放到环境中[46-48]。研究发现，Cd处理的大豆幼苗根系生长受到明显抑制，降低有丝分裂活性，导致大豆微管阵列结构紊乱甚至完全解聚[47]。重金属污染导致不同亚型微管蛋白乙酰化和酪氨酸化的水平增加，使得微管的稳定性增强，这对植物细胞维持稳定具有重要调节作用。在豌豆中就有研究发现，Cd会导致豌豆微管的高度敏感性，引起细胞分裂紊乱，细胞周期改变[49]。

重金属钨(W)能够被动物和植物大量吸收，钨污染的农作物进入到食品供应链会对生物体造成伤害，如引发儿童白血病[50]。钨处理的豌豆根尖细胞微管蛋白变少，阵列排布混乱，加入与钨相互拮抗的钼后，微管阵列恢复[50]，表明钨可能打破了微管蛋白之间的平衡，影响了豌豆微管阵列的排布。以上研究结果表明，植物遭受重金属污染后，微管通过动态调节自身排列以适应环境改变保障细胞稳定性。

研究发现，在暗条件下生长的大豆幼苗下胚轴能够快速伸长，节间发育迅速，这是由于大豆的周质微管可以调控纤维素的合成速度，微管直接或间接作用于纤维素合酶复合物进而影响节间发育，控制形态的建成[51]。此外，大豆幼苗中β-微管蛋白水平和节间伸长率呈现显著相关性。光照条件下，β-微管蛋白基因几乎在所有组织器官中的表达量均处于较低水平，但是在下胚轴中的表达水平较高，是其他组织的10倍[52]。但是在黑暗诱导下，其他大豆微管蛋白编码基因在大豆幼苗的下胚轴伸长区发生快速转录，使得微管编码基因大量表达，下胚轴迅速生长[53]。

2 豆科微管蛋白参与病原菌入侵调节

大豆胞囊线虫病(Soybean cyst nematode，SCN)是一种世界性大豆病害，每年可导致大豆产量损失20%～30%，病害严重时可减产高达80%甚至绝产，带来了不可忽视的经济损失[54-56]。它可以破坏大豆内层细胞，使细胞胀大破碎，细胞壁溶解，溶解后的细胞质合并形成合胞体。Klink等[57]发现，在大豆胞囊线虫形成的大豆合胞体细胞中α-微管蛋白含量远远高于远离感染部位的根细胞，染色体微管阵列在大豆胞囊线虫侵染后呈现出较强的微管阵列解聚信号。虽然大豆胞囊线虫的入侵导致微管阵列在合胞体中发生了显著变化，但是尚未在这些合胞体细胞中观察到典型的微管阵列[58]。

通过共生体系进一步研究发现，真菌的入侵导致根部皮层细胞微管重组，最终改变根部细胞组织和形态。皮层细胞在真菌进入前开始对其细胞骨架进行修饰，并在真菌穿透细胞前与共生体之间进行信号交换[59-62]。因此，我们猜测微管很可能参了菌根共生关系的信号调节或宿主细胞形态和细胞质结构的调控。

Blancaflor等[62]研究发现，苜蓿被真菌侵染后，微管组织在菌丝发育的各个阶段都发生了显著变化。当菌丝进入皮层细胞时，一些微管会重新定向，使得菌丝穿透皮层细胞繁殖，菌丝分支侵染细胞面积增大时，微管能够形成厚而强的荧光聚集体，在生长的菌丝分支之间形成连接；随着菌丝继续扩大并占据细胞体积的大部分时，微管聚集体变少，随之而来的是被更薄的碎裂微管链所取代。在建立共生的过程中微管被广泛重组，菌丝周围密集的微管阵列可能参与了侵染后各种转运蛋白结合到膜的过程，促进了真菌与植物根之间的活性养分交换。Kitaeva等[63]将野生型植株和共生结节异常突变体的微管组织进行了比较，结果显示细胞内微管组织形态及分布与病原菌入侵后形成的共生体的分布有关。以上研究结果说明，病原菌入侵苜蓿能够导致微管阵列随菌丝的分布变化而变化，病原菌与宿主植物很可能通过微管阵列进行物质的转换和传递。

在百脉根中，细菌的侵染同样会导致百脉根微管阵列发生重组，微管阵列能够感知细菌入侵的信号并通过调节微管阵列影响细胞活性[64]。微管的这种超敏反应能够迅速对病原菌的入侵做出反应以维持细胞的稳定。

3 豆科微管蛋白调节Ca2+信号

在植物受到生物胁迫的侵害时，植物首先需要感应到这些刺激信号，Ca2+信号是病原入侵的早期反应信号之一。较高的Ca2+流入细胞会促使微管蛋白的解聚，而细胞内微管的解聚或重排也会引起Ca2+大量外流。微管骨架可以调控质膜钙离子通道，通过其解聚和聚合的动态变化调节胞外钙离子内流数量。微管系统损伤后，质膜上某些蛋白激酶会失活，以Ca2+作为第二信使的跨膜信号转导也会受到阻碍[65]。Ebel等[66]通过监测病原菌入侵后的大豆细胞，发现病原菌入侵后细胞内的Ca2+离子快速流失，大豆β-微管蛋白I表达下调，微管发生大量的解聚。然而，此研究还发现，β-微管蛋白 II能够在更高水平上表达，从而使微管的结构保持稳定。以上研究结果表明，不同亚型的微管蛋白对Ca2+信号的差异响应保障了细胞骨架整体的稳定性。

因此，微管成核和解聚的动态平衡保障了豆科植物细胞生长发育、增殖分裂和外环境应激等生理活动，豆科植物微管对响应外界环境条件变化和提升植物的耐受能力方面具有重要意义。

4 豆科微管蛋白相关基因

在模式植物拟南芥中，α-微管蛋白、β-微管蛋白和γ微管蛋白编码基因已经被成功克隆，微管蛋白结构也被成功解析[67-69]。为了找寻豆科植物中的微管基因，作者研究团队利用拟南芥的相关微管蛋白，通过Phytozome(V12.1)对比筛选大豆、菜豆和苜蓿的同源蛋白，将蛋白序列通过软件MAGA 7.0比对分析后构建进化树，并进行蛋白结构域分析，进而对大豆、苜蓿和菜豆中的微管相关基因进行了归类。结果显示，大豆、苜蓿和菜豆中α-微管蛋白编码基因的数量分别为13、8、7个；β-微管蛋白编码基因的数量分别为18、11、9个；γ-微管蛋白编码基因的数量分别为4、6、6(表1)。

表1 三种豆科植物tubulin编码相关基因Table 1 Tubulin genes in three legumes

大豆中编码α/β-tubulin蛋白的基因数量明显高于苜蓿和菜豆，而大豆中γ-微管蛋白与拟南芥相关蛋白的同源性较低(表1)。以上结果说明在豆科植物中，大豆中的α/β-微管蛋白具有更高的多态性。我们发现不同豆科植物的微管基因存在着较明显的差异，深入研究豆科微管蛋白功能，对于阐明其在豆科物种中的进化方式具有重要意义，也能为在分子水平上设计优良的抗逆豆科品种提供基因资源。

5 展望

植物微管阵列是一个高度保守的动态结构，微管解聚-成核的动态平衡影响着植物的生长发育。微管系统的动态发育在豆科细胞分裂、指导纤维素的合成与沉积、下胚轴的形态建成、胞内物质的运输和对生物和非生物胁迫响应方面发挥着重要功能。但是，微管如何响应环境信号，特别是如何响应光信号、生物钟信号，在植物与微生物共生中微管的调控机理是什么，这些都是未来要解决的重要科学问题。研究豆科微管相关的基因及其调控网络在豆科植物微管作用中的分子机制，豆科微管阵列在细胞内外的信号重排、环境信号的响应中的作用将会有助于深入了解其在应对外界胁迫中的功能，对于培育高耐逆性的豆科植物具有重要的理论指导意义。