中国细胞生物学学报Chinese Journal of Cell Biology2020,42(12):2215-2226DOI:10」1844/cjcb.2020.12.0013
李辉杨宁*刘锐锐周亚萍高润杜雅琴
(西北师范大学生命科学学院，兰州730070)
摘要磷脂酶C(phospholipase C,PLC)广泛存在于原核生物和真核生物中，是信号传导途径中一类重要的别构效应酶。PLC水解磷脂酰肌醇头部基团的磷酸二酯键产生甘油二酯(diacylglycerol,DAG)和三磷酸肌醇(inositol triphosphate,IP3)。PLC及其水解产物DAG和IP3会参与到种子萌发、幼苗生长、花发育以及果实成熟等植物发育的不同阶段。根据作用底物的不同，植物中有生物活性的PLC分为磷脂酰肌醇特异性PLC和磷脂酰肌醇非特异PLC。不同的PLC在结构、激活条件、底物特异性、水解产物等方面均存在差异。PLC的失活或者突变都会对植物造成严重的损伤。该文就植物PLC的结构特征、分类、特异性表达进行概述，重点就PI-PLC应答非生物和生物胁迫的过程中发挥的作用以及与植物激素的互作进行了论述。 关键词PLC；生长发育；生物和非生物胁迫；植物激素
The Role of Phosphoinositide-Specific PLC in Plant
Growth and Development
LI Hui,YANG Ning
*,LIU Ruirui,ZHOU Yaping,GAO Run,DU Yaqin
{College of L ife Science,Northwest Normal University,Lanzhou730070,China)
Abstract PLC(phospholipase C)is an important allosteric enzyme in signal transduction pathway,which exists widely in prokaryotes and eukaryotes.PLC can produce DAG(diacylglycerol)and IP3(inositol triphosphate) by hydrolyzing the phosphodiester bond on the phosphatidylinositol head group.PLC and its hydrolysates DAG and IP3are involved in different stages of plant development,such as seed germination,seedling growth,flower development and fruit ripening.Based on various substrates,PLC with the biological activity is divided into NPC (non-specific PLC)and PI-PLC(phosphoinositide-specific PLC)in plants.There are differences in structure,activa・tion conditions,substrate specificity,hydrolyzed products in different PLCs.The inactivation or mutation of PLC can cause serious damage to plants.This paper summarizes the stru
ctural characteristics,class迅cation and specific expression of plant PLC,and role of PI-PLC in response to abiotic and biological stress and its interaction with plant hormones are discussed emphatically.
Keywords PLC;growth and development;abiotic and biological stress;plant hormones
磷脂酰肌醇家族(phosphatidylinositol,Ptdins)是一类重要的磷脂，占全部膜脂的1%，其肌醇环的3、4、5位的瓮基可被磷脂酰肌醇磷酸激酶(phosphoinositide phosphate kinases,PIPKs)磷酸化形成磷酸肌醇(inositol phosphate,IP)0磷酸肌醇以磷脂酰・4・单磷酸(phosphatidylinos让ol-4-monophosphate,PIP)
收稿日期:2020-06-29接受日期:2020-08-17
国家自然科学基金(批准号:31660061)和西北师范大学研究生科研资助项目(批准号:2019KYZZ012048)资助的课题
审通讯作者。Tel:186****9830,E-mail:***************
Received:June29,2020Accepted:August17,2020
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.31660061)and Postgraduate Research Project of N orthwest Normal University (Grant No.2019KYZZ012048)
♦Corresponding author.Tel:+86-186********,E-mail:xbsd-yn@163
URL:/arts.asp?id=5411
2216
.综述.
X I o J I P —o I C I _
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D
PL C /2
CH Z O H C I
第六次人口普查二
O
5
三
O -
O
A：不同的磷脂酶以及它们的水解位点；B: PIP2的头部取代基。X 代表不同的头部取代基团；PLD(phospholipase D)、PLA 1 (phospholipase A 1 )x PLA2(phospholipaseA2)和PLC(phospholipase C)。
A: different phospholipases and their hydrolysis sites; B: head substituents of PIP2 X represents different head substituents; PLD (phospholipase D), PLA1 (phospholipase Al), PLA2 (phospholipaseA2) and PLC (phospholipase C).
图1磷脂酶水解位点图
Fig.l Diagram of phospholipase hydrolysis site
和磷脂酰肌醇(4,5)二磷酸(phosphatidylinositol 4,
5-bisphosphate, PIP2)及其他多种磷酸化的形式存在,
PIP2是动植物细胞内一种重要的磷脂信号山。PIP2 能够调控影响细胞生长发育的蛋白，最常见的是其 参与肌动蛋白骨架重塑，己证明PIP2通过与肌动蛋
白结合蛋白Profilin 相互作用直接促进肌动蛋白聚 合。除此之外，PIP2作为磷酸肌醇激酶、磷酸酶和 磷脂酶的底物能够影响几种酶的活性
植物体内广泛分布着水解磷脂的4种磷脂酶,
这些酶作用于磷脂分子中不同的酯键，在细胞调控 和代谢中起着重要作用，如信号转导、细胞骨架和
囊泡运输等⑶。磷脂酶A|(phospholipase A ), PLAJ 作用于SN-1位酰基，产生脂酸和溶血磷脂2；磷脂酶
A 2(phospholipase A 2, PLA 2)水解SN-2位酰基，产生溶 血磷脂和多不饱和脂肪酸。PLC 作用于水解SN-3相
连的磷酸基，PLD(phospholipase D)则水解磷酸取代 基间酯键47)(图J 。植物中己经发现的具有生物活 性的PLC 根据底物特异性和细胞中的功能特异性可 分为两组：磷酸肌醇非特异性PLC(non-specific PLC,欲望与智慧
NPC)作用于常见的膜磷脂产生甘油二酯(diacylg
lycerol, DAG)，如磷脂酰胆碱(phosphocholine, PC)和
磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)；磷酸 肌醇特异性磷脂酶C(phosphoinositide-specific phos
pholipase C, PI-PLC)简称PLC 是肌醇磷脂信号系dcg
统中的关键酶之一，特异性水解磷酸肌醇口叽PLC 将质膜上的P1P2水解为DAG 和三磷酸肌醇(inositol
triphosphate, IP3)。DAG/PKC(protein kinase C)和IP3/
Ca2+构成的“双信使系统”，在G 蛋白偶联受体的介
导下引发细胞信号级联放大反应实现细胞对外界
信号的响应叫己经证明，G 蛋白a 亚基能够与PLC1
的C2结构域结合，WU 等⑼通过酵母双杂交实验证 明，在烟草表皮组织中表达小麦PLC1与GA3(异三聚 体G 蛋白的典型Ga 亚基)相互作用。PLC 的产物IP]
是Ca"调节剂，其磷酸化产物IP 6(inositol hexaphos-
phate)是内质网钙库中Ca"释放的主要因素。Ca 2+til
是重要的第二信使，它可以引起钙调蛋白构象和活 性的改变，从而激活下游Ca2+相关的蛋白激酶。另 一产物DAG 能够被甘油二酯激酶(diacylglycerol ki
nase, DGK)转化成磷脂酸(phosphatidic acid, PA), PA
本身是一种磷脂信号，同时又是其他多种磷脂生物 合成的前体2叭
1 NPC 参与的植物生长发育过程
NPC 是一种与细菌磷脂酰胆碱特异性磷脂酶C 同源的植物磷脂裂解酶。通过与细菌中存在的NPC 进
行序列比对分析，在拟南芥中发现了6种NPC，分
别由NPC/到NPC6这6种基因编码研究发现，拟
南芥NPC1能够裂解PC, “刃突变体相比于野生型 对热胁迫更加敏感，过表达植株比野生型更加 耐热，这证明NPC1参与了对热胁迫的应激反应网;
NPC2和NPC6在拟南芥根尖中高表迖并且NPC2和
NPC6的敲除突变体出现晚花表型，两者都和种子萌
李辉等：磷酸肌醇特异性磷脂酶C在植物生长发育中的作用2217
发以及花形态的发育有关l，5-|61o NPC3的敲除突变体由于生长素信号被破坏，在磷酸盐缺乏时侧根密度明显低于野生型叫一方面,NPC5似乎也与生长素信号有关，这主要体现在NPC5敲除突变体对生长素介导的根系生长的敏感性降低z；NPC4受盐胁迫诱导后表达并定位于根尖，过表达NPC4的转基因植株在盐胁迫下生长活力明显高于野生型。相比于野生型,NPC4基因敲除突变体在根系生长、种子萌发中对盐胁迫更加敏感，这可能是由于NPC4的敲除破坏TABA(abscisic acid)信号引起的"
*切。在膜中通过NPC产生的DAG可以改变脂质与蛋白质相互作用，改变表面膜受体的位置，膜中不
对称的DAG分布还可能促进膜结构域和功能性脂质筏的形成另一方面，水稻NPC家族与拟南芥NPC家族属于同一进化支,NPC基因在两种不同的植物物种中具有较高的序列同源性、共同的祖先性和相似的进化路径
此外，植物NPC可能还参与影响植物生长发育的膜重塑、激素生成、外界胁迫等过程。随着各种植物转录组数据库的建立，NPC基因家族在不同植物物种中的表达的大量信息现已获得，但还有很多关于NPC在细胞调控和信号传递中的延伸作用的性质有待阐明。
2PLC的分类和结构
在动物细胞中，PLC所有同工酶的功能和作用机制已经研究清楚3。相关实验证明，动物细胞中PLC的作用与激活DAG蛋白激酶C(protein kinase C, PKC)和IP3信号通路介导的细胞内Ca?+释放有关。由于植物质膜上PIP2的含量较低且植物细胞内还未发现IP」直接作用的受体，植物PLC的作用机制和信号途径尚未明确阐迖，与动物中的作用机制是否一致并不清楚tlL22,»已经发现的哺乳动物体内有13种PLC的同工酶，分为不同的六个PLC家族(PLC(3、丫、6、£、T］和其中PLC©的结构域与其他几类明显不同，它与植物PLC都没有PH结构域列。包括拟南芥在内的各种植物都有多种PLC，已经在水稻、小麦、番茄、大豆、马铃薯、豌豆、甘蓝、燕麦等中成功克隆得到甩少.241。例如，拟南芥(Aybidopsis thaliana)^已经克隆得到9个基因，按AtPLCl到AIPLC9依次命名(暂时没有克隆得到AtPLC
6的序列)，番茄基因组中发现6个编码PLC的基因，水稻中也成功获得4个编码PLC的基因12U251»
大多数的植物PLC含有EF、X、Y和C2四个结构域。保守的X和Y结构域构成影响其磷酸酯酶活性的TIM桶状折叠结构，植物PLC的催化活性被认为严格依赖于X/Y结构域E，并不是所有活性的PLC都有完整的X/Y结构域。拟南芥AtPLC8和AtPLC9与AtPLC 家族中的其他酶成员类相比，在Y区有很长的缺失
C2结构域也是一个保守的结构域，主要负责靶向结合磷脂和激活PLC,Ca?
*可能参与这一过程聲大多数的PLC都可以自主地靶向到质膜，但是Vr-PLC3(w0a radiata L.phospholipase C3)只有当EF手型结构域存在时，C2结构域才参与膜靶向N-端的EF手型结构域并不保守，具有多样性，在哺乳动物中，EF手型结构域由4个螺旋折叠结构组成，作为1个负责结合Ca?+和脂类的调节域曲。而植物中EF手型结构域只有两个螺旋基序，负责酶的靶向作用，可以提高磷脂酶和底物的亲和性［4-"'221»并不是所有的植物都含有这样规律的四个结构域，在AtPLC2中就不含有EF 手型结构域，但仍然具有催化活性U叭研究发现, AtPLC2的催化活性与Ca"有关，1^rnol/L游离的Ca?+即可以使AIPLC2发挥最大的催化活性“。大多数植物PLC中都含有EF手型结构域，如大豆和拟南芥(A1PLC2除外严1。也有植物PLC没有EF手型基序的，如马铃薯阳。
3PLC在植物中的表达特征
3.1PLC的组织特异性表达
哺乳动物的PLC在各种器官以及细胞器中定位的研究已经较为成熟，植物中各种PLC在组织以及细胞的定位尚未被完全发现。已经证明，AtPLC在营养生长和有性生长阶段均会表达，同时我们利用转录组数据库GENEVESTIGATOR(genevesti-gator)对已经发现的AtPLC的表达进行了归纳分析(图2)冋。在对AtPLC家族亚型的组织特异性表达的研究中指出，除了AIPLC6在根中不表达外，其他8种亚型在茎、叶、根和花中均有表达⑴1，并且相关研究指出,AtPLCl、AtPLC3、AtPLC5以及AtPLC9在根中高表达|3'-34|o用PLC的专一性抑制剂U73122和新霉素处理拟南芥幼苗时，U73122和新霉素以浓度依赖性的方式显著抑制根伸长和破坏根形态，根中的皮层微管和肌动蛋白微丝出现紊乱和解聚的现象朗。肌动蛋白和微管细胞骨架在PLC抑制作用下被破坏可能是由于根柱中生长素的横向不对称分
2218
-综述•
布和信号传递机制被破坏所致，在重力刺激下生长 素在根柱中的这种横向分布主要由生长素外排调节 因子PIN3(PIN-FORMED3)蛋白的极性靶向作用调
控，而肌动蛋白和微管蛋白正好是PIN3蛋白发挥作 用所必须的""I 。已经通过遗传学方法证明，在拟
南芥和水稻中，植物主根长度、次生根密度和根系
生长方向和干旱适应性相关(两。AtPLC5在根和叶 中的特异性表达受干旱胁迫的诱导，过表达AIPLC5 使胞内AtPLC 活性增强，PIP 、PIP2水平和PA 含量
增加，同时导致初生和次生根生长减少、根毛发育 迟缓以及气孔孔径减小，进而提高了耐旱性则。在 同为双子叶植物的大豆基因组中鉴定得到了 12个 编码GmPLC(glycine max phospholipase C)的基因。
RT-PCR 表达模式分析表明，PEG 、NaCl 和盐碱处理少游人才网
可诱导GmPLCs 在根和叶中的表达，并且ABA 处理
后GmPZC 转录产物在根中特异性积累。进一步分
析发现，GmPLC7在茎和幼嫩的果荚等器官中具有 均高水平的表达，GmPLC3、GmPLC5、GmPLClO
和GmPLCll 具有中等转录水平，而GmPLCk Gm-
PLC6、GmPLC8和GmPLC9的表达水平较低。刃。对 单子叶植物水稻全基因组阵列数据分析发现，水稻
PLC(oryza sativa phospholipase C, OsPLC)编码基因
在水稻生长发育的11个阶段(6个穗期和5个种子发
钻机转盘
育阶段)也都有表达，OsPLC 1和OSPLC3在所有组织
中均有高表达，同时在各组织中OsPLC2的表达量较
低PLC 在植物生长的各阶段特异性表达的同时 如何发挥作用，还需要进一步去研究。
3.2 PLC 的亚细胞定位
拟南芥、大豆、油菜和水稻等植物中的PLC
在膜系统相关的细胞器(包括细胞质膜、内质网
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• PLC2 • P1X X® PLC7 PLC3• PLC1 • PLC5> PLC4
Stage of development
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Number of samples 515 2 781
830
2 219 358 720 1 00
3 27
4 93 18
横坐标从左到右分别代表发芽的种子、幼苗、真叶、发育的莲座、抽薑的莲座、开花、花和种子、成熟的种子、衰老。所有的数据用微阵
列分析计算得到纵坐标对应的“高”、“中”和“低样本数和微阵列基因表达值由GENEVESTIGATOR 收集
得到。
The horizontal axis from left to right represents germinated seeds, seedlings, euphyll, developed rosette, flowering, bolting rosette, mature flowers,
flower and seeds, mature seeds, and senescence. The “high”, "medium ” and “low" in vertical coordinates of all the data were calculated using microar
ray analysis. These sample numbers and microarray gene expression values are collected by GENEVESTIGATOR.
图2不同时期AtPLC 表达量
Fig.2 The expression of AtPLC in different
stage
李辉等：磷酸肌醇特异性磷脂酶C在植物生长发育中的作用2219
膜和线粒体膜等)、细胞质以及细胞核中均有定位，PLC不同的定位意味着它们有不同的功能©㈣。RA
M等呦在报道中指岀，在质膜和细胞质中定位的PLC需要被不同浓度级别的Ca2+激活，它们对底物的选择性也不同。通过PLC特异性抗体和PLC 特异性结合的原理，证明了AIPLC4存在于胞质可溶性组分和膜组分中，同时通过亚细胞定位发现, AIPLC4在细胞膜和细胞质中共定位，烟草和大豆的PLC也有同样的现象H⑷，并且PLC活性所具备的条件是必须与磷酸肌醇所在的细胞膜发生短暂或永久的关联皿切。部分PLC在细胞质膜和细胞质中共定位，研究发现，在植物体内缺少PLC膜锚定的翻译后修饰岡。这说明PLC在植物中的定位是可变的，已经证明PLC的亚细胞定位在受到外界胁迫时会发生迁移，没有外界胁迫时GFP(green fluorescent protein)标记的OsPLC1在细胞质膜和细胞质均有定位并且大部分定位在细胞质中；当用NaCl处理水稻幼苗时发现，细胞质中的OsPLCl会迁移至细胞质膜，最终造成OsPLCl在质膜的定位多于细胞质跑。GFP 标记的PetPLC1(petunia phospholipase Cl)和自身C2结构域共表达时也会发生从细胞质向细胞膜迁移的现象，并且已经证明膜相关PLC的C2结构域具有膜靶向作用"拠=PLC的C2结构域在Ca2+调节膜靶向中的关键作用已在植物中得到证实：Ca?+水平的变化是造成细胞质中游离的PLC迁移的主要原因，应力刺激下Ca2+增加会导致Ca2+结合的C2结构域暴露疏水表面然后C2结构域靶向膜去响应Ca2+刺激，然而Ca2+增加后EF手型和XY结构域在疏水性方面并不会产生这样的变化0制。关于核定位PLC的作用机理还需要深入的研究。
4PLC对植物生长发育的作用
4.1PLC参与植物对外界胁迫的应答
4.1.1PLC参与的非生物胁迫对非生物胁迫的信号研究可以更清楚地了解植物的抗逆能力，有助于提高作物产量。渗透胁迫是指由于环境因素的变化使植物不能得到充足水分的一种非生物胁迫。植物的PLC积极参与到渗透胁迫的响应中，PLC在植物渗透胁迫信号中活性被诱导增强。一些常见的盐类(NaCl、KC1等)和渗透胁迫诱导剂(甘露醇等)都会引起IP3水平的迅速增加，同时添加外源AtPLCl的抑制剂U73122能够使高渗胁迫过程中干旱相关基因的表达被抑制［49'501o AtPLC1还参与了ABA对种子萌发的调控过程,AtPLCl产生的信号分子IPs在种子萌发过程中传递ABA信号。但AtPLC1对ABA的活性并不是必要的，过表达AtPLCl不会引起ABA下游响应基因肋29a、K〃V2和肋22表达水平的变化⑴切。另外,AtPLCl还参与了ABA控制气孔关闭的调控过程，添加PLC抑制剂U73122可以抑制ABA引起的气孔关闭和气孔Ca2+振荡，同样地AIPLC3和AtPLC7也参与了ABA介导的种子萌发和气孔关闭⑴旳。plc 在农作物中也会积极响应非生物胁迫。DENG等驹发现，OsPLC4缺失突变株中IP3和细胞质游离Ca2+明显下降，同时Ca2+传感器和盐胁迫渗透胁迫反应相关基因被抑制，突变株表现出对渗透胁迫的耐受力明显下降。而补充DAG或PA可以恢复0sPZC4突变株对盐胁迫的耐受性，过表达基因可以提高拟南芥幼苗在高盐和缺水的环境中的生长率和存活率阴。Ca2+信号同样在OsPLC1调控水稻中盐胁迫和提高水稻的耐盐性发挥作用，在受到盐胁迫诱导时OsPLCl能够从细胞质迁移到质膜，并在那里水解PI4P进而产生DAG和IP3,OsPLCl进一步通过IP3释放的Ca?+信号控制叶片Na+积累，从而建立水稻的耐盐体系旳。
植物热胁迫应答最常见的反应之一是热休克蛋白(heat-shock proteins,HSPs)的产生和积累，HSP的表达受热休克转录因子(heat shock transcription factor, HSF)与热休克启动子元件(heat shock element,HSE)的调控网。热胁迫感知和信号传递是植物中一种复杂的途径，高温引起膜流动性的变化，激活一些未知的Ca?+通道，从而产生应答叭LI等删发现，PLC/IP3可能参与热胁迫信号转导通路，进一步通过耐热性实验发现，AtPLC家族中只有AtPLC9能够响应热胁迫，&7PZC9缺失突变株中Ca2+浓度会发生降低从而会减弱植株防卫逆境反应的能力卿。在应答热胁迫后,At-PLC9通过诱导细胞内Ca?+和IP3增加参与到热胁迫调控机制中，同时通过分析加PZC9启动子的特异性表达证明ATPLC9还会促进HSP的表达列。植物应答寒冷胁迫，与微管解聚以及其上游的磷酸肌醇代谢有关，同时植物PLC也涉及冷胁迫诱导细胞中的信号转导，—些低溫调控基因的表达依赖于PLC的活性，而PLC 的激活依赖于Ca?+进入细胞网创。低温处理的小麦在信号转导过程中会出现快速且短暂的IP3积累，同时PIP2会伴随着下降㈤。除此之外，植物中的PLC
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