1 植物甾醇生物合成途径

  甾醇不仅是真核生物细胞膜的重要结构成分，也是甾体激素生物合成的前体。植物甾醇广泛存在于植物的根、茎、叶、果实和种子中，以游离甾醇和结合甾醇的形式存在。它们主要由谷甾醇、豆甾醇（stigmasterol）和菜油甾醇组成。由菜油甾醇衍生的油菜素甾醇（BRs）可以作为激素信号，对植物的正常生长发育至关重要，并且在植物生长发育中的多种功能已被广泛研究，包括：促进下胚轴伸长、茎秆伸长、花粉管伸长、减小叶倾角、抑制根发育及细胞分裂等。BRs 发现于 1970 年，与生长素、乙烯、脱落酸、赤霉素、细胞分裂素并称为植物的六大激素。

  BRs 是植物甾醇合成途径的产物，菜油甾醇及其差向异构体是 BRs 合成的前体物质。植物甾醇和BRs的生物合成途径已被广泛研究，并且已经通过很多生化和遗传方法鉴定了该途径中许多酶促反应的基因。从环烯醇到固醇和BR的生物合成途径在 2, 4- 亚甲基苯酚处开始分散，之后平行分支产生谷甾醇和菜油甾醇，再通过菜油甾醇的特定途径最后导致BR的生物合成。BR合成途径中基因的突变会导致植物矮化，矮化突变体的对应的两个基因STE1/DWF7和DWF1/DIM/CBB1在 BR 合成的特异性途径的上游起作用，这两个基因参与了谷甾醇和菜油甾醇的生物合成。固醇 C-14 还原酶（FK）在 SET/DWF7 上游的固醇生物合成途径中起作用。C-14还原酶这一步骤在真核生物中是保守的，是甾醇生物合成必不可少的一步。具有胚胎缺陷的甾醇生物合成突变体作用于 SMT2 步骤的上游 ：SMT2/CVP1 通过调控细胞扩张影响花瓣形态及维管组织细胞分化。FK 基因的转录和甾醇的生物合成似乎与多种激素的上调相关，包括生长素、油菜素内酯、赤霉素、细胞分裂素和乙烯。而催化甾醇生物合成下游的酶，如DWF7、DWF5 和 DWF1 等，主要参与控制 BR 的生物合成。

2 甾醇对植物生长发育的调控

  甾醇不仅是真核细胞膜的重要结构成分，还调控着细胞伸长、细胞分裂、光形态建成、木质部分化等多种过程以及非生物和生物胁迫反应。甾醇在植物细胞分裂、胚胎发生和生长发育中起着重要作用，是植物正常生长发育所必需的。此外，植物甾醇还作为信号分子参与逆境胁迫反应，油菜素甾醇作为一种重要的植物激素，在逆境胁迫响应中发挥着重要的作用。

2.1 甾醇调节植物气孔发育

  气孔发育模式是研究植物关于细胞自我更新、细胞不对称分裂和细胞命运决定的分子机制的良好模型系统。在植物气孔发育过程中，细胞不均等分裂是平衡细胞的自我更新和细胞分化的重要策略。控制气孔发育过程中细胞不对称分裂和细胞分化的基因及细胞分化过程中的调控因子已有大量研究。研究发现拟南芥C-14还原酶基因FACKEL（fk）的一个弱等位基因（fk-J3158）， 该基因突变表现出叶片表皮细胞小和气孔聚集的特点，这是气孔不对称分裂缺陷突变体中常见的现象。fk-J3158 的突变阻断了下游甾醇的产生。cpi1、cyp51A2、fk和hyd1表现出相似的气孔缺陷表型，进一步的研究表明，这些突变体对应于甾醇生物合成途径的同一分支中的酶，这意味着它们有着相同的机制来调控气孔发育。对野生型拟南芥使用C-14 还原酶抑制剂苯丙草胺（FEN）后也出现了异常小细胞和气孔聚集的表型。当 DWF5 这一步被阻断时，下游产物减少的同时上游甾醇会有一定的积累，但是dwf5没有出现气孔异常的表型。不同的突变体会产生不同的甾醇衍生物，这些衍生物可能也会引起气孔产生缺陷表型。因此，植物气孔的正常发育离不开甾醇正常的生物合成。

2.2 甾醇调节植物维管组织的发育

  维管组织的进化是植物由水向陆迁移和高等植物建设过程中的一个关键事件。维管组织除了提供机械支撑外，还充当着运输水分、营养物质、激素甚至是植物周围小RNA分子的通道，因此，植物维管组织的发育对植物的生长具有重要意义。研究发现了由甾醇生物合成缺陷而导致的维管模式缺陷突变体，包括 orc/smt1/cph、hyd1、fk/hyd2 和 cvp1/smt2。尽管这些突变体植株较矮，它们在 BRs 合成的上游存在缺陷，但是他们不同于 BR 缺陷的矮化突变体。因此，甾醇在植物生长发育中的作用不同于 BRs。据推测，当突变体中缺乏一些特定甾醇或这些甾醇含量表现出异常低水平时，会影响细胞的正常分裂和扩张。对突变体 fk的研究表明，在突变体中产生了一系列新的甾醇，并且各种甾醇中间体积累到异常水平，这些成分中的任何一种都可能干扰内源性甾醇介导的信号系统，从而破坏维管模式的正常发育。

  维管组织的发育是由多种信号通路之间复杂的相互作用调控的，从一些甾醇生物合成突变体的表型中可以明显看出甾醇是维管形成的重要成分。hyd1 和fk/hyd2 甾醇突变体在发育过程中存在相似的维管缺陷。突变体幼苗的子叶的维管模式比真叶的维管模式缺陷更为严重。这些维管缺陷表型与 BR 突变体不同，BR 突变体植株矮小，尽管 BR 信号通路是植物维管组织分化所必需的，但是 BR 突变体在细胞模式和维管组织发生方面受影响较小。研究表明 hyd1 和 fk/hyd2突变体在生长素和乙烯信号传导方面都存在缺陷。cvp1突变体在甾醇甲基转移酶 2（SMT2）中存在缺陷，维管组织表现出畸形、排列不齐等特点，smt突变体在生长素反应和定位方面也存在缺陷。进一步研究发现 hyd 突变体在根尖的生长素运输基因（PIN3）的定位存在缺陷，可能由于甾醇结构的改变导致重要的膜结合蛋白如受体或转运蛋白的功能异常。

2.3 甾醇调节植物胚胎发育

  多细胞生物的基本形态是在胚胎发生过程中建立起来的，已经鉴定出了在甾醇生物合成途径中早期的一些具有油菜素类固醇缺陷特征的突变体。它们在胚胎发生过程中表现出独特的缺陷，这些缺陷以前在油菜素内酯突变体或甾醇生物合成突变体中没有出现过。FACKEL蛋白与动物和真菌的 C-14 甾醇还原酶的序列具有显著相似性，并且 FACKEL 的 cDNA 被发现可以恢复酵母突变体 erg24 中存在缺陷的甾醇 C-14 还原酶。通过原位杂交发现 FACKEL 基因在野生型植物胚胎发育过程中显著表达。

  拟南芥矮化突变体 fackel-j79，它的成熟植株的表型类似于油菜素类固醇缺陷突变体，表现出胚胎畸形、子叶和芽分生组织多生以及和根系发育不良等特点。研究发现fk-J79突变导致 C-14甾醇还原酶活性下降，各甾醇成分出现异常，BRs减少。与其他 br 缺陷突变体不同的是 fk-J79 的下胚轴伸长缺陷不能通过外源 BRs 恢复。以往对 BR 缺陷突变体的研究表明，BR 在植物胚后发育中起重要作用。BR突变体的矮化表型是由于细胞大小的减少，而不是细胞数量减少。然而，前人已经通过各种细胞培养证明了 BRs可以促进细胞分裂。异常的甾醇成分和 BRs 的减少会导致正常植物细胞分裂出现异常。因此，甾醇调控和信号转导在植物胚胎和胚后发育的细胞分裂和细胞扩张中起着重要作用。

2.4 油菜素内酯BRs与其他激素之间的协同作用

  油菜素内酯是一种促进植物生长的固醇类化合物，主要分布在植物的大多数器官中，如花粉、茎尖伸长区和未萌发的种子。BR 感知发生在膜定位受体上，下游细胞质调节因子将BR 介导的信号传递到细胞核，激活 BR 来响应基因的转录，从而促进细胞生长。它们与其他激素相互作用还可以应对干旱、温度变化和盐度等非生物胁迫。在植物的生长发育过程中，每种激素都不是独立存在的，它们在植物生长中不能单独发挥作用。因此，BRs 在植物发育中的作用也不是独立的，BRs与其他植物激素相互作用形成了一个复杂的植物激素网络，来调节植物的生长和发育。

  BRs 主要通过调节 ACS（ac-合成酶）和ACO（ac-氧化酶）合成所需的酶的活性来控制 ETH 的生物合成。BRs 含量升高可降低 BR 信号通路中主要转录因子BZR1/BES1 的活性，提高 ACS 的稳定性，阻止 26S蛋白酶体降解，从而激活 ETH 的生物合成。相反，BRs 含量降低则会提高 BZR1/BES1 的活性，从而抑制了 ETH 的生物合成活性。研究发现，BRs和 ABA 之间具有拮抗作用，ABA 与 BR 通过调节BIN2 的活性实现它们之间相互作用。ABA 通过上调 BRs 信号通路的负调控因子 BIN2 来降低 BRs信号通路的活性。在植物生长发育过程中，BRs 通过下调 ABA 信号的正调控因子 PP2C 家族的表达来抑制 ABA 的作用。在 bri1 突变体中，用 BIN2 的激酶活性抑制剂 LiCl 处理植物可以阻止 ABA 对 BR的效应，并且 ABA 对 BR 的作用依赖于 ABA 信号途径元件 PP2C 蛋白磷酸酶 ABI1 和 ABI2 的作用。因此，发现 ABA 与 BR 的相互作用发生在 BR 被受体感受之后的信号通路，可能是通过调节 BIN2 或BIN2 下游靶蛋白来实现。ABA 可以通过上调 CK 氧化酶 / 脱氢酶的活性来抑制 CK 信号传导途径，从而导致 CK 失活。CK 可以上调调控 BR 生物合成相关基因 DFW4 和信号通路相关基因 BRI1、BAK1 的表达。BRs 通过上调 IPT（异戊烯基转移酶）的活性可以促进 CK 的生物合成。BRs 与 AUX 通过协同作用可以促进细胞伸长。BRs 可以调节编码生长素极性运输的 PIN 基因的表达，研究表明甾醇是生长素介导的PIN2 在细胞膜内吞作用所必需的，hyd/fk 突变体对生长素反应比较敏感，并且通过抑制乙烯信号转导，hyd/fk突变体中的生长素信号缺陷和生长素依赖的根系的生长模式可以恢复。BRs 通过信号转导途径与多种转录因子通过一系列的磷酸化级联反应调控 BR 靶基因的表达，以及与不同激素之间产生的相互作用从而调节植物的各种生长发育进程。

2.5 甾醇调节植物逆境胁迫

  植物甾醇生物合成途径产生的 BRs，在植物逆境胁迫中有重要功能。植物激素是植物产生的多种信号分子，这些分子可以被运输到植物的不同部位，它们在调节植物的生长发育中发挥着重要作用。研究表明，植物激素可能是抗性基因表达的起始因子。不利条件改变了植物源激素的平衡，导致代谢途径的改变，这可能是抗性基因激活和表达的结果。它们与其他激素相互作用来调节对非生物胁迫如干旱、温度变化和盐度等的适应。如大豆根在盐胁迫下谷甾醇的含量没有变化，但总甾醇含量减少，饱和脂肪酸含量大量增加，说明细胞膜中主要甾醇含量的稳定性可以抵抗盐胁迫引起的生理伤害。低UV-B照射葡萄时与膜相关的豆甾醇、谷甾醇含量增加，在幼叶中豆甾醇和谷甾醇增加得更明显，并且与胁迫相关的ABA含量也随之增加。

  EBL（2，4-表油菜素内酯）作为油菜素甾醇的一种，也能抵御各种生物和非生物胁迫。EBL 处理显著抑制了杏果实超氧阴离子的产生。它还降低了丙二醛的含量、细胞膜的通透性、发病率，并显著抑制了杏果斑直径的扩大。通过透射电镜观察发现，EBL 处理可以保持杏果实在贮藏过程中线粒体、叶绿体等细胞器的结构完整性。EBL 在重金属胁迫反应中也起着重要作用，铅的积累直接影响细胞的新陈代谢，导致抗氧化酶防御系统的损伤和自由基的毒性。EBL 可提高超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等抗氧化酶的活性，从而克服铅的毒性作用。

2.6 甾醇调节植物形态建成

  形态建成是植物生长发育的关键环节，它包括不可分割的暗形态建成和光形态建成两个相联阶段。正常的暗形态建成必需要保持活跃的油菜素内酯（BR）信号而由暗形态建成向光形态建成的转变必需抑制 BR 信号。研究发现提高缺陷 PM-BRI1的 bri1 突变体的 ER-BRI1 水平可完全恢复暗形态建成但只能部分恢复光形态建成。这表明光形态建成需要ER-BRI1和PM-BRI1 而暗光形态建则只需要ER-BRI1。

  生长素和油菜素内酯（BR）是促进植物细胞伸长的重要植物激素，它们负调控植物的光形态建成。光是重要的环境因子，它不仅是植物光合作用的能量来源，也是植物生长发育的决定性信号。光信号通过蓝光受体隐花素 CRY、红光和远红光受体光敏素 PHY 介导的信号转导途径，调控植物的光形态建成、开花时间、生物节律，以及气孔发育等重要生理过程。研究表明CRY1 通过与生长素受体 TIR1 的底物 Aux/IAA 蛋白的互作，抑制TIR1 与 Aux/IAA 蛋白的互作而促进 Aux/IAA 蛋白的稳定性，从而抑制生长素信号 ；CRYl 与去磷酸化形式（活性形式）的 BES1 发生蓝光依赖性的直接互作，抑制其 DNA 结合能力来抑制 BR 信号。由于只有去磷酸化形式的 BES1 才能与靶基因结合，而其形成依赖于 BR。因此，只有在蓝光信号和 BR 信号同时都存在的条件下，CRY1 与 BES1 才能发生互作。通过上述机制，光信号可以与植物激素信号实现信号整合，从而平衡、优化植物的细胞伸长和光形态建成。

  总的来说，植物甾醇作为一类重要的生理活性物质，在调控植物的生长发育过程中具有重要作用。植物甾醇独特的分子结构是保持细胞膜稳定性的基础，逆境胁迫下植物主要通过植物甾醇含量的相对变化维持细胞膜的稳定，并作为信号分子参与逆境胁迫引起的生理反应。它在植物的各种生理生化功能中以及从细胞分裂、细胞扩张、生殖到气孔导度和根系发育，在植物生命周期的各个方面都发挥着重要的作用。