基因组学与应用生物学，2016年，第35卷，第11期，第3205-3209页Genomics and Applied Biology,2016, Vol.35, No.11, 32053209评述与展望ReviewandProgress植物微丝骨架的研究进展郝焕风！代华琴2曹跃芬3*1浙江农林大学林业与生物技术学院，临安，311300;2浙江农林大学农业与食品科技学院，临安，311300;3浙江农林大学农业与食品科技学院，浙江省农作物品质改良重点实验室，临安，311300*通讯作者，caoyaofen@126.com摘要微丝骨架是细胞骨架的重要组成部分，在各种细胞活动中都发挥着重要作用。微丝骨架的主要组成部分是肌动蛋白和肌动蛋白结合蛋白，参与细胞形态建成、物质运输和信号转导等生命活动。通过鬼笔环肽标记或表达荧光融合蛋白等方法，国内外许多学者对植物微丝骨架的组成、功能等进行了大量的研究，并取得了一些成果。基于前人的研究，本研究从组成、功能及研究方法三个方面对植物微丝骨架的进行概述。关键词细胞骨架，微丝骨架，肌动蛋白，肌动蛋白结合蛋白TheResearchAdvances ofPlantMicrofilamentHao HuanfengDai Huaqin?Cao Yuefen*1 School of Forest and Bio-technology, Zhejiang A&F University, Lin'an, 311300; 2 School of Agriculture and Food Science, Zhejiang A&F Uni-versity, Lin'an, 311300; 3 The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province, School of Agriculture andFood Science, Zhejiang A&F University,Lin'an,311300*Corresponding author,caoyaofen@126.comDOI: 10.13417/j-gab.035.003205AbstractMicrofilament, themain ingredient of the cytoskeleton,plays an importantrole in variouslife activitiesofcell.Microfilament is comprised ofactinand actinbindingproteins,and takespartin life activities suchas cellmorphology,material transportation and signal transduction. Using the methods of phalloidin labeling or express-ingfusionproteinwithfluorescence,extensiveresearchesonthecomponent,functionabouttheplantmicrofilament havebeen doneand some achievements have been obtained.Based on theseprevious studies, the recent research advances on componentandfunction of theplantmicrofilament as well asthe related investigated methodsweresummarizedKeywordsCytoskeleton, Microfilament, Actin, Actin binding proteins细胞骨架(cytoskeleton）是一类复杂的动态蛋白动都依赖于微丝的解聚与组装过程。本研究对植物微丝骨架的构成、功能及研究方法进行了概述。纤维丝状结构，广泛存在手植物细胞和动物细胞中，参与细胞形态构建、物质运输及信号转导等众多生1微丝骨架的构成命活动。按其分布可分为细胞核骨架、细胞质骨架和细胞外骨架，三者结构上相互联系，功能上相互协作，微丝又称为肌动蛋白纤维(F-actin)，圆筒状，直共同参与众多生命活动简令成，1991；陈琼等，2011)。径5~8nm，主要由肌动蛋白（actin）和肌动蛋白结合马利贞和杨元武(2003)认为细胞质骨架又分为微丝蛋白(ABPs)组成，广泛地分布于各种组织细胞中，在(microfilament）微管（microtubule）、中间纤维（inter-细胞之中成束平行排列或疏散成网状，使细胞具有mediatefilament）和微梁系统（microtrabecuarsystem）。一定的弹性及韧性。微丝骨架作为细胞骨架的主要成分之一，在细胞的肌动蛋白是一种单一多肽链球状蛋白质，由375~生命活动中发挥着重要的作用，细胞的许多生命活377个氨基酸残基组成，分子量为42kD，是微丝骨基金项目：本研究由国家自然科学基金(31501349)资助?1994-2017ChinaAcademic JournalElectronicPublishingHouse.Allrights reserved.http://www.cnki.net
评述与展望 Review and Progress 植物微丝骨架的研究进展 郝焕凤 1 代华琴 2 曹跃芬 3* 1 浙江农林大学林业与生物技术学院, 临安, 311300; 2 浙江农林大学农业与食品科技学院, 临安, 311300; 3 浙江农林大学农业与食品科技学院, 浙江省农作物品质改良重点实验室, 临安, 311300 * 通讯作者, caoyaofen@126.com 摘 要 微丝骨架是细胞骨架的重要组成部分，在各种细胞活动中都发挥着重要作用。微丝骨架的主要组 成部分是肌动蛋白和肌动蛋白结合蛋白，参与细胞形态建成、物质运输和信号转导等生命活动。通过鬼笔环 肽标记或表达荧光融合蛋白等方法，国内外许多学者对植物微丝骨架的组成、功能等进行了大量的研究，并 取得了一些成果。基于前人的研究，本研究从组成、功能及研究方法三个方面对植物微丝骨架的进行概述。 关键词 细胞骨架, 微丝骨架, 肌动蛋白, 肌动蛋白结合蛋白 The Research Advances of Plant Microfilament Hao Huanfeng 1 Dai Huaqin 2 Cao Yuefen 3* 1 School of Forest and Bio-technology, Zhejiang A&F University, Lin'an, 311300; 2 School of Agriculture and Food Science, Zhejiang A&F University, Lin'an, 311300; 3 The Key Laboratory for Quality Improvement of Agricultural Products of Zhejiang Province, School of Agriculture and Food Science, Zhejiang A&F University, Lin'an, 311300 * Corresponding author, caoyaofen@126.com DOI: 10.13417/j.gab.035.003205 Abstract Microfilament, the main ingredient of the cytoskeleton, plays an important role in various life activities of cell. Microfilament is comprised of actin and actin binding proteins, and takes part in life activities such as cell morphology, material transportation and signal transduction. Using the methods of phalloidin labeling or expressing fusion protein with fluorescence, extensive researches on the component, function about the plant microfilament have been done and some achievements have been obtained. Based on these previous studies, the recent research advances on component and function of the plant microfilament as well as the related investigated methods were summarized. Keywords Cytoskeleton, Microfilament, Actin, Actin binding proteins 基金项目：本研究由国家自然科学基金(31501349)资助 基因组学与应用生物学，2016 年，第 35 卷，第 11 期，第 3205-3209 页 Genomics and Applied Biology, 2016, Vol.35, No.11, 3205-3209 细胞骨架(cytoskeleton)是一类复杂的动态蛋白 纤维丝状结构，广泛存在于植物细胞和动物细胞中， 参与细胞形态构建、物质运输及信号转导等众多生 命活动。按其分布可分为细胞核骨架﹑细胞质骨架和 细胞外骨架，三者结构上相互联系，功能上相互协作， 共同参与众多生命活动(简令成, 1991; 陈琼等, 2011)。 马利贞和杨元武(2003)认为细胞质骨架又分为微丝 (microfilament)、微管(microtubule)、中 间 纤 维(intermediate filament)和微梁系统(microtrabecuar system)。 微丝骨架作为细胞骨架的主要成分之一，在细胞的 生命活动中发挥着重要的作用，细胞的许多生命活 动都依赖于微丝的解聚与组装过程。本研究对植物 微丝骨架的构成、功能及研究方法进行了概述。 1 微丝骨架的构成 微丝又称为肌动蛋白纤维(F-actin)，圆筒状，直 径 5~8 nm，主要由肌动蛋白(actin)和肌动蛋白结合 蛋白(ABPs)组成，广泛地分布于各种组织细胞中，在 细胞之中成束平行排列或疏散成网状，使细胞具有 一定的弹性及韧性。 肌动蛋白是一种单一多肽链球状蛋白质，由375~ 377 个氨基酸残基组成，分子量为 42 kD，是微丝骨
基因组学与应用生物学3206Genomics and Applied Biology架构建的原材料。肌动蛋白因最初是在动物骨骼肌solin)，切割微丝，减少微丝的平均长度：(5)交联蛋白，中发现而被命名，在细胞中以两种形式存在：球状如Arp2/3、villin，促进微丝成核、成束以及三维网络的的单体肌动蛋白（G-actin）和丝状多聚体肌动蛋白形成：(6)稳定蛋白，如原肌球蛋白(tropomyosin)，防止解聚，稳定微丝：(7)马达蛋白，如肌球蛋白(myosin)，(F-actin)。G-actin具有ATP结合位点，当两个肌动蛋白单体都结合了ATP时相互聚合：当ATP水解为利用微丝轨道而运动进行物质运输(Dosetal,2003;ADP时，单体间亲和力下降而相互解聚。微丝的组装樊婷婷，2012)。某些药物如细胞松弛素和鬼笔环肽和去组装的动力学过程与细胞质内物质运输、细胞也可以和微丝特异结合，诱导其解聚或者聚合。细胞迁移、形态发生和分化等多种细胞运动密切相关（张松弛素是真菌的一种代谢物，与微丝正端结合，切割晓彤，2012)。微丝，阻碍肌动蛋白单体聚合，破坏微丝的三维网络在高等植物中，肌动蛋白是由多基因编码的。尽结构：鬼笔环肽是从毒覃中分离的一种生物碱，紧密管核苷酸序列与蛋白质序列都有很高的同源性，但结合在微丝的肌动蛋白亚单位之间，促进肌动蛋白单不同的成员基因编码的蛋自具有不同的功能，参与体聚合，稳定微丝结构，而且鬼笔环肽只与丝状肌动不同的细胞活动和生命进程。在拟南芥中有功能的蛋白结合，不与球状的蛋白单体结合(SchmitandLam-bert,1990)。Ca+可以直接作用于微丝结合蛋白或者肌动蛋白基因共有8个：ACT2、ACT7和ACT8主要通过钙调素作用于微丝结合蛋白，调控微丝骨架。在在营养组织表达，属于营养型肌动蛋白基因：ACT1、体外，微丝的组装可分为成核期、生长期和平衡期3ACT3、ACT4、ACT11和ACT12主要在生殖器官中表个时期(苗龙，2007)。成核期是微丝聚合的限速阶段，达，属于生殖型肌动蛋白基因(Nishimuraetal,2003)。水稻肌动蛋白基因有4个，其内含子在位置和数量肌动蛋白单体先聚合成不稳定的二聚体，进而形成上都具有保守性，但不同基因的转录表达模式不同，比较稳定的三聚体（即形成核心），然后进入生长期。肌动蛋白单体在核心两端快速聚合，其聚合过程可表明这些基因参与的转录调控和细胞功能可能不同用踏车现象（treadmilling)来解释：正端的装配速度(McEloryetal,1990)。杨树的肌动蛋白家族包括8个快，负端的慢；微丝延长到一定时期时，正端的装配成员，研究表明可能和次生组织的形成有关(Zhangetal.，2010)。已报道的棉花肌动蛋白基因有15个速度与负端的解聚速度相等：进入平衡期，微丝的长(GhACT1~GhACT15)，研究表明GhACT1在棉纤维的度维持不变，处于动态平衡中。微丝骨架的形态及分布发育中起了重要作用(Lietal.,2005)。随细胞生理功能的不同而不断变化，使微丝骨架处在微丝具有极性，分为正极和负极；正极的聚合速一个解聚与组装的动态变化中(Higakietal,2007)。度大手负极，微丝装配速度受肌动蛋白单体浓度、离2微丝骨架的功能子浓度、ATP浓度、相关药物以及肌动蛋白结合蛋白(ABPs)的影响(马翎健，2006)。在高Ca、低Na和K微丝普遍存在于植物各组织细胞中，其聚合与等阳离子条件下，微丝趋于解聚。在高ATP、Mg、解聚过程与诸多生命活动密切相关，如维持细胞形Nat和K+条件下则有利于单体肌动蛋白聚合组装成态，细胞运动，胞质环流，物质运输，顶端生长，信号转丝状肌动蛋白。一个G-actin可以结合一个ATP成导等(Staiger and Schliwa,1987;Cardenas et al.,2005;为ATP-Actin。ATP-Actin对正端的亲和力大于负Ketelaar，2013)。下面从形态构建、细胞运动、信号转端，使正端的聚合快于负端。ATP-Actin结合在微丝导及细胞分裂这几方面总结归纳。上以后，ATP水解为ADP：ADP-Actin对微丝的亲和2.1微丝骨架与细胞形态构建力小，容易解聚脱落。ABPs对微丝的解聚和聚合起看重要的调控作用，根据不同的功能，ABPs主要分为细胞是生命活动的基本单位，植物分生组织分以下几类：(1)G-Actin结合蛋白,如前纤维蛋白(profil-裂产生等径细胞，随着细胞的分化与扩大形成具有in)DNA聚合酶I(DNaseI），抑制微丝聚合，保持不同功能的特定形态的细胞，这一过程就是细胞形细胞质中肌动蛋白单体库的相对稳定：（2)微丝解态构建（张妙彬和王小菁，2004）。细胞形态建成受多方面因素的影响，微丝对维持植株正常的形态起着聚蛋白，如丝切蛋白（cofilin），诱导F-actin转化为G-actin；(3)微丝端部结合蛋白，如加帽蛋白(capping非常重要的作用：细胞骨架主要是通过影响细胞壁protein)，与微丝正端结合，调控微丝的动态组装：(4)物质在伸展细胞中的沉积模式，从而影响细胞形态构微丝切割蛋白，如ADF/cofilin、凝溶胶蛋白（gel-建(Smith,2003；Mathur，2004)。微丝与微管相互作用?1994-2017ChinaAcademic JournalElectronic PublishingHouse.All rights reserved.http://www.cnki.net
基因组学与应用生物学 Genomics and Applied Biology 架构建的原材料。肌动蛋白因最初是在动物骨骼肌 中发现而被命名，在细胞中以两种形式存在：球状 的单体肌动蛋白(G-actin)和丝状多聚体肌动蛋白 (F-actin)。G-actin 具有 ATP 结合位点，当两个肌动蛋 白单体都结合了 ATP 时相互聚合；当 ATP 水解为 ADP 时，单体间亲和力下降而相互解聚。微丝的组装 和去组装的动力学过程与细胞质内物质运输、细胞 迁移、形态发生和分化等多种细胞运动密切相关(张 晓彤, 2012)。 在高等植物中，肌动蛋白是由多基因编码的。尽 管核苷酸序列与蛋白质序列都有很高的同源性，但 不同的成员基因编码的蛋白具有不同的功能，参与 不同的细胞活动和生命进程。在拟南芥中有功能的 肌动蛋白基因共有 8 个：ACT2、ACT7 和 ACT8 主要 在营养组织表达，属于营养型肌动蛋白基因；ACT1、 ACT3、ACT4、ACT11 和 ACT12 主要在生殖器官中表 达，属于生殖型肌动蛋白基因(Nishimura et al., 2003)。 水稻肌动蛋白基因有 4 个，其内含子在位置和数量 上都具有保守性，但不同基因的转录表达模式不同， 表明这些基因参与的转录调控和细胞功能可能不同 (McElory et al., 1990)。杨树的肌动蛋白家族包括 8 个 成员，研究表明可能和次生组织的形成有关(Zhang et al., 2010)。已报道的棉花肌动蛋白基因有 15 个 (GhACT1~GhACT15)，研究表明 GhACT1 在棉纤维的 发育中起了重要作用(Li et al., 2005)。 微丝具有极性，分为正极和负极；正极的聚合速 度大于负极，微丝装配速度受肌动蛋白单体浓度、离 子浓度、ATP 浓度﹑相关药物以及肌动蛋白结合蛋白 (ABPs)的影响(马翎健, 2006)。在高 Ca2+、低 Na+ 和 K+ 等阳离子条件下，微丝趋于解聚。在高 ATP、Mg2+、 Na+ 和 K+ 条件下则有利于单体肌动蛋白聚合组装成 丝状肌动蛋白。一个 G-actin 可以结合一个 ATP 成 为 ATP-Actin。ATP-Actin 对正端的亲和力大于负 端，使正端的聚合快于负端。ATP-Actin 结合在微丝 上以后，ATP 水解为 ADP；ADP-Actin 对微丝的亲和 力小，容易解聚脱落。ABPs 对微丝的解聚和聚合起 着重要的调控作用, 根据不同的功能，ABPs 主要分为 以下几类：(1) G-Actin 结合蛋白,如前纤维蛋白(profilin)、DNA 聚合酶Ⅰ(DNaseⅠ)，抑制微丝聚合，保持 细胞质中肌动蛋白单体库的相对稳定；(2)微丝解 聚蛋白，如丝切蛋白(cofilin)，诱导 F-actin 转化为 G-actin；(3)微丝端部结合蛋白，如加帽蛋白(capping protein)，与微丝正端结合，调控微丝的动态组装；(4) 微丝切割蛋白，如 ADF/cofilin、凝溶胶蛋白(gelsolin)，切割微丝，减少微丝的平均长度；(5)交联蛋白， 如 Arp2/3、villin，促进微丝成核、成束以及三维网络的 形成；(6)稳定蛋白，如原肌球蛋白(tropomyosin)，防 止解聚，稳定微丝；(7)马达蛋白，如肌球蛋白(myosin)， 利用微丝轨道而运动进行物质运输(Dos et al, 2003; 樊婷婷, 2012)。某些药物如细胞松弛素和鬼笔环肽 也可以和微丝特异结合，诱导其解聚或者聚合。细胞 松弛素是真菌的一种代谢物，与微丝正端结合，切割 微丝，阻碍肌动蛋白单体聚合，破坏微丝的三维网络 结构；鬼笔环肽是从毒蕈中分离的一种生物碱，紧密 结合在微丝的肌动蛋白亚单位之间，促进肌动蛋白单 体聚合，稳定微丝结构，而且鬼笔环肽只与丝状肌动 蛋白结合，不与球状的蛋白单体结合(Schmit and Lambert, 1990)。Ca2+ 可以直接作用于微丝结合蛋白或者 通过钙调素作用于微丝结合蛋白，调控微丝骨架。在 体外，微丝的组装可分为成核期、生长期和平衡期 3 个时期(苗龙, 2007)。成核期是微丝聚合的限速阶段， 肌动蛋白单体先聚合成不稳定的二聚体，进而形成 比较稳定的三聚体(即形成核心)，然后进入生长期。 肌动蛋白单体在核心两端快速聚合，其聚合过程可 用踏车现象(tread milling)来解释：正端的装配速度 快，负端的慢；微丝延长到一定时期时，正端的装配 速度与负端的解聚速度相等；进入平衡期，微丝的长 度维持不变，处于动态平衡中。微丝骨架的形态及分布 随细胞生理功能的不同而不断变化，使微丝骨架处在 一个解聚与组装的动态变化中(Higaki et al., 2007)。 2 微丝骨架的功能 微丝普遍存在于植物各组织细胞中，其聚合与 解聚过程与诸多生命活动密切相关，如维持细胞形 态，细胞运动，胞质环流，物质运输，顶端生长，信号转 导等 (Staiger and Schliwa, 1987; Cárdenas et al., 2005; Ketelaar, 2013)。下面从形态构建、细胞运动、信号转 导及细胞分裂这几方面总结归纳。 2.1 微丝骨架与细胞形态构建 细胞是生命活动的基本单位，植物分生组织分 裂产生等径细胞，随着细胞的分化与扩大形成具有 不同功能的特定形态的细胞，这一过程就是细胞形 态构建(张妙彬和王小菁, 2004)。细胞形态建成受多 方面因素的影响，微丝对维持植株正常的形态起着 非常重要的作用：细胞骨架主要是通过影响细胞壁 物质在伸展细胞中的沉积模式，从而影响细胞形态构 建(Smith, 2003; Mathur, 2004)。微丝与微管相互作用 3206
植物微丝骨架的研究进展3207The Research Advances of Plant Microfilament共同调控细胞的形态，通过微丝特异药物latrunculin气，减少水分流失：保卫细胞通过调控气孔孔径来控处理拟南芥幼苗，造成细胞扩增明显减少，导致植株制其张开或闭合（雷宇华等，2000)。矮小，茸毛扭曲，叶、根、胚轴、花粉管的长度均比正3微丝骨架的研究方法常的小(MathurandHulskamp，2002)。对于活体植物可以通过显微注射鬼笔环肽或者2.2微丝骨架与细胞运动表达荧光蛋白与相关蛋白的融合蛋白，借助于激光微丝与细胞内的一些运动，如胞质环流、细胞共聚焦显微镜来观测微丝骨架的排列分布。而观察内吞外吐等现象密切相关(MullinsandHansen，2013;离体细胞的微丝骨架一般先用肌动蛋白抗体免疫荧WoodhouseandGoldstein，2013)。微丝的肌动蛋白与光标记或者鬼笔环肽类荧光染料进行标记，然后再肌球蛋白相互作用产生运动，肌动蛋白利用ATP水利用荧光显微镜或者激光共聚焦显微镜进行观察解释放的能量使肌动蛋白纤维在肌球蛋白间进行滑(LiuandHasenstein,2005;叶露飞等，2012;Shietal.，动。植物细胞液泡周围大约有1.5μum厚的原生质2013）。对手植物体细胞来说，由手其所处的发育时期层，分为内质和外质。靠近液泡膜的内质中富含许多不同，微丝骨架的形态特征也有所差异。植物花粉细颗粒，与胞质一起不断的流动，而处于内质与细胞膜胞是研究微丝骨架的良好材料。在不同的时期，花粉之间的外质是静止的。靠近内质的一侧含有大量的细胞的微丝排列不断的变化。激光扫描共聚焦显微微丝束，在ATP的驱动下，在内质和外质交界处发镜(LSCM)集扫描、显微观察和计算机自动分析于一生胞质环流。胞质环流对植物营养代谢非常重要，不体，已广泛应用手形态学、免疫学、生理学等学科领断地向各个器官分配营养和代谢物质，使其在细胞域。借助于激光共聚焦显微镜，可以获得许多高质量内均匀分布。的微丝骨架图像（薛秀花等，2010)。为了研究植物的微丝骨架如何在相关的生理过2.3微丝骨架与细胞分裂程中发挥作用，采用合适的探针对体内微丝进行标有丝分裂末期，在母细胞赤道面处两个即将分记，获得高质量的图像是研究微丝骨架的形态结构及离的子细胞中间形成一个收缩环：随着收缩环的收变化的前提。对体内微丝骨架的标记有以下几种方缩，质膜不断向内拉伸，两个子细胞一分为二，完成法：(1)显微注射荧光标记的鬼笔环肽：(2)将细胞固定胞质分裂，收缩环很快就消失。收缩环是由大量平行排后，用肌动蛋白抗体进行免疫荧光标记或荧光素标记列但极性不同的微丝以及肌球蛋白组成，收缩环收的鬼笔环肽直接进行染色标记：(3)微丝活体探针，将缩的动力源手微丝束中肌动蛋白与肌球蛋白的相互滑荧光蛋白与可以和肌动蛋白或者肌动蛋白结合的结动。破坏肌动蛋白或者肌球蛋白均能抑制收缩环的构域进行融合获得各种融合蛋白。显微注射的方法比功能；用细胞松弛素处理细胞，不能形成胞质分裂环，较原始，操作比较复杂，要求比较高，对细胞有一定的最终导致双核或多核细胞的形成(Sanoetal.,2005)。机械伤害，所以这个方法在应用上有很大的限制性，2.4微丝骨架与信号转导通常用肌动蛋白抗体或荧光素标记的鬼笔环肽对微丝进行标记(Lietal.,2001)。第二种方法对揭示微丝的动物细胞中存在细胞外基质一质膜一细胞骨架排布提供厂重要的手段，但也有缺点：只能对固定的(ECM-PM-CTK)连续体，细胞内外信号可以通过此细胞进行观察，不能追踪微丝的动态变化过程，而且连续体进行双向传递。植物微丝骨架与信号转导的不同浓度的鬼笔环肽会影响微丝解聚与聚合的动态研究表明，微丝与信号转导密切相关。质膜是连接细胞过程(Wangetal,2005;Heetal,2006)。由于荧光蛋白外基质与胞内细胞骨架的桥梁。Sohesson和Susanne与F-actin相关蛋白的融合蛋白，对F-actin有很高的(1993)用花椰菜为材料，用生化的方法证明了微丝骨亲和力，侵害性比较小或者无，所以在微丝的研究中架与质膜紧密相连。Wyatt和Carpita（1993）证明植物细胞中存在与动物细胞中的ECM-PM-CTK功能这些探针发挥了重要作用，微丝探针的应用让人们相同、机制类似的细胞壁-质膜-细胞骨架（CW-对植物体内对微丝的认识发生了重要的变化：但是PM-CTK)连续体。保卫细胞中的微丝骨架也是一种融合蛋白的过量表达也会影响到正常微丝的动态信号调节物，微丝的聚合与解聚动态变化是保卫细与功能(Aizawaetal.，1997;Ketelaaretal.，2004)。胞感受各种刺激，迅速启闭的必要条件。植物通过叶GFP-mTalin融合蛋白及GFP-fABD2融合蛋白是比较常用的微丝融合蛋白，用来显示微丝的形态及排列表面的气孔进行气体交换，吸收二氧化碳，释放氧?1994-2017ChinaAcademic JournalElectronic PublishingHouse.All rights reserved.http://www.cnki.net
植物微丝骨架的研究进展 The Research Advances of Plant Microfilament 共同调控细胞的形态，通过微丝特异药物 latrunculin 处理拟南芥幼苗，造成细胞扩增明显减少，导致植株 矮小，茸毛扭曲，叶、根、胚轴、花粉管的长度均比正 常的小(Mathur and Hülskamp, 2002)。 2.2 微丝骨架与细胞运动 微丝与细胞内的一些运动，如胞质环流、细胞 内吞外吐等现象密切相关(Mullins and Hansen, 2013; Woodhouse and Goldstein, 2013)。微丝的肌动蛋白与 肌球蛋白相互作用产生运动，肌动蛋白利用 ATP 水 解释放的能量使肌动蛋白纤维在肌球蛋白间进行滑 动。植物细胞液泡周围大约有 1.5 μm 厚的原生质 层，分为内质和外质。靠近液泡膜的内质中富含许多 颗粒，与胞质一起不断的流动，而处于内质与细胞膜 之间的外质是静止的。靠近内质的一侧含有大量的 微丝束，在 ATP 的驱动下，在内质和外质交界处发 生胞质环流。胞质环流对植物营养代谢非常重要，不 断地向各个器官分配营养和代谢物质，使其在细胞 内均匀分布。 2.3 微丝骨架与细胞分裂 有丝分裂末期，在母细胞赤道面处两个即将分 离的子细胞中间形成一个收缩环；随着收缩环的收 缩，质膜不断向内拉伸，两个子细胞一分为二，完成 胞质分裂，收缩环很快就消失。收缩环是由大量平行排 列但极性不同的微丝以及肌球蛋白组成，收缩环收 缩的动力源于微丝束中肌动蛋白与肌球蛋白的相互滑 动。破坏肌动蛋白或者肌球蛋白均能抑制收缩环的 功能；用细胞松弛素处理细胞，不能形成胞质分裂环， 最终导致双核或多核细胞的形成(Sano et al., 2005)。 2.4 微丝骨架与信号转导 动物细胞中存在细胞外基质 - 质膜 - 细胞骨架 (ECM-PM-CTK)连续体，细胞内外信号可以通过此 连续体进行双向传递。植物微丝骨架与信号转导的 研究表明，微丝与信号转导密切相关。质膜是连接细胞 外基质与胞内细胞骨架的桥梁。Sohesson 和 Susanne (1993)用花椰菜为材料，用生化的方法证明了微丝骨 架与质膜紧密相连。Wyatt 和 Carpita (1993)证明植 物细胞中存在与动物细胞中的 ECM-PM-CTK 功能 相同、机制类似的细胞壁 - 质膜 - 细胞骨架(CWPM-CTK)连续体。保卫细胞中的微丝骨架也是一种 信号调节物，微丝的聚合与解聚动态变化是保卫细 胞感受各种刺激，迅速启闭的必要条件。植物通过叶 表面的气孔进行气体交换，吸收二氧化碳，释放氧 气，减少水分流失；保卫细胞通过调控气孔孔径来控 制其张开或闭合(雷宇华等, 2000)。 3 微丝骨架的研究方法 对于活体植物可以通过显微注射鬼笔环肽或者 表达荧光蛋白与相关蛋白的融合蛋白，借助于激光 共聚焦显微镜来观测微丝骨架的排列分布。而观察 离体细胞的微丝骨架一般先用肌动蛋白抗体免疫荧 光标记或者鬼笔环肽类荧光染料进行标记，然后再 利用荧光显微镜或者激光共聚焦显微镜进行观察 (Liu and Hasenstein, 2005; 叶露飞等, 2012; Shi et al., 2013)。对于植物体细胞来说，由于其所处的发育时期 不同，微丝骨架的形态特征也有所差异。植物花粉细 胞是研究微丝骨架的良好材料。在不同的时期，花粉 细胞的微丝排列不断的变化。激光扫描共聚焦显微 镜(LSCM)集扫描、显微观察和计算机自动分析于一 体，已广泛应用于形态学、免疫学、生理学等学科领 域。借助于激光共聚焦显微镜，可以获得许多高质量 的微丝骨架图像(薛秀花等, 2010)。 为了研究植物的微丝骨架如何在相关的生理过 程中发挥作用，采用合适的探针对体内微丝进行标 记，获得高质量的图像是研究微丝骨架的形态结构及 变化的前提。对体内微丝骨架的标记有以下几种方 法：(1)显微注射荧光标记的鬼笔环肽；(2)将细胞固定 后，用肌动蛋白抗体进行免疫荧光标记或荧光素标记 的鬼笔环肽直接进行染色标记；(3)微丝活体探针，将 荧光蛋白与可以和肌动蛋白或者肌动蛋白结合的结 构域进行融合获得各种融合蛋白。显微注射的方法比 较原始，操作比较复杂，要求比较高，对细胞有一定的 机械伤害，所以这个方法在应用上有很大的限制性， 通常用肌动蛋白抗体或荧光素标记的鬼笔环肽对微 丝进行标记(Li et al., 2001)。第二种方法对揭示微丝的 排布提供了重要的手段，但也有缺点；只能对固定的 细胞进行观察，不能追踪微丝的动态变化过程，而且 不同浓度的鬼笔环肽会影响微丝解聚与聚合的动态 过程(Wang et al., 2005; He et al., 2006)。由于荧光蛋白 与 F-actin 相关蛋白的融合蛋白，对 F-actin 有很高的 亲和力，侵害性比较小或者无，所以在微丝的研究中 这些探针发挥了重要作用，微丝探针的应用让人们 对植物体内对微丝的认识发生了重要的变化；但是 融合蛋白的过量表达也会影响到正常微丝的动态 与功能(Aizawa et al., 1997; Ketelaar et al., 2004)。 GFP-mTalin 融合蛋白及 GFP-fABD2 融合蛋白是比 较常用的微丝融合蛋白，用来显示微丝的形态及排列 3207
基因组学与应用生物学3208Genomics and Applied Biology方式(Kostetal,1998;Voigt etal.,2005)。BulletinofBotany)8(3):1-13（简令成，1991,植物细胞骨架，植物学通报，8(3)：1-13)4结束语Ketelaar T.,2013,The actin cytoskeleton inroothairs:all is fineat the tip, Current Opinion in Plant Biology, 16(6): 749-756虽然植物微丝骨架的研究起步较晚，落后于动物Ketelaar T..AnthonyR.G..and HusseyP.J..2004.Green fluores细胞微丝的研究，很多的技术与方法不成熟，但是人cent protein-mTalin causes defects in actin organization and们对细胞这一重要成分的认识已经越来越深刻，相信cell expansion in Arabidopsis and inhibits actin depolymer-随着各学科不断的发展与进步，人们对植物体内微丝izingfactor's actindepolymerizingactivityin itro,PlantPhysiology, 136(4): 3990-3998的结构、功能及相关的分子机理会有进一步的发现！KostB.,SpielhoferP.,andChuaN.H.,1998,AGFP-mousetalin作者贡献fusion protein labels plant actin filamentsin vivoand visual-izes the actin cytoskeleton in growing pollen tubes, The郝焕凤负责本研究的文献查阅和文章写作：代Plant Jourmal,16(3):393-401华琴负责参考文献的整理：曹跃芬为文章的写作和Lei Y.H, Yan ZF.,Yan Y.P., and Wei JK,2000, Abrife sketch of修改提供指导意见。the progress of microfilament cytoskeleton and signal trans-duction,HuabeiNongxuebao (Acta AgricultureBoreall-Sini-致谢ca),15(1)：37-41（雷宇华，闫芝芬，严玉平，魏建坤，2000,微丝骨架与信号转导研究进展，华北农学报，15(1):37-41)本研究由国家自然科学基金(31501349)资助。感Li X.B., Fan X.P.,Wang X.L.,Cai L., and Yang W.C.,2005,谢戎均康教授对文章的修改提供宝贵意见。The cotton ACTINI gene is functionally expressed in fibers参考文献and participates in fiber elongation,The Plant Cell, 17:859-875AizawaH.,SameshimaM.,andYaharaI.,1997,Agreenfluores-Li Y., Zee S.Y., Liu Y.M.,Huang B.Q., and Yen L.F., 2001, Cir-cent protein-actin fusion protein dominantly inhibits cytoki-cularF-actin bundles anda G-actin gradient inpollenandnesis, cell spreading,and locomotion in Dictyostelium, Cellpollen tubes of Lilium dmidi, Planta,213(5): 722-730Structure and Function, 22(3): 335-345Liu M.,and Hasenstein K.H.,2005, La3+ uptake and its effect onCardenas L., Lovy-Wheeler A., Wilsen K.L., and Hepler P.K..the cytoskeleton in root protoplasts of Zea mays L, Planta,2005, Actin polymerization promotes the reversal of stream-220(5):658-666ing in the apex of pollen tubes, Cell Motility and the Cy-MaLJ.,ed.,2006,XibaoShengwuxue,XibeiNonglindaxuePress,toskeleton, 61(2): 112-127Xianyang，Chinapp.155-158（马翎健，主编，2006细胞生Chen Q, Huang S.J., and Yu R., 2011, Regulation of plant Actin物学，西北农林科技大学出版社，中国，咸阳，pp.155-158)dynamics, Zhiwu Shengli Xuebao (Plant Physiology Journal)Ma LZ., and Yang Y.W., 2003, Process ofcellular skeleton system,47(1):18-26（陈琼，黄善金，于荣，2011,植物微丝骨架动Neimenggu Nongyedaxue Xuebao (Journal of Inner Mongolia态变化的调节，植物生理学报，47(1)：18-26)Institute ofAgriculture andAnimal Husbandry),24(2):114Dos Remedios C.G., Chhabra D., Kekic M., Kekic M., Dedova I116（马莉贞，杨元武，2003，细胞骨架系统的研究进展，内V.TsubakiharaM..BerryD.A.,andNosworthyN.J..2003蒙古农业大学学报，自然科学版，24(2)：114-116)Actin binding proteins: regulation of cytoskeletal microfila-Mathur J., 2004, Cell shape development in plants, Trends inments, Physiological Reviews, 83(2): 433-473Plant Science, 9(12): 583-590Fan T.T., 2012, Study on the physiological function ofArabidopsisMathur J., and Hulskamp M., 2002, Microtubules and microfila-actinbindingprotein Profilin3in viwo,Dissertation forPh.D.ments in cell morphogenesis in higher plants, Current Biolo-LanzhouUniversity.Supervisor:AnL.Z..pp.9-33（樊婷婷gy, 12(19): R669-R6762012，拟南芥微丝结合蛋白Profilin3体内生理功能研McElory D.,Rothenberg M., Reece K.S., and Wu R., 1990,究，博士学位论文，兰州大学，导师：安黎哲，Pp.9-33)Characterization of the rice (Oryza satiua)actin gene family,HeX,LiuY.M,WangW.,andLiY.,2006,DistributionofG-actinPlant Molecular Biology, 15: 257-268is related to root hair growth of wheat, Annals of Botany,98Miao L.,2007, Recent progresses on the cellular motility, cell(1): 49-55migratinandcytoskeleton,ShengwuwuliXuebao(ActaBioHigaki T., Sano T.,and Hasezawa S., 2007, Actin microfilamentphysicaSinica),23(4):281-289（苗龙，2007，细胞运动，细胞dynamics and actin side-binding proteins in plants, Current迁移与细胞骨架研究进展，生物物理学报,23(4):281-289)Opinion in Plant Biology,10(6):549-556Jian L.C., 1991, Plant cytoskeleton, Zhiwuxue Tongbao (ChineseMullins R.D., and Hansen S.D., 2013, In itro studies of actin fil-?1994-2017China Academic JournalElectronicPublishingHouse.All rights reserved.http://www.cnki.net
基因组学与应用生物学 Genomics and Applied Biology 方式(Kost et al., 1998; Voigt et al., 2005)。 4 结束语 虽然植物微丝骨架的研究起步较晚，落后于动物 细胞微丝的研究，很多的技术与方法不成熟，但是人 们对细胞这一重要成分的认识已经越来越深刻，相信 随着各学科不断的发展与进步，人们对植物体内微丝 的结构、功能及相关的分子机理会有进一步的发现！ 作者贡献 郝焕凤负责本研究的文献查阅和文章写作；代 华琴负责参考文献的整理；曹跃芬为文章的写作和 修改提供指导意见。 致谢 本研究由国家自然科学基金(31501349)资助。感 谢戎均康教授对文章的修改提供宝贵意见。 参考文献 Aizawa H., Sameshima M., and Yahara I., 1997, A green fluorescent protein-actin fusion protein dominantly inhibits cytokinesis, cell spreading, and locomotion in Dictyostelium, Cell Structure and Function, 22(3): 335-345 Cárdenas L., Lovy-Wheeler A., Wilsen K.L., and Hepler P.K., 2005, Actin polymerization promotes the reversal of streaming in the apex of pollen tubes, Cell Motility and the Cytoskeleton, 61(2): 112-127 Chen Q., Huang S.J., and Yu R., 2011, Regulation of plant Actin dynamics, Zhiwu Shengli Xuebao (Plant Physiology Journal), 47(1): 18-26 (陈琼, 黄善金, 于荣, 2011, 植物微丝骨架动 态变化的调节, 植物生理学报, 47(1): 18-26) Dos Remedios C.G., Chhabra D., Kekic M., Kekic M., Dedova I. V., Tsubakihara M., Berry D.A., and Nosworthy N.J., 2003, Actin binding proteins: regulation of cytoskeletal microfilaments, Physiological Reviews, 83(2): 433-473 Fan T.T., 2012, Study on the physiological function of Arabidopsis actin binding protein Profilin3 in vivo, Dissertation for Ph.D., Lanzhou University, Supervisor: An L.Z., pp.9-33 (樊婷婷, 2012, 拟南芥微丝结合蛋白 Profilin3 体内生理功能研 究, 博士学位论文, 兰州大学, 导师: 安黎哲, pp.9-33) He X., Liu Y.M., Wang W., and Li Y., 2006, Distribution of G-actin is related to root hair growth of wheat, Annals of Botany, 98 (1): 49-55 Higaki T., Sano T., and Hasezawa S., 2007, Actin microfilament dynamics and actin side-binding proteins in plants, Current Opinion in Plant Biology, 10(6): 549-556 Jian L.C., 1991, Plant cytoskeleton, Zhiwuxue Tongbao (Chinese Bulletin of Botany), 8(3): 1-13 (简令成, 1991, 植物细胞骨 架, 植物学通报, 8(3): 1-13) Ketelaar T., 2013, The actin cytoskeleton in root hairs: all is fine at the tip, Current Opinion in Plant Biology, 16(6): 749-756 Ketelaar T., Anthony R.G., and Hussey P.J., 2004, Green fluorescent protein-mTalin causes defects in actin organization and cell expansion in Arabidopsis and inhibits actin depolymerizing factor's actin depolymerizing activity in vitro, Plant Physiology, 136(4): 3990-3998 Kost B., Spielhofer P., and Chua N.H., 1998, A GFP-mouse talin fusion protein labels plant actin filamentsin vivoand visualizes the actin cytoskeleton in growing pollen tubes, The Plant Journal, 16(3): 393-401 Lei Y.H., Yan Z.F., Yan Y.P., and Wei J.K., 2000, A brife sketch of the progress of microfilament cytoskeleton and signal transduction, Huabei Nongxuebao (Acta Agriculture Boreall-Sinica), 15(1): 37-41 (雷宇华, 闫芝芬, 严玉平, 魏建坤, 2000, 微丝骨架与信号转导研究进展,华北农学报, 15(1): 37-41) Li X.B., Fan X.P., Wang X.L., Cai L., and Yang W.C., 2005, The cotton ACTIN1 gene is functionally expressed in fibers and participates in fiber elongation, The Plant Cell, 17: 859-875 Li Y., Zee S.Y., Liu Y.M., Huang B.Q., and Yen L.F., 2001, Circular F-actin bundles and a G-actin gradient in pollen and pollen tubes of Lilium davidii, Planta, 213(5): 722-730 Liu M., and Hasenstein K.H., 2005, La3+ uptake and its effect on the cytoskeleton in root protoplasts of Zea mays L, Planta, 220(5): 658-666 Ma L.J., ed., 2006, Xibao Shengwuxue, Xibei Nonglindaxue Press, Xianyang, China, pp.155-158 (马翎健, 主编, 2006, 细胞生 物学, 西北农林科技大学出版社, 中国, 咸阳, pp.155-158) Ma L.Z., and Yang Y.W., 2003, Process of cellular skeleton system, Neimenggu Nongyedaxue Xuebao (Journal of Inner Mongolia Institute of Agriculture and Animal Husbandry), 24(2): 114- 116 (马莉贞, 杨元武, 2003, 细胞骨架系统的研究进展, 内 蒙古农业大学学报, 自然科学版, 24(2): 114-116) Mathur J., 2004, Cell shape development in plants, Trends in Plant Science, 9(12): 583-590 Mathur J., and Hülskamp M., 2002, Microtubules and microfilaments in cell morphogenesis in higher plants, Current Biology, 12(19): R669-R676 McElory D., Rothenberg M., Reece K.S., and Wu R., 1990, Characterization of the rice (Oryza sativa) actin gene family, Plant Molecular Biology, 15: 257-268 Miao L., 2007, Recent progresses on the cellular motility, cell migratin and cytoskeleton, Shengwuwuli Xuebao (Acta Biophysica Sinica), 23(4): 281-289 (苗龙, 2007, 细胞运动, 细胞 迁移与细胞骨架研究进展, 生物物理学报, 23(4): 281-289) Mullins R.D., and Hansen S.D., 2013, In vitro studies of actin fil- 3208
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