芸苔素内酯调控植物生长发育及抗逆性的研究进展

Advances in Brassinolide Regulation of Plant Growth and Development and Stress Resistance

摘要: 使用植物激素来调控植物生长发育是获得高品质和高产量农作物的有效手段。芸苔素内酯作为一种新型、环保的植物激素，在农林业上应用广泛，其通过促进细胞分裂、改善植物光合性能、缓解植物氧化应激、调节植物渗透势等生理过程来促进植物的生长发育和维持胁迫下植物的正常生长。目前，关于芸苔素内酯调控植物生长发育和提高植物抗逆性的研究内容丰富，芸苔素内酯的调控机制也更为明确。本文综述了芸苔素内酯对于植物生长发育和抗逆性的作用和调控机制，并对芸苔素内酯未来的研究方向做出展望，以期为芸苔素内酯的深入研究做参考。

Abstract: It is an effective measure to use plant hormones to regulate plant growth and the development; is an effective means to obtain high quality and high yield crops. Brassinolide, a new and environmentally friendly plant hormone, is widely used in agriculture and forestry. It promotes the growth and development of plants and maintains the normal growth of plants under stress by promoting cell division, improving photosynthetic performance, relieving oxidative stress and regulating osmotic potential of plants. At present, researches on brassinolide regulation of plant growth and development and improvement of plant stress resistance are abundant, and the regulatory mechanism of brassinolide is clearer. In this review, we summarized the role and regulatory mechanism of brassinolide in plant growth and development and stress resistance, and made a prospect of future research direction of brassinolide, in order to provide reference for further research on brassinolide.

1. 引言

芸苔素内酯(brassinolide, BR)是一类在植物的生长发育中起着多重作用 [1] 的植物激素，由美国农业部科学家J. W. Mitchell等人在1970年首先从油菜属植物的油菜花粉中提取得到 [2]。1979年，Grove和他的同事从油菜花粉中分离出BR的高纯度结晶，并对其立体结构进行了鉴定，发现这些BR具有类固醇的甾体核心结构并带两对邻位的羟基，而在此之前所有发现的植物激素都是非甾体。Grove和他的同事发现了类固醇激素，将其统称为油菜素甾醇类化合物(BRs) [3]。BR在调节细胞萌发，细胞伸长和分裂，以及叶片衰老、光形态发生、花粉管生长、花期控制、雄性生殖、质子泵活性、核酸和蛋白质合成、基因表达、光合作用等生理过程中起着重要的作用 [4] [5]。

植物激素的应用是在胁迫条件下提高作物生产力的一种有前途的实用策略 [6]。植物激素在植物生长调控中具有深远的作用，可以通过调节信号通路，积极参与对抗各种胁迫 [7]。其中，芸苔素内酯已被广泛用于提高植物对各类生物胁迫和非生物胁迫的抗逆性 [8]。近年来，BR在农业和园艺的应用逐渐增加，以期提高作物的产量和抗逆性 [9]。

BR低廉且无害，因此在生产实践中广泛应用。本文归纳了BR对于植物生长发育的调节作用，和对于胁迫下植物形态和生理过程的改善作用，以期为BR的应用提供参考。

2. 芸苔素内酯促进生长发育

许多研究表明，BR在促进植物生长和细胞分裂的作用显著。在Wang等人 [10] 的研究中，油菜素内酯缺乏的突变体表现出矮化和主根缩短的症状，这种症状在应用了24-表芸苔素内酯(EBL)后得到缓解，它们的研究从植株外部形态上表明了BR在植物生长发育过程中起关键作用。Meudt等人 [11] 则报导了BR促进马铃薯块茎顶端分生组织的生长。Zhiponova等人 [12] 的实验表明了BR促进拟南芥细胞分裂和叶片扩张。Kartal等人 [13] 的研究也发现了BR的应用通过促进细胞有丝分裂而与植物根系生长的正相关关系。

虽然BR促进细胞分裂的机制尚不明确，但Hu等人 [14] 认为BR促进CycD3基因的转录，从而调节细胞分裂。不仅如此，Khripach等人 [15] 也观察到BR可以激活细胞壁松动酶来调节细胞的伸长和分裂活性。

除了促进生长的作用，Xi等人 [16] 通过应用外源BR，发现其加速了葡萄的成熟过程，并促进黄酮类化合物和花青素等次生代谢物的积累。

此外，Sayed等人 [17] 报导了BR调节种子萌发和植物生长的双重性，较低浓度的BR促进了南瓜幼苗的萌发和生长，而较高浓度的BR则延缓了南瓜种子萌发并抑制了幼苗生长。

3. 胁迫下植物生理变化

胁迫下的氧化应激通常导致电解质渗漏和膜透性增加 [18]。在非生物胁迫条件下由于类囊体电子传输，叶绿体结构被破坏等原因，植物光合性能降低。不仅如此，胁迫下Rubp羧化酶(Rubisco)的失活还降低了羧化效率和卡尔文循环关键酶的活性 [19] [20]。同时，胁迫下叶绿素酶的活性增强而加速催化叶绿素分子讲解，从而降低叶绿素含量 [21]。此外，胁迫下气孔关闭导致气孔导度降低，影响植物气体交换 [22]，以及植物叶面积减小 [23] 同样降低了植物光合性能。

胁迫诱导的抑制生长与植物组织中活性氧的增加有关，这些活性氧一般包括超氧阴离子、羟基离子和过氧化氢，它们会引起脂质过氧化，从而导致植物细胞功能的紊乱 [24] [25]。换言之，胁迫打破了植物活性氧积累与抗氧化防御系统之间的平衡，导致氧化应激，从而抑制植物的正常生长 [26]。

温度过高或过低，土壤有效水分过少，土壤盐碱浓度过高或土壤受重金属污染等环境条件都会对植物的生长和生物量积累产生影响 [27] [28] [29] [30]。胁迫下植物的株高、鲜重和干重通常会严重下降 [31]。

胁迫同样影响植物激素水平，根据Wenli等人 [32] 的研究，盐胁迫使黑麦草叶片脱落酸(ABA)和赤霉素A4 (GA4)含量增加，吲哚乙酸(IAA)、玉米素核糖苷(ZR)、吲哚丙酸(iPA)和水杨酸(SA)含量减少。

许多研究表明，植物生长调节剂的应用可以有效缓解环境胁迫对植物生长的影响。有证据表明BR在提高植物对干旱、低温、高盐和重金属污染等环境胁迫的耐受性上具有显著作用 [28] [33] [34]。

3.1. 抗旱性

许多的研究表明了干旱条件下外源BR的应用可以改善植株的生长，显著恢复农作物产量 [35] [36] [37]。

Hu等人 [38] 的研究发现外源BR可以改善干旱条件下辣椒的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(E)和气孔导度(Gs)从而提高其光合性能。Lima和Lobato的研究 [39] 同样观察到喷洒100nM外源油菜素内酯的植株与水分亏缺的对照组相比Pn、E和Gs三个量分别提高了96%、24%和33%，他们还一步指出干旱条件下Pn、E和Gs的改善是因为外源BR的应用可以提高PSⅡ效率并增加碳固定，在他们的实验中，喷洒100 nM外源油菜素内酯的植株叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别显著增加了26%、58%和33%。此外，外源油菜素内酯对于干旱胁迫下暗适应态的最大荧光产额(Fm)、PSII光化学的有效量子产率(ΦPSII)、电子传递速率(ETR)和光化学猝灭系数(qP)的影响显著，它们分别增加了32%、74%、72%和112%。Zhao等人 [40] 发现干旱胁迫下Rubisco活化酶(RCA)的38~39 kDa亚基丰度下降，但在应用外源油菜素内酯后恢复，从而提高了Rubisco初始活性。

BR在清除活性氧和调节氧化还原方面起着重要的作用。孙石昂等人 [41] 比较了24-表芸苔素内酯、28-高芸苔素内酯和28-表高芸苔素内酯对干旱胁迫下玉米幼苗抗旱性的调控作用，实验结果表明，三种BR在不同浓度下均能提高干旱胁迫下玉米幼苗叶片中的SOD、POD、CAT保护酶活性，从而增强植株清除活性氧的能力，同时降低MAD含量，从而提高植株抗逆性。BR还可以在干旱胁迫下下调过氧化氢生产基因的表达而减少植物体内过氧化氢产量 [42]。Peng等人 [43] 的研究发现磷脂酶Dα1的过表达提高了拟南芥的抗旱性，而油菜素内酯被认为是磷脂酶的调节因子，调控磷脂酸的生成 [44]。

清除活性氧(ROS)的另一个循环是AsA-GSH循环，Talaat等人 [35] 的研究发现，在干旱胁迫下，AsA和DHA浓度增加，但AsA/DHA比值降低，并推测这可能是由于DHAR和MDHAR活性降低所致，在应用了BR后，植物的AsA/DHA比值恢复，此外，BR还调节参与AsA-GSH循环的酶的活性，从而保持抗坏血酸的氧化还原状态。他们的研究还发现在干旱胁迫下，GSH/GSSG比值降低，而BR正调控干旱胁迫下生长的植株GSH/GSSG比值。

BR还通过提高水势、渗透势和压力势来维持干旱胁迫下植物的相对含水量 [45]。Yu等人 [46] 的研究结果显示，干旱条件下BR的应用引起水关系的改善，这可能是糖等渗透调节物质的高积累所致。Talaat等人 [35] 的研究也同样表示了BR诱导脯氨酸和甘氨酸的高积累，减少植物组织的水分损失，从而提高了植物组织中的水分含量。在Khamsuk等人 [47] 的研究中，BR在干旱胁迫下提高了脯氨酸累积，从而减少细胞膜损伤和氧化应激，最终辣椒的相对含水量提高了71%。

3.2. 抗冻性

Jie等人 [48] 通过RNA测序，发现外源BR使受低温胁迫的辣椒上调了335个基因的表达，其中有29个基因与辣椒的光合能力有关。有研究发现，外源应用BR后叶绿素含量的恢复可能是由于BR信号转导对转录和翻译过程的调节作用，从而最终促进叶绿素生物合成或减少叶绿素分子的分解 [49] [50]。而Anwar等人 [27] 的研究显示，BR提高了低温胁迫下的植株光合色素的含量，气孔导度，胞间CO₂含量从而提高植株光合能力。他们的研究还发现，BR可提高抗氧化酶(SOD、POD、GR、CAT和APX)活性，从而调节植物防御系统，以减少低温胁迫的不良影响，受低温胁迫而水平增加的ROS和MAD也被外源BR抑制，提高了植物细胞膜稳定性。不仅如此，外源BR也影响各植物激素的表达，其中，脱落酸(ABA)、吲哚乙酸(IAA)、ZR、和BR水平上升，而茉莉酸(JA)、赤霉素A4(GA4)下降。内源BR含量大幅上升的原因是控制BR生物合成的关键基因DWF基因受到外源BR的调控，CsDWF1、CsDWF2、CsDWF4表达上升而CsDWF3表达下降。

3.3. 耐盐性

BR对于缓解盐胁迫也有显著作用，Yuan等人 [51] 的研究结果显示盐胁迫显著降低了黄瓜植株的茎重和根重，而BR的应用一定程度克服了盐胁迫，改善了植物的鲜重和干重。BR还能提高胁迫下植物根瘤的数量，从而提高作物产量。根据Ali等人 [52] 的研究结果，用BR处理过的鹰嘴豆种子在盐胁迫下根瘤数量较对照组提高了30%，豆血红蛋白含量和固氮酶活性分别提高28%和30%，收获后，种子产量比对照组提高了26%。

BR从多个方面调节盐胁迫下植物的光合性能。Xia等人 [53] 的研究表明外源应用的BR可以上调rbcL，rbcS等光合基因的表达，从而提高二磷酸核酮糖羧化酶(Rubisco)以及其它参与卡尔文循环酶的活性。其结果就是植物在盐胁迫下的气体交换参数增加 [54]。此外，在盐毒性作用下，BR通过保护叶绿体的膜和细胞的超微结构来减少叶绿素的降解 [55]。同时，应用BR后叶绿素酶编码基因的下调也有助于减少叶绿素降解 [56]。谷胱甘肽氧化还原稳态的维持对于CO₂同化起着重要作用，而BR参与维持谷胱甘肽稳态也可能提高光合性能 [57]。类胡萝卜素可以加强清除活性氧的过程从而保护不利环境条件下植物的光合系统 [58]，Anket S等人 [56] 的研究发现BR的应用提高了类胡萝卜素含量。

BR的应用降低了盐胁迫下水稻幼苗的脂质过氧化以及电解质渗漏。这是由于应用了BR后，植物体内O₂-、H₂O₂生物合成显著下降 [59]。Miguel等人 [60] 的研究发现了BR降低了盐胁迫下苜蓿的MAD含量和膜损伤。Rady等人 [61] 也报道了BR应用于盐胁迫的菜豆，降低了电解质渗漏同时提高了膜稳定性指数。

BR降低植物在盐胁迫下的氧化应激主要通过强化植物抗氧化防御系统起作用。植物抗氧化防御系统有助于清除有害的活性氧，从而减轻氧化爆发的负面影响 [24]。Goda等人 [62] 的研究发现BR调控拟南芥过氧化物酶编码基因ATP2和ATP24a的表达。Ding等人 [63] 的研究发现BR提高了盐胁迫下植物体内超氧化物歧化酶、过氧化氢酶等抗氧化酶的活性，增加了抗坏血酸、谷胱甘肽等抗氧化剂含量从而提高清除植物体内活性氧能力。Ahammed等人 [64] 报道了BR不仅促进谷胱甘肽S-转移酶和谷胱甘肽还原酶的活性，还提高了还原型谷胱甘肽含量，但不改变氧化型谷胱甘肽的含量，从而降低植物受到的氧化损伤。

渗透调节物质是低分子量的有机溶质，包括某些氨基酸、多胺、糖、季铵盐等多种化合物 [65]。这些成分在植物细胞质中累积，通过调节Na⁺和Cl⁻来维持细胞渗透势 [66]。根据Talaat与Shawky [67] 的研究，BR的应用促进了小麦腐胺以及精胺、亚精胺的合成。渗透调节物质中的脯氨酸具有稳定亚细胞结构，清除自由基的能力 [68]，同时作为分子伴侣维持蛋白质结构，增强酶活性 [69]。根据Abbas等人 [70] 的研究，辣椒在盐胁迫下脯氨酸含量升高，而BR的应用进一步提高了脯氨酸含量，进而增强植株抗逆性。Talaat等人 [67] 的实验观察到盐胁迫下BR的应用也提高了小麦脯氨酸含量。甜菜碱也是重要的渗透调节物质，有利于提高植物抗逆性，Talaat等人 [67] 的实验同样观察到BR的应用促进了盐胁迫下小麦甜菜碱的生物合成。除此之外，此项研究还观察到了外源BR促进盐胁迫下小麦糖的生物合成。同样，Ramadan [71] 的研究也发现盐胁迫下BR处理过的玉米种子所形成的植株总糖合成显著增加。

盐胁迫通常增加了植物体内Na⁺和Cl⁻的含量，导致了离子毒性而打破离子平衡 [72]。胞浆K⁺/Na⁺比值被广泛认为是评判植物耐盐性的关键特征之一 [73]。根据Azhar等人 [74] 的研究，盐胁迫造成大麦根茎大量的K⁺损失，从而显著降低胞浆K⁺/Na⁺比值，但是BR可以减小NaCl引起的根茎K⁺泄漏(P < 0.05)。他们的研究还指出BR是通过控制去极化激活的GORK通道来提高植物的耐盐性。此外，Dong等人 [75] 也报道了应用BR可提高小麦根和叶的K⁺/Na⁺和Ca²⁺/Na⁺比值，从而减轻Na⁺的毒性。

除上述方面外，还有很多其它研究表明BR对于调节植物耐盐性有作用。Wenli等人 [32] 的研究发现了BR在盐胁迫下调节抗氧化活性的同时还调节叶片植物激素ABA和GA4、IAA、ZR、iPA和SA含量，从而提高盐胁迫的耐受性。而Sharma等人 [76] 的研究显示了盐胁迫下BR的应用提升了植物体内蛋白质含量，并且不同程度提升了多种氧化应激标志基因的表达。Zhang等人 [77] 则研究了内源性BR在盐胁迫中的作用，他们的研究结果显示内源性BR可以降低盐胁迫诱导基因COR78和P5CS1的表达。这些研究表明了BR对植物转录翻译的显著影响。

3.4. 耐重金属毒性

镉、砷、镍、锌、铬和铝等重金属离子通过诱导植物一系列代谢改变，如活性氧的产生和蛋白质变性，从而抑制植物生长 [30] [78]。Andrzej Bajguz [79] 的研究发现了外源施加的BR在10-6-10-4M范围内对藻类细胞中的重金属有明显的阻断作用。BR可作用于细胞膜的电学性质和酶活性来影响细胞膜的通透性，进而影响重金属离子的吸收 [34]。除此之外，也有许多研究表明BR可以调节植物对单一或者复合的重金属胁迫的抗逆性。

3.4.1. 镉胁迫

Vassilev和Yordanov报道了 [80] 镉通过限制卡尔文循环中ATP和NADPH的使用来抑制光合过程。此外，镉的毒性还会造成氧化应激，诱导活性氧的产生从而改变细胞膜通透性，最终抑制植物生长 [81]。Anuradha等人 [82] 的研究揭示了在萝卜幼苗中，BR通过提高游离脯氨酸水平从而减轻镉胁迫。Kapoor等人 [83] 的研究发现了BR的提高了镉胁迫下萝卜POD，SOD和APOX等抗氧化酶的活性。Janeczko等人 [84] 的研究则发现了BR的应用使得油菜子叶镉的积累降低了14%。Hayat等人 [85] 报道了BR的应用改善了镉胁迫下芸苔属植物的碳酸酐酶活性，叶绿素含量，净光合速率以及渗透调节。

3.4.2. 铜胁迫

高浓度的铜诱导通过哈伯–韦斯反应和芬顿反应产生大量自由基，从而造成氧化应激 [86]，从而导致一系列氧化损伤。Fariduddin等人 [87] 报道了BR显著改善了铜胁迫下芸苔属植物的形态，增加了生物量的积累。Fariduddin等人 [88] 的另一项研究则发现黄瓜在盐胁迫和铜胁迫共同作用下，生物量的积累、叶绿素含量、碳酸酐酶活性、净光合速率以及PSII初级光化学的最大量子产量均显著下降，而在应用了BR后这些指标得到改善，除此以外植物多种抗氧化酶活性和脯氨酸含量同时上升，增强了植物的抗逆性。

3.4.3. 铝胁迫

Pereira等人 [89] 的实验发现了铝对植物生长，以及一些特定的酶，如δ-氨基乙酰丙酸脱水酶(ALA-D)活性的抑制作用。除此之外，铝还会干扰根尖和侧根的细胞分裂、降低根系呼吸和酶活性、干扰植物营养平衡、且能通过增强DNA双链的刚性来抑制DNA复制 [90]。Ali等 [91] 的研究表明BR的应用降低了铝胁迫对绿豆幼苗的毒性，改善了幼苗生长、光合以及其它生理过程。Madhan等人 [92] 的研究发现BR的应用促进了铝胁迫下木豆种子的萌发和幼苗的生长。幼苗体内过氧化氢酶、过氧化物酶、超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶等抗氧化酶的活性也随着BR的应用而提高，脯氨酸等渗透调节物质水平也同时提高，维持了幼苗渗透平衡。

3.4.4. 镍胁迫

过量的镍对植物的光合作用、蒸散作用等生理过程以及抗氧化酶活性以及渗透调节物质水平产生影响，还会产生活性氧并造成脂质过氧化 [93] [94]。Kanwar等人 [95] 报道了外源BR抑制了芥菜根茎对镍的吸收，恢复了受镍胁迫的芥菜生长。他们的研究结果还表明外源BR可提高植物体内的SOD、CAT、POD、APOX等氧化酶活性，改善植物形态和生理过程。Soares等人 [96] 则报道BR降低了镍在植物根中的积累，并且改善了渗透调节物质水平，提高了植物光合色素含量以及Rubisco活性。

3.4.5. 铬胁迫

Parr和Fred [97] 的研究表明镉离子抑制了矮菜豆的萌芽。与其它重金属一样，镉毒性也会产生大量的自由基和活性氧，从而抑制植物生长 [98]。Anket等人 [99] 研究发现，BR的应用显著减少了水稻中铬的积累，改善了水稻的生长发育。Arora等人 [100] 发现BR调节了抗氧化剂和蛋白质的生物合成，从而减轻铬胁迫。

3.4.6. 锌胁迫

锌浓度过高会导致光合色素分解，使叶片黄化，抑制根生长和发生，同时产生活性氧造成氧化损伤并打破营养平衡，抑制植物生长 [101] [102]。Ramakrishna和Rao [103] 报道了应用BR可以提高锌胁迫下萝卜幼苗的抗氧化酶活性，从而减轻活性氧对植物的损伤，同时幼苗体内的脯氨酸水平上升，幼苗抗逆性得到提高。它们的研究还指出应用了BR后MAD含量下降，脂氧合酶活性和电解液泄漏得到改善。

4. 总结与展望

BR作为一种活性的信号化合物在不同的代谢和生理过程中，改善植物胁迫下的生长发育，在植物生长和抗逆性方面有重要的作用。BR通过激活多种抗氧化酶，提高抗氧化物含量来减少活性氧对植物的损伤。不仅如此，BR也能保护光合色素的超微结构不被降解，从而增加光合作用和其他叶片的气交换。应用BR还可以增加各类渗透调节物质的积累，特别是脯氨酸，以调节胁迫下植物的渗透势。在不同的应用方法中，通过种子处理和叶面喷雾应用BR比根应用更方便有效。此外，也有研究认为BR具有低浓度促进生长，高浓度抑制生长的双重性。BR对于不同基因表达水平上具有调节作用，但是相关研究较少，还有研究表明外源芸苔素内酯影响植物体内多种激素水平，表明芸苔素内酯与其它植物激素间存在相互作用关系，但其机制尚不明确，也还需要深入研究。

基金项目

浙江省重点研发计划项目“药食同源植物黄精品质提升关键技术研究及功能食品开发”(2020C02039)。

NOTES

^*通讯作者。