植物信号传导简介.ppt

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1、积聚潜在的碳源、氮源和能源抵制自身代谢或调节过程所产生的毒物确立细胞内、细胞间的联系。,感受各式各样的信号并作出应答,信号转导1 基本概念,(1)信号：把环境条件的变化或来自环境的刺激统称为信号。简单地说，信号就是细胞外界刺激，它又称为第一信使（first messenger）或初级信使（primary messenger）。,胞外环境信号,胞间信号,信号转导1基本概念,(2)第二信使：又称次级信使，是指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞内信号分子，从而将细胞外信息转换为细胞内信息。一般公认的细胞内第二信使有钙离子（Ca2+）、肌醇三磷酸（inositol 1,4,5-trisphosp

2、hate，IP3）、二酰甘油（1,2-Diacylglycerol，DG）、环腺苷酸（cAMP）、环鸟苷酸（cGMP）等。也发现NO、H2O2、花生四烯酸、环ADP核糖（cADPR）、IP4、IP5、IP6等胞内成分在细胞特定的信号转导过 程中也可充当第二信使。(3)受体：细胞表面或亚细胞组份中的一种天然分子，可以识别并特异地与有生物活性的 化学信号物质（配体）结合，从而激活或启动一系列生物化学反应，最终导致该信号物 质特定的生物学效应。,细胞表面受体：水溶性多肽激素，存在于细胞质膜上，如G蛋白耦联受体家族，酪氨酸激酶受体家族（多数生长因子受体），细胞因子受体家族，离子通道受体。膜(胞)内受体

3、：甾类激素，存在于细胞质中或亚细胞组分（细胞核等）上的受体。,信号转导1基本概念,(4)信号转导：细胞外信号通过与细胞表面的受体相互作用转变为胞内信号并在细胞内传递的过程。,磷酸化除了在变构以及激活该蛋白的活力之外，更重要的功能是结核蛋白提供一个结构基因，以促进其和其他蛋白质相互作用而形成多蛋白复合体。蛋白复合体的形成再进一步促进蛋白质的磷酸化。周而复始，由最初蛋白质磷酸化所产生的信号就一步步如此转下去。如果最初产生的是一个刺激细胞生长的信号，此信号便最终转入细胞核，导致DNA复制和细胞分裂。,信号转导1基本概念,PK,PP,(5)蛋白质可逆磷酸化,共同环节、中心环节,(6)蛋白质的级联反应,

4、信号转导1基本概念,1.2.1 钙信使系统过程解析,胞外钙库中Ca2+浓度比细胞质中的高2个 数量级以上。当环境条件改变，在刺激作用下，Ca2+的 大量涌入使得细胞胞质中的Ca2+浓 度水平 迅速升高。之后随着Ca2+的大量涌出，胞 质中的Ca2+浓度迅速恢复到基本水平。这一瞬间发生的变化产生钙信号，钙信号 进而影响靶蛋白活性，从而调控基因表达 和生理反应。,信号转导2 胞内信号转导系统,目前，研究者们已从不同的藻类中克隆出CaM基因，如：紫菜、衣 藻、金 藻、团藻、海链藻、三角褐指藻、转板藻等3.,藻类钙调素与植物的相似性为84%-100%2.,郭 彩 华1分 离 纯 化 了 东 海 原甲藻

5、 的钙调蛋白，并测定其相对分子质量为16 Ku，与一般植物CaM的分子量相近。这说明藻类中的钙调素与植物具有较高的同源性.,1 郭彩华，刘静雯，卢珍华，等东海原甲藻钙调蛋白的分离纯化及鉴定 集美大学学报，2009，14(1)：29-332 夏快飞，梁承邺，叶秀粦钙调素及钙调素相关蛋白在植物细胞中的研究进展 广西植物，2005，25(3)：269-2733 张学成等，藻类逆境胁迫下信号传导途径的初步研究进展J，中国海洋大学学报，2012，42:116-123,信号转导2 胞内信号转导系统,2.1.1 藻类钙信使系统研究进展,电信号/化学信号,胞浆Ca2+,CaM,CaM-PK,底物蛋白/酶,生理

6、效应,受体,G蛋白,Torrecilla等监测了鱼腥藻（Anabaenasp.PCC7120）细胞内的游离Ca2+浓度，发现热激20 min细胞内的游离Ca2+浓度达到最大值4。Goddd等5在岩藻（Fucus serratus）胚细胞中的研究发现，刺激的存在会使胚细胞中的Ca2+浓度发生极大变化，Ca2+的增加有种来源：一是细胞核中的Ca2+释放到胞液，二是胞内钙库（如内质网、液泡等）向胞质释放出Ca2+。Ca2+还可以通过生物膜上的Ca2+通道进入胞质。,4 Torrecilla I,Leganes F,Bonilla I.Use of Recom binant Aequorin to S

7、tudy Calium Transient s in Response to Heat and Cold in Cyanobacterial J.Plant Physiology,2000,123(1):161-1755 Goddard H,Manison N F,Tomos D,et al.Elemental Propagation of calcium signals in response-specific patterns determined by environmental stimulus strengthJ.Proc Natl Acad SCI USA,2000,97(4):1

8、932-19376 周丽,，Ca2+在杜氏盐藻渗透胁反应过程中的作用研究D,，中国海洋大学，硕士论文，2006年7 陈辉，杜氏盐藻耐盐渗透调节与Ca2+介导的渗透信号传导，华南理工大学，博士论文，2011年,藻类中越来越多的研究报道表明，环境刺激可引起藻体内Ca2+及CaM的一系列变化，从而调节细胞的各种生理功能。,渗透压光传导热胁迫细胞分裂,2.1.2 藻类钙信使系统研究进展,信号转导2 胞内信号转导系统,2.2.1 肌醇磷脂信使系统过程解析,PI：磷酯酰肌醇,PIP：磷酯酰肌醇-4-磷酸,PIP2：磷酯酰肌醇-4,5-二磷酸,IP3：三磷酸肌醇,DAG：二酯酰甘油,（1）IP3和DAG的形

9、成,（2）IP3和DAG的信号转导,双信使系统：胞外刺激使PIP2转化成IP3和DAG，引发IP3/Ca2+和DAG/PKC两条信号转导途径，在细胞内沿两个方向传递。,信号转导2 胞内信号转导系统,细胞内信号转导的双信使系统,质膜,胞质溶胶,胞质溶胶,胞外间隙,激素,受体,G蛋白,PIP2,内质网或液泡,DAG,蛋白激酶C,磷酯酶C,IP3,IP3敏感Ca2+通道,结合态IP3,Ca2+,细胞反应,细胞反应,A：IP3是水溶性的，由质膜扩散进入胞质溶胶，然后与内质网膜或液泡膜上的IP3/Ca2+通道结合，使通道打开，液泡释放Ca2+，胞质Ca2+浓度升高，引起生理反应。,B:DAG 是脂类，它

10、仍留在质膜上，与蛋白激酶C（PKC）结合并激活之，PKC进一步使其它蛋白激酶磷酸化，调节细胞的繁殖和分化。,8 陈思学，李琳，颜季琼，等杜氏盐藻肌醇磷脂信息传递系统在低渗震动中的可能作用J.科学通报，1996,41(23):2190-21943 张学成等，藻类逆境胁迫下信号传导途径的初步研究进展J，中国海洋大学学报，2012，42:116-123,陈思学等8 在对杜氏盐藻的低渗震动实验中发现，低渗震动对PI水平影响很小，但却显著降低了多磷酸肌醇脂PIP和PIP2的水平，在2min时达到最低，之后其含量开始逐渐增加，而IP3含量水平在低渗震动1min时即开始增 加，2min时达到高峰，5min后

11、明显下降，若用磷脂酶C的抑制剂新霉素处理低渗震动下的杜氏盐藻则会对低渗过程中PIP和PIP2含量的下降和IP3含量升高表现出明显的抑制作用。,目前已在衣藻、三角褐指藻、海链藻等藻类中分离和克隆出多种磷脂酶基因.3,2.2.2 藻类肌醇磷脂信使系统研究进展,信号转导2 胞内信号转导系统,2.3.1 环核苷酸信号系统过程解析,2.3.2 藻类环核苷酸信号系统研究进展,Hartz等9 研究鞭毛虫尾藻（Oxyrrhis marina）的趋光性时发现，在一定强度的白光照射条件下，鞭毛虫尾藻细胞内的cAMP水平迅速升高并表现出良好的趋光性。说明，cAMP作为一种信号分子，参与了鞭毛虫尾藻内光信号的传导。,

12、信号转导2 胞内信号转导系统,Terauchi等10在淡水集胞藻（Synechocystis sp.PCC6803）中发现，光照可以使细胞内cAMP的浓度迅速提高，在单色光照射下，蓝光与红光、远红光相比更为显著的提高了cAMP水平，若破坏合成腺苷酸环化酶的基因，则蓝光无法引起cAMP水平的改变，同时蓝光还可以提高细胞的运动性，但是在腺苷酸环化酶被破坏的突变体中却无此现象。这说明蓝光通过cAMP信号传导途径使集胞藻（Synechocystis sp.PCC6803）的运动性显著提高，进一步揭示了cAMP参与的藻类光信号传导途径。,9 Hartz A J,Sherr B F,Sherr E B,P

13、hotoresponse in the heterotrophic marinedinoflagellate Oxyrrhis marinaJ.Eukaryot Microbiol,2011,58(2):171-17710 Terauchi K,Ohmori M.Blue light stimulates cyanobacterial motility via a CAMPsignal transduction systemJ,Mol Microbiol,2004,52(1):303-309,信号转导2 胞内信号转导系统,2.4.1 其他信号分子,H+、一氧化氮、抗坏血酸、谷胱苷肽、过氧化氢,

14、Zhang等11通过检测裸甲藻（Gymnodiniumsp）等几种微藻培养基中NO的浓度发现，NO在微藻的生长中充当第二信使，在强光照、高温、高盐度等环境条件刺激下，NO的浓度发生变化并迅速达到峰值。,2.4.2 藻类其他信号分子研究进展,信号转导2 胞内信号转导系统,Chen13在小球藻中发现，当藻体处于UV-B辐射下时，叶绿素的荧光率呈现连续下降，之后将藻体转移至光合成有效辐射条件下，其叶绿素的荧光率仍不能恢复，但是经过NO处理的藻体，其叶绿素的荧光率可以恢复到正常水平的55%，这说明NO可能在藻类UV-B辐射损伤后的修复中起重要作用。,11 Zhang Z B,Liu C Y,Wu Z

15、Z,et al.Detection of nitric oxide in culturemedia and stdies on nitric oxide formation by marine microalageJ.Med Sci Monit,2006,12(2):75-8512 薛林贵，增强UV-B胁迫下蓝细菌NO信号的产生及其作用机理研究D，兰州大学，200613 Chen K,Song L,Rao B,et al.Nitric oxide plays a role as second messenger in the ultraviolet-B irradiated green alg

16、a Chlorella pyrenoidosaJ.Folia Microbiol,2010,55(1):53-60,薛林贵12等通过对螺旋藻（Spirulina platensis,FACHB-794）在增强UV-B胁迫下NO信号的产生研究发现，增强UV-B胁迫下螺旋藻细胞能够产生和释放NO信号分子，而且NO的产生量呈UV-B强度和胁迫时间相关性，随着UV-B强度的增大和胁迫时间的延长，NO的产生量逐渐增多。,信号转导2 胞内信号转导系统,蓝藻的信号传导系统比较特殊，既具有类似细菌的信号识别机制二元传导系统（Two-componentsignaling system），又具有真核生物的Ser/

17、Thr或Tyr蛋白质激酶来行使信号传导功能14,15。常见的二元信号传导系统由两部分组成：具有受体功能的组氨酸激酶（Histidine kinase,HK）和应答调控蛋白（Response regulator）。当环境中的信号被HK感受到之后，其保守的组氨酸残基发生自身磷酸化，并将磷酰基转送给应答调控蛋白，后者保守的天冬氨酸被磷酸化，从而激活应答调控蛋白，激活的调控蛋白可以调控相关基因的表达，进而使细胞对接受到的信号作出应答。,14 许文亮,刘永定,张承才,等蓝藻信号传导系统研究进展 J.自然科学进展,2003,13(1)：36-4115张晓雯，梁成伟，鲍华燕，等.蓝藻中的主要信号转导系统J.

18、生命的化学，2009，29(1)：80-83,信号转导3 蓝藻二元信号传导系统,光、温度、营养元素、酸碱度、渗透压、氧化还原势等外界生存环境的细微变化，都会产生不同的信号，蓝藻感受后，通过某种信号级联，某些原本关闭的基因开始表达，进而产生适应性的应答反应，使蓝藻发生形态、生理的变化。蓝藻是对外界环境变化感受快捷、反应迅速的典范。,藻类的信号途径可能按照如下的过程彼此联系:,信号转导4 小结,首先，在环境刺激和胞间信号的作用下，细胞膜上的效应器（如磷脂酰肌醇 信号系统等）被激活，释放出DAG、IP3、Ca2+、cAMP、NO等第二信使，使胞外信号传递到细胞内。,接下来，第二信使分别作用于不同的靶

19、蛋白:(1)Ca2+通过CaM作用CaMBPs，使其被激活，Ca2+也可以不通过CaM，直接激活CDPKs;(2)IP3动员胞内储钙库释放Ca2+，通过调节Ca2+的浓度来传递信号;(3)DAG则主要激活蛋白激酶PKC。,最后，被第二信使激活的靶蛋白进一步作用于相关蛋白质，使蛋白质发生磷 酸化，最终引 起细胞内的各种生理生化反应，以减轻逆境胁迫对藻体造成的伤害。,藻类的各种信号传导途径之间不是互不联系的独立途径，而是相互协调，彼此作用，共同完成藻类的生命活动。,张永奎等，产油微藻自养培养条件调控，微生物学通报，2010，37(12):1721-1726,以生物量为指标的优化,普通小球藻，SE培养基，内循环气升式反应器主要结构参数如下:罐体直径(外径)80 mm,提升管直径(内径)50 mm,管提高 800 mm,提升管高 500 mm,高径比(H/D)10,总体积 4 L,工作体积 2.5 L。当三角瓶批式培养达到对数生长期后,按10%的接种量接到气升式反应器内,初始 OD680值约0.350。依据操作表控制反应条件连续培养6 d,藻液生长刚进入稳定期时收集藻液进一步检测生物量和油脂含量。,仅考虑试验点的“均匀分散”性,以油脂为指标的优化,