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油菜素甾醇（Brassinosteroids，BRs）广泛参与植物生长发育及胁迫响应过程。在真核生物中，碳水化合物代谢的调控至关重要，这不仅为生物体提供能量，还参与植物细胞壁的生物合成。鉴于不同的糖类状态由特定的糖传感器（sugar sensor
摘要专业翻译
油菜素甾醇（Brassinosteroids，BRs）广泛参与植物生长发育及胁迫响应过程。在真核生物中，碳水化合物代谢的调控至关重要，这不仅为生物体提供能量，还参与植物细胞壁的生物合成。鉴于不同的糖类状态由特定的糖传感器（sugar sensors）所感知，BRs与糖类之间表现出多层面的交互作用。本文对BRs与糖类如何相互调控彼此代谢的机制进行了全面综述，并对作为BR与糖信号通路整合节点（integration nodes）的蛋白质进行了系统阐述。此外，本文详细论述了BRs调控糖转运的机制，而糖信号对BR转运的调控目前尚无报道。本综述旨在通过系统整合BRs与糖类之间的交叉调控（crosstalk）关系，为作物育种提供新的靶点。
论文主体内容专业总结
1. 引言
1.1. 油菜素甾醇信号通路概述
油菜素甾醇（Brassinosteroids，BRs）是一类植物特有的甾体激素，于1979年首次从甘蓝型油菜（Brassica napus）花粉中分离获得。BRs调控植物生命活动的几乎所有方面，包括细胞伸长、分裂、维管分化、光形态建成、生殖发育、衰老以及生物和非生物胁迫响应。经典的BR感知途径起始于质膜，富含亮氨酸重复序列的受体样激酶BRI1（BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 1）结合BR后招募其共受体BAK1（BRI1-ASSOCIATED KINASE 1）形成活性信号复合体。该异源二聚体复合体磷酸化并激活下游BR信号激酶（BSKs），进而促进BSU1（BRI1 SUPPRESSOR 1）的磷酸酶活性，导致GSK3样激酶BIN2（BRASSINOSTEROID INSENSITIVE 2）失活。当BR不足时，BIN2磷酸化下游转录因子BZR1（BRASSINAZOLE RESISTANT 1）和BES1（BRI1-EMS-SUPPRESSOR 1），通过降低其DNA结合能力、将其滞留于细胞质并促进其降解来抑制BR响应相关基因的表达。相反，当BR充足且BIN2失活时，蛋白磷酸酶2A（PP2A）介导的BZR1/2去磷酸化将恢复其转录活性，从而调控数千个靶基因。
2024年，首个BR外排转运蛋白ABCB19被鉴定。研究团队利用冷冻电镜（cryo-EM）解析了ABCB19的高分辨率三维结构，阐明了ABCB19特异性识别并介导BR跨膜外排的分子机制。同源转运蛋白ABCB1也被证明具有BR外排活性；ABCB1和ABCB19在拟南芥中协同作用，将胞质中合成的活性BR定向转运至质外体，确保定位于质膜的BRI1受体能够高效结合配体并启动下游信号转导。遗传证据表明，abcb1abcb19双突变体表现出典型的BR信号缺陷表型，而过表达ABCB1/ABCB19则显著增强植物对BR的敏感性。此外，通过对拟南芥中4个BR受体与15种BR配体进行定量结合动力学分析，证明了正确的配体结合构象对于共受体招募和信号激活至关重要，并据此提出了配体活性的三层调控模型。另外，拟南芥中鉴定到一个新的BR信号正调控因子BIL7，主要通过调节核心转录因子BZR1的核积累来放大BR信号输出。
1.2. 糖代谢与转运
光合作用是植物在白天产生充足糖类的重要机制。在光合器官中，叶绿体中的叶绿素利用太阳能，将二氧化碳转化为磷酸丙糖（TP），作为各种糖类生物合成的基本构件。蔗糖作为主要的光合产物，是通过韧皮部从源到库运输的主要糖形式。蔗糖从韧皮部卸载进入库细胞后，在不同的位点被转化酶（invertase）或蔗糖合酶（sucrose synthase）降解。在进入细胞之前，蔗糖可被细胞壁转化酶水解为葡萄糖和果糖；进入库细胞后，进一步被细胞质转化酶和液泡转化酶降解。此外，蔗糖合酶（Susy）在UDP存在下催化蔗糖水解为UDP-葡萄糖和果糖。Susy介导的蔗糖降解在细胞壁多糖合成中发挥关键作用，因为纤维素合酶（CESA）复合体利用UDP-葡萄糖进行纤维素合成。
在植物中，SUC（SUT，蔗糖-H+共转运体）、STP（Sugar Transport Protein，单糖-H+共转运体）和SWEETs（Sugars Will Eventually be Exported Transporters）属于不同的膜转运蛋白家族，各自利用独特的能量偶联机制介导蔗糖和己糖的跨膜转运。SUC属于主要协同转运蛋白超家族（MFS）的GPH亚家族，是一种质子驱动的蔗糖特异性主动共转运体。STP是单糖转运蛋白（MST）家族的成员，定位于质膜，是一种H+-己糖共转运体，以高亲和力主动导入己糖但不转运蔗糖。SWEET家族由不依赖ATP的易化扩散型双向转运蛋白组成，沿浓度梯度介导糖外排或内流，不同进化分支表现出不同的底物特异性。这三种转运蛋白在质外体转运途径中形成整合的功能级联：在源端，Clade III SWEETs将蔗糖释放到质外体，而SUC将蔗糖主动装载到筛管中；在库端，SWEETs将蔗糖释放到质外体后存在两条平行途径，即蔗糖不经水解直接被SUC吸收，或蔗糖被细胞壁转化酶水解为葡萄糖和果糖后由STP主动吸收。
2. BR转录因子BZR1直接调控糖代谢与转运
BR激活的BZR1和BES1直接结合靶基因启动子中的典型E-box元件（CANNTG）和BR响应元件（BRREs；CGTGT/CG）来调节其转录活性。BZR1作为介导BR调控基因表达的主转录因子，兼具转录激活子和抑制子的功能，在碳固定、蔗糖代谢和糖转运等多个层面精确协调整个糖代谢过程。
在番茄中，BR诱导关键卡尔文循环基因（SlFBA1、SlRCA1、SlFBP5和SlPGK1）转录水平上调88%至126%，伴随光合速率、PSII量子产量（ΦPSII）、Rubisco羧化能力（Vc, max）和RuBP再生能力（Jmax）的显著增加。其机制在于SlBZR1通过直接结合这些基因的启动子激活其转录。
在拟南芥中，通过转录组分析和染色质免疫沉淀芯片（ChIP-chip）鉴定出953个BR调控的BZR1靶基因，富集的启动子区域包括编码细胞壁转化酶1（AtCWINV1）和多个糖转运蛋白（SUC1、STP4、SUT2）的基因。在甜玉米中，ZmBES1/ZmBZR1-10在籽粒中特异性高表达，直接结合编码SUT和SWEET家族糖转运蛋白及抗氧化酶的基因启动子。在甜菜中，BvBZR1过表达系通过增强蔗糖磷酸合酶（SPS）的合成活性和抑制转化酶（INV）的水解活性促进蔗糖在贮藏根中的积累。在葡萄浆果转色早期，eBL处理显著上调编码蔗糖代谢转化酶VvcwINV以及单糖转运蛋白（VvHT3、VvHT4、VvHT5、VvHT6）和二糖转运蛋白（VvSUC12、VvSUC27）的基因mRNA丰度。在水稻中，OsBZR1结合α-淀粉酶3D（RAmy3D）基因启动子区域，在种子萌发期间诱导其表达，触发胚乳中淀粉降解和随后的幼苗建成。拟南芥中AtBZR1介导的AtBAM1（β-淀粉酶1）转录激活驱动保卫细胞中淀粉降解，从而促进气孔开放。
3. BR信号相关激酶通过翻译后修饰调控糖代谢与转运
近期研究揭示了BR通过翻译后修饰（PTMs）快速调节代谢酶活性的新机制。在拟南芥中的研究表明，BIN2作为BR信号通路中的核心负调控激酶，直接磷酸化磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1（PCK1）的保守Ser62和Thr66残基。PCK1是胞质中ATP依赖型的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶异构体，催化草酰乙酸不可逆地脱羧磷酸化生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）、CO2和ADP。PCK的磷酸化诱导其四级结构构象变化，导致其催化活性被抑制。相反，BR处理抑制BIN2激酶活性，触发PCK1去磷酸化并随之激活，从而促进糖异生和光合碳同化。
此外，BR信号相关激酶也被报道可磷酸化糖转运蛋白。BAK1直接磷酸化拟南芥己糖转运蛋白AtSTP13的保守苏氨酸485（T485）残基，增强AtSTP13介导的己糖转运活性。在番茄中，BAK1直接与SUT2互作，调节丛枝菌根（AM）共生形成。研究表明BR信号通过BAK1-SUT2模块调节碳水化合物分配，从而影响AM定殖。
4. 糖信号促进BR生物合成及其与BR信号的交叉调控
4.1. 糖信号促进BR生物合成
4.1.1. HXK1通过促进BR生物合成增强BR信号
HXK1（Hexokinase 1）是第一个被鉴定的糖传感器，感知细胞内葡萄糖水平变化。在棉花胚珠中，BR生物合成关键基因包括CPD、CYP90D1、ROT3和BR6OX被HXK1介导的葡萄糖信号显著上调。因此提出HXK1通过上调BR生物合成相关基因的表达来增强BR信号。HXK1介导的转录调控可能依赖也可能不依赖其磷酸化活性。在苹果中，核内的MdHXK1能够磷酸化转录因子MdbHLH3。此外，野生型HXK1及其催化失活突变体HXK1S177A均可与液泡H+-ATPase B亚基（VHA-B1）和蛋白酶体19S调节颗粒（RPT5B）形成复合体，该复合体结合Chl a/b结合蛋白1（CAB1）基因启动子区域抑制其转录。HXK1和HXK1S177A还可直接与多梳抑制复合体2（PRC2）的两个核心亚基CURLY LEAF（CLF）和SWINGER（SWN）互作，共同靶向葡萄糖响应基因调节葡萄糖信号，其中部分差异表达基因显著富集于"响应BR"的基因本体（GO）条目。
4.1.2. BR生物合成的推定调控机制：TPS1–T6P–miR156–SPL途径
拟南芥TPS家族分为两类：Class I（TPS1-4）具有催化活性，其中TPS1是负责T6P合成的核心功能酶；Class II TPS（TPS5-11）缺乏催化活性，主要作为调节亚基参与信号调控。T6P作为蔗糖特异性信号分子和蔗糖稳态的核心调节因子，整合代谢信号与发育程序。研究表明T6P信号通路通过抑制miR156来调节其靶基因SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE（SPL）的表达水平。在番茄中，miR156a靶向并抑制SlSPL13表达。SlSPL13作为核心转录因子，直接结合关键BR生物合成基因DWF的启动子并抑制其转录。spl13功能缺失突变体中内源BR水平显著升高。miR156正向调控BR生物合成，而SPL13发挥抑制作用。鉴于T6P抑制miR156以及miR156-SPL13模块调控BR生物合成的报道，推测TPS1介导的T6P信号通过miR156–SPL模块调控BR生物合成可能是一种保守机制。
4.2. 糖信号与BR信号通路的交叉调控
4.2.1. G蛋白作为连接RGS1介导的葡萄糖信号与BR信号的汇聚节点
细胞外葡萄糖波动由质膜定位的受体感知，植物特有的G蛋白信号调节因子受体蛋白RGS1参与这一感知过程。在静息状态或无配体刺激时，Gα结合GDP并与Gβγ二聚体结合形成无活性的异源三聚体复合物；RGS1增强Gα的内在GTPase活性，加速GTP水解，维持G蛋白信号处于关闭状态。高浓度D-葡萄糖刺激激酶WNK8和WNK10磷酸化RGS1，而低浓度D-葡萄糖介导WNK1依赖的RGS1磷酸化。磷酸化的RGS1从Gα蛋白解离并发生内吞进入细胞，从而促进Gα蛋白激活和随后的葡萄糖信号转导。研究发现BR受体BRI1及其共受体BAK1与异源三聚体G蛋白发生物理互作，BRI1和BAK1分别磷酸化Gβ和Gγ亚基，促进Gα从Gβ/γ二聚体解离，这是转导糖信号的关键步骤。葡萄糖对BRI1-BAK1互作呈现浓度依赖性效应。
4.2.2. BIN2作为整合糖-TOR信号与BR信号的分子连接
TOR激酶是植物中整合营养、能量和生长信号的中心信号枢纽，主要以TOR复合体（TORC）形式发挥作用。糖类（尤其是光合产物葡萄糖和蔗糖）是TOR的主要上游激活信号。研究表明外源蔗糖在黑暗条件下激活TOR激酶，从而抑制BZR1的自噬介导降解并促进下胚轴伸长。光合作用来源的糖以TOR–S6K2依赖方式抑制BIN2激酶活性。S6K2与BIN2之间的直接物理互作表明BIN2是整合糖–TOR和BR通路的关键信号节点。相反，当营养不足时，BIN2可磷酸化TORC的调节亚基RAPTOR1B，从而抑制TOR活性。在黄化拟南芥幼苗中，补充适宜浓度的外源蔗糖后，糖–TOR信号通路激活S6K2介导的BIN2磷酸化，进而导致BIN2蛋白丰度降低。BIN2活性的抑制诱导BES1积累，进而促进BR生物合成。
4.2.3. KINβ2作为SnRK1核心亚基整合SnRK1介导的能量信号与BR信号
当植物处于能量缺乏状态时，低糖水平激活SnRK1能量传感器复合体以响应低糖胁迫并调整生长策略。SnRK1复合体由三个组分构成：催化亚基α（KIN10或KIN11）和调节亚基β及βγ。研究表明SnRK1介导的能量信号与BR信号整合调控气孔发育。SnRK1的催化亚基KIN10在气孔母细胞（M细胞）中呈现特异性核定位，磷酸化并稳定转录因子SPEECHLESS（SPCH）以促进气孔发育。SnRK1的调节亚基KINβ2在M细胞中主要分布于细胞质，但在气孔谱系基细胞（SLGCs）中易位至质膜。BIN2与KINβ2互作并磷酸化KINβ2，该磷酸化事件降低KINβ2的质膜定位能力并减弱其与KIN10的结合亲和力，最终增强KIN10的核积累并改善气孔形成。KINβ2作为介导SnRK1介导的能量信号与BR激素信号交叉调控的功能整合节点。
5. 结论与未来展望
BRs和糖类是协调植物生长发育的关键信号分子。与线性的BR通路不同，糖信号涉及针对不同糖类型和浓度的多种受体。本综述概述了它们的多层级交叉调控：BZR1和激酶（BAK1/BIN2）调控糖代谢与转运；相反，糖传感器（HXK1/TPS1）通过表观遗传和miRNA介导的机制调节BR生物合成。BR信号与RGS1、TOR和SnRK1介导的糖信号通路表现出交叉调控，其中G蛋白、BIN2和KINβ2分别作为信号整合节点。
然而，目前对BR与糖信号交叉调控的理解仍不完整。与暗形态建成期间外源糖促进BR信号相反，在光下生长的植物中外源糖处理通过独立于HXK1和TOR的糖信号通路促进BIN2蛋白积累并抑制BR响应性生长。除SPL13外，响应糖信号调控BR生物合成基因表达的转录因子在很大程度上仍未被表征。此外，BR在生物合成后必须被转运到细胞外才能发挥生物学功能。虽然已知糖信号调控生长素转运，但其是否调控BR转运仍未见报道。糖效应作用于BR信号的光依赖性引发了一个问题，即糖对BR转运的调控是否同样具有条件性。未来针对上述方向的研究将推进对BRs与糖类相互作用的理解。
