植物与病原(细菌、真菌、病毒)在进化过程中形成了复杂的互作关系，病原侵染植物，植物会识别或感应病原物或病原激发子，启动抗病反应，抵御病原菌的进一步侵染。植物抗病反应表现为寄主植物在病原侵染部位的少数细胞迅速死亡，产生局部获得抗性，从而限制病原扩散并进一步激发周围细胞及整株植物对病原的抗性，这一过程涉及许多信号分子的参与，并且存在着一个复杂的信号转导网络。GTP 结合蛋白( G 蛋白)作为细胞内信号转导网络中的重要组分，参与多种生命活动的调控，着重综述近年来植物 G 蛋白参与调控植物防卫反应方面的研究进展。

1 植物 G 蛋白的种类和特性

　　G 蛋白是普遍存在于真核生物细胞中的一个 GTP 结合蛋白家族，根据其亚基组成及分子量大小，可将参与细胞信号转导的 G 蛋白分为异三聚体 G 蛋白 (heterotrimeric G protein )，小 G 蛋白( small GTPase )。异三聚体 G 蛋自由α,β和γ三种亚基构成；α亚基相对分子质量一般为3.5×10⁴～4.5×10⁴，少数相对分子质量较大，可达6.6 × 10⁴～7.4 × 10⁴；β亚基相对分子质量为3.5×10⁴～3.6×10⁴；γ亚基相对分子质量为8.0×10³～1.0×10⁴。小 G 蛋白是单体鸟苷酸结合蛋白，由一条多肽链构成，分子量较小，一般为20～30 kDa。根据在细胞中功能不同，小 G 蛋白可分为5个亚家族，包括 Ras、Rho、Rad、Arf 和 Ran。Ras 家族在酵母和哺乳动物中调节细胞分化过程，Rho 家族调控肌动蛋白重组过程和参与 MAP 激酶的细胞信号转导，Rad 和 Arf 家族在膜转运过程中起着不同的重要作用，而 Ran 家族在核孔位置调节着蛋白和 RNA 分子的运输过程。

　　迄今的研究表明，人类基因组中存在17个 Gα 基因，编码23个 Gα 亚基蛋白，存在至少5个 Gβ 基因和12个 Gγ 基因。同时人类基因组中存在着至少800个编码 G 蛋白偶联受体( G protein-coupled receptors，GPCRs )的基因。与从动物细胞中克隆到上百个 Gα 基因相比，植物中发现编码 G 蛋白基因的数目非常有限。自从1990年首先从拟南芥中分离到一个 Gα 基因( GPA1 )以来。已从10多种植物中克隆到 Gα 基因，然而，每一个物种只鉴定到一个 Gα 单基因，只有大豆，豌豆和烟草中存在着2个 Gα 基因。此外，从玉米和拟南芥细胞中克隆到的两个基因(ZGB1，AGB1)与动物 Gβ 基因具有较高同源性，并且具有 WD-40 结构，被认定是植物细胞中的 Gβ 基因，最近两个 Gγ 基因也从拟南芥细胞中分离得到。虽然植物 G 蛋白和动物 G 蛋白的同源性较低，但是植物 G 蛋白中 α/β 界面和 β/γ 界面的氨基酸残基与动物细胞中的相比是高度保守的，并且高度保守的氨基酸残基也存在于植物 G 蛋白 α 亚基的“开关”区和核甘酸结合基序中，据此认为植物体中的 α,β,γ3 个亚基也可能组成异源异三聚体 G 蛋白。

　　植物细胞中同样发现与动物细胞中同源的小 G 蛋白家族的存在，包括 Rad，Arf，Ran，Rho，但迄今尚未找到与动物 Ras 有较高同源性的小 G 蛋白。自从1993年第一次从豌豆中发现 Rho 相关的 GTPase 以来，人们先后在17种植物中发现 352 种与 Rho 相关的 GTPase，虽然它们也是由 Rho 家族保守的亚家族 Rho， Rac 和 Cdc42 GTPase 演化而来，但是植物 Rho GTPase 不同于真菌和动物的 Rho GTPase，它属于一种特殊的 ROP( Rho-related GTPase from plants，Rop GTPase )。研究发现拟南芥中含有1 1种，玉米中含有9种，水稻中含有7种 Rop GTPase。然而在美丽线虫( Caenorhabditis elegans )中只发现4种，人类只有3种 Rac 基因，说明 ROP GTPase 在植物中分布较为广泛，并且种类繁多。考虑到异三聚体 G 蛋白，Rop GTPase 和 Ras 蛋白在动植物中分布的悬殊差别，人们推测植物体的信号转导途径可能与动物的信号转导途径有较大的不同，并且 Rop GTPase 有可能在其中扮演着独特的角色。

　　植物 Gα 含有以下功能位点：5个 GTP 结合位点，1个 GTPase 活性位点；2个 ADP-核糖基化位点；1个质膜受体识别与结合位点；1个胞内效应器结合位点。在天然状态下，β 和 γ 亚基紧密结合在一起形成二聚体。在细胞处于静息态时，Gα 上结合 GDP，并与 Gβγ 共同构成一个复合体。当位于膜表面 GPCR 与配基结合后，受体被活化并催化 Gα 上的 GDP 解离，Gα 因而活化并调节胞内效应器如腺苷酸环化酶，离子通道等活性，并由后者导致一系列下游事件。同时，由于 Gα 本身具有内在的 GTPase 活性，水解 GTP 为 GDP，使 Gα 变为非活化态，与 Gβγ 再次结合而失活。可以发现 G 蛋白内在 GTPase 活性将 GTP 水解为 GDP 是终止信号的关键步骤，最近，Chen 等发现一个 G 蛋白信号转导调节子( regulator of G protein signaling，RGS )参与 G 蛋白信号终止的调节。

　　植物小 G 蛋白超家族各成员之间有一些相同的结构特征，如它们都含有4个鸟苷酸结合区和1个效应区。小 G 蛋白对上下游的调节机制和异三聚体 G 蛋白不同。质膜上的鸟苷酸交换因子( guanine nucleotide exchange factor，GEF )通过 GDP/GTP 的交换反应，将结合 GDP 的非活性状态的小 G 蛋白转化为结合 GTP 的活化状态，结合了 GTP 的小 G 蛋白通过其上游的效应器结合位点与下游的1个或多个特异的效应器蛋白相互作用。这种活化的 GTP 表现出固有的微弱的 GTPase 活性，需要在 GTPase 激活蛋白( GTPase activated protein，GAP )的作用下才能有效地将 GTP 水解掉，从而恢复小 G 蛋白的静息状态。此外，大多数小 G 蛋白都有2种存在方式，一种是与质膜偶联，另一种是在胞质中游离，只有和质膜偶联的 GTPase 才能被 GEF 激活，在胞质中存在一种鸟苷酸解离抑制因子( guanine nucleotide dissociation inhibitor，GDI )，在它的负调控下，小 G 蛋白才能与膜解离。这些小 G 蛋白复合体的调节方式和生理作用在所有有机体包括植物中保守存在。

　　植物中还有另外一类 G 蛋白，称为“超大 G 蛋白”( extra large G protein，XLGs )。在拟南芥中鉴定到3个、在水稻中鉴定出4个 XLG 基因。这些 XLG 基因编码的蛋白是通常多细胞生物 G 蛋白的两倍大，其 C 端与植物 G 蛋白 GPA1 的同源性约50％，其 N 端富含色氨酸，且含有核定位位点。生化分析表明，拟南芥 XLG1 是一种 GTP 结合蛋白。然而目前尚未有关于 XLG 能和常规 Gβγ 发生相互作用的证据，因此，对植物 XLGs 的功能研究有待深入。

2 植物 G 蛋白对植物防卫反应的调节功能

　　按照细胞信号学说，环境信号主要为位于细胞表面的受体所接受，然后通过跨膜信号转导将细胞信号转变为胞内信使，通过胞内信号传递引起胞内生理生化反应和遗传性状的表达。研究表明，植物异三聚体 G 蛋白负责将质膜表面受体( GPCR )和质膜内侧的效应器( effectors )偶联起来，在细胞跨膜信号传导中发挥着重要的作用，调控许多细胞反应过程，如植物对激素，干旱和病原物的反应，离子通道，细胞分裂，极性生长和光反应等。同时植物小 G 蛋白 Rop GTPase 作为一种信号蛋白，以单体方式直接或间接的参与细胞形态建成，细胞极性的形成，细胞凋亡，活性氧产生，细胞分化和激素反应等多种生命活动的调节作用。

2.1 植物异三聚体 G 蛋白的调节功能

　　用霍乱毒素( cholera toxic，CTX )(一种 G 蛋白激活剂)处理柠檬幼苗，即使在未接种链格孢菌( Alternaria alternata )条件下，苯丙氨酸解氨酶( PAL )基因同样被诱导表达；用 CTX 和另一种蛋白激活剂 mastoparan 处理柠檬幼苗也观察到 scoparone 的从头合成，表明 G 蛋白参与柠檬幼苗对链格孢菌的超敏反应，早期的生化药理学试验也表明植物异三聚体 G 蛋白可能参与植物真菌病原反应的调控。

　　Suharsono 等利用水稻 Gα 基因启动子与 GUS 结构基因构成嵌合基因导入水稻叶肉细胞中，发现接种无毒稻瘟病菌 24h 后在感染部位检测到 GUS 活性，但当接种亲和小种时检测不到 GUS 活性。接种无毒稻瘟病菌后 Gα 的 mRNA 积累量提高，同时叶片产生超敏( HR )反应。从稻瘟病菌细胞膜中提取的鞘脂类激发子( sphingolipid elicitor，SE )也可以导致类似的反应。水稻矮生突变体 dwarf1(d1) 是由亚硝基脲诱变产生，其体内编码 Gα 的基因发生了突变，失去了其正常的功能。对水稻 d1 突变体的分析表明，接种无毒的稻瘟病菌( Magnophorthe grisea )生理小种 TH67-22 (小种 031 )后，d1 突变体叶片中病程相关蛋白基因的表达与对照相比推迟 24h，d1 突变体对水稻稻瘟病菌的抗性显著降低。由鞘脂类激发子 SE 诱导的 H202 的产生和 PR 基因的表达在 d1 突变体悬浮培养体系中被强烈抑制，蛋白质组学分析表明，d1 突变体受病原菌和激发子诱导后检测不到水稻抗病蛋白 PBZ1 的产生。有丝分裂原蛋白激酶( mitogen-activated protein kinase，MAPK )是诱导植物防卫基因表达的重要上游组分。水稻 OsMAPK6 参与病原菌诱导的 PAL 编码基因的表达。在水稻 d1 突变体和利用 RNAi 使 OsRac1 沉默的转基因系中，OsMAPK6 的蛋白水平下降，但其 mRNA 水平未受影响，表明 G 蛋白和小 G 蛋白对 MAPK 的调节是翻译后修饰。另有证据显示，OsRac1 能够和 MAPK 相互作用，说明 G 蛋白和小 G 蛋白有可能是通过 MAPK 对植物的抗病反应进行调控的。Liorente 等研究发现，三个拟南芥 Gβ 基因突变体 elk2，elk5 和 elk4(agb-1) 对真菌病原菌 Plectosphaerella cucumerina 的抗性降低，同时拟南芥 Gα 基因失活的突变体对该病原菌的敏感性提高，拟南芥 agb-1 突变体对 P. cucumerina 的抗性降低可能是由于侵染位点附近的葡聚糖胼胝质的积累受阻从而使病原菌能够成功侵染植物。这些结果从分子水平上说明了植物异三聚体 G 蛋白可能参与植物的抗病反应。

2.2 植物小 G 蛋白的调节功能

　　在嗜中性粒细胞中，人们发现 NADPH 氧化酶复合物的组装及其活性的表达，都要求 Rac 蛋白定位到质膜上，Rac1 和 Rac2 蛋白通过调节 NADPH 氧化酶的表达水平来控制活性氧的产生，已证实在烟草细胞中，植物小 G 蛋白可与 NADPH 氧化酶复合物的一个成分发生免疫反应。用转水稻小 G 蛋白 OsRac1 基因的水稻为材料研究表明，转 OsRac1 组成型活性基因的水稻可产生大量的活性氧，产生 HR 样反应，植保素的合成和抗性相关基因的表达量增加，对稻瘟病、枯萎病的抗病能力有所增强。同时，组成型活性 OsRac1 诱导的活性氧生成可被 NADPH 氧化酶抑制剂 DPI (dipbenylene iodoniam)所抑制，相似的结果在过表达棉花 GhRac13 或人 Rac1 的拟南芥或蚕豆悬浮培养体系也存在。转水稻 OsRac1 显性负突变体的产生抑制了转基因水稻悬浮培养细胞受病原激发子诱导的活性氧产生，也抑制植物受无毒生理小种诱导的 HR 反应。另外，将苜蓿 MsRac1 基因的反义载体转入烟草后，烟草在激发子的诱导下并不产生相应的抗病反应。 Moeder 等在含抗性基因 N 的烟草中超表达水稻 OsRac1 的显性负突变形式，发现接种烟草花叶病毒后转基因植株形成的致死斑较野生型对照较小，同时积累较少的脂类过氧化物，并且不能激发抗氧化基因的表达。这些负性效应可被瞬时超表达野生型 OsRac1 逆转。这些结果说明，植物小 G 蛋白可能是植物抗病途径中的一员，结合在膜上的小 G 蛋白首先活化磷酸脂酶，其后在胞内蛋白激酶被活化以及胞外 Ca²⁺ 进入胞内的条件下，增加 NADPH 氧化酶活性，使质膜释放出 H₂O₂ 等活性氧。活性氧一方面能直接攻击病原物，高浓度的 H₂O₂ 可使细胞死亡，引发植物过敏反应；另一方面 H₂O₂ 作为植物抗逆反应的二级信使将引起植物产生一系列抗逆反应。

　　还有研究表明，植物小 G 蛋白可能通过调控胞内肌动蛋白纤丝的极性化聚积和重组参与植物的抗病反应。通过比较对白粉病菌 Blumeria graminis f. sp. hordei(Bgh) 敏感和抗性的大麦 Mlo 基因型和 mlo5 突变基因型接种 Bgh 后胞内肌动蛋白动态变化发现，抗性品种中胞内肌动蛋白纤丝向病菌侵染位点极性化聚积，而敏感品种中病菌侵染位点周围只有微弱的肌动蛋白重组。抗性越强，肌动蛋白的极性化聚积程度越高。如果在单个细胞中超表达组成型活性的 RAC/ROP-G 蛋白，CA RACB，可以部分抑制受 Bgh 诱导的肌动蛋白重组，若敲除 RACB 可以明显促进肌动蛋白的极性化聚积。结果表明小 G 蛋白参与大麦与 Bgh 互作中肌动蛋白重组和细胞极性的调控，并且可能负调控大麦对白粉病的抗性。

2.3 植物异三聚体 G 蛋白和小 G 蛋白在植物抗病反应信号转导途径中的相互关系

　　生化药理学实验和基因水平的 in vivo 实验结果表明，植物异三聚体 G 蛋白和小 G 蛋白均参与植物对病原反应的信号转导。那么二者的关系如何呢？是各自调控不同的信号转导途径，还是共同参与同一信号转导通路？稻瘟病菌激发子 SE 可以诱导野生型水稻悬浮培养细胞中内源小 G 蛋白 OsRac1 基因的表达，但是这种诱导效应在水稻 d1 突变体(异三聚体 Gα 基因突变)悬浮培养细胞中被抑制，说明 OsRac1 mRNA 的积累受 SE 诱导，并且这种诱导需要 Gα 蛋白的参与。在水稻 d1 突变体中表达组成型活性 OsRac1 基因可使转基因水稻悬浮培养细胞的活性氧产生量恢复到近野生型水稻的水平，虽然过表达组成型活性 OsRac1 基因的野生型水稻细胞受 SE 激发后强烈表达抗病相关基因 PBZ1，但在表达相同基因的 d1 细胞中却未检测这种诱导效应，表明 PBZ1 受 SE 的诱导表达除需要 OsRac1 外还需要 Gα 的参与。抗病性分析表明，表达组成型活性 OsRac1 的水稻 d1 突变体对稻瘟病表现出完全抗性，说明由 Gα 基因突变导致的抗病性丧失，可由组成型活化的 OsRac1 所恢复。根据以上结果，Suharsono 等认为在水稻悬浮培养细胞 SE 介导的信号转导中，Gα 位于 OsRac1 的上游(图1)。

　　迄今为止，未见在其它植物上有关异三聚体 G 蛋白和小 G 蛋白之间相互关系的报道，但在动物细胞中，与 Rac 同属—个小 G 蛋白家族的小 GTPase Rho 调节 Gα 激活的多种细胞反应如 Na+^-H+ 转运蛋白，细胞转化和逆境纤维形成等；另一方面，活化的 Gα 又可以直接调节一个活化小 G 蛋白的鸟苷酸交换因子 p115Rho GEF。因此，可以推测植物抗病信号转导也有可能由异三聚体 G 蛋白和小 G 蛋白以相似的方式调节。

3 问题与展望

　　从这些研究结果可以看出，植物 G 蛋白包括异三聚体 G 蛋白和小 G 蛋白是植物防卫反应中重要的调控分子。但是对于植物 G 蛋白调控植物防卫的信号转导途径中的许多问题还有待于解决，如 G 蛋白和植物抗性基因 R 的关系，参与抗病反应信号转导的 GPCR，G 蛋白的下游效应因子，G 蛋白的调控机制以及与其它防卫反应信号转导途径如水杨酸、茉莉酸和乙烯途径之间的 cross talk 等。随着大量植物 G 蛋白基因的分离克隆，利用生物化学，蛋白质组学，分子生物学和遗传学等方法对植物 G 蛋白结构和功能的进一步分析，最终将对植物 G 蛋白调控包括植物防卫反应在内的许多生物学过程的作用机理有一个更全面深入的认识，为植物抗病分子育种奠定坚实的基础。小麦叶锈病是小麦的重要病害之一，多年来，本实验室利用小麦抗叶锈近等基因对多个抗叶锈病基因进行了分子标记，但对于小麦抗叶锈病基因介导的抗锈病反应的信号转导过程及其参与组分却知之甚少，对小麦 G 蛋白是否参与抗锈病反应以及其调控小麦抗叶锈病反应的分子机制，正是我们目前的研究内容。

    注：
    （1）文章来源：中国生物工程杂志，2006年 第26卷 第3期；
    （2）作者单位：河北农业大学生命科学学院 等。