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高中生物 第七章 植物细胞信号转导竞赛教案


第七章 植物细胞信号转导 植物体的新陈代谢和生长发育主要受遗传及环境变化信息的调节控制。一方面遗传信息决定着植 物体代谢和生长发育的基本模式, 另一方面这些基因的表达及其所控制的生命代谢活动的实现, 在很大 程度上受控于其所生活的外界环境。 植物体生活在多变的环境中, 生活环境对其的影响贯穿在植物体的 整个生命过程。因此,植物细胞如何综合外界和内部的因素控制基因表达,植物体如何感受其生存的环 境刺激,环境刺激如何调控和决定植物生理、生长发育和形态建成,成为植物生物学研究中人们普遍关 注的问题。人们将这些复杂的过程称之为细胞信号转导(signal transduction) ,包括细胞感受、转导 各种环境刺激、引起相应生理反应的过程。细胞信号转导是生物结构间交流信息的一种最基本、最原始 和最重要的方式。目前,信号转导的研究对植物科学所有方面做出了重要贡献,将许多领域的研究组成 一个系统的信号转导途径,并由这些信号途径通向揭示浩繁生命奥秘的细胞过程。 第一节 一、 细胞信号转导的基本概念 植物细胞信号转导概述 (一)信号 信号(signal)简单说来就是细胞外界刺激,又称为第一信使( first messenger )或初级信使 (primary messenger) ,包括胞外环境信号和胞间信号(intercellular signal) 。胞外环境信号是指 机械刺激、磁场、辐射、温度、风、光、CO2、O2、土壤性质、重力、病原因子、水分、营养元素、伤害 等影响植物生长发育的重要外界环境因子(图 7-1) 。胞间信号是指植物体自身合成的、能从产生之处 运到别处,并对其他细胞作为刺激信号的细胞间通讯分子,通常包括植物激素、气体信号分子 NO 以及 多肽、糖类、细胞代谢物、甾体、细胞壁片段等。胞外信号的概念并不是绝对的,随着研究的深入,人 们发现有些重要的胞外信号如光、电等也可以在生物体内组织、细胞之间或其内部起信号分子的作用。 不论是胞外信号还是胞间信号,均含有一定的信息(information) 。信号是信息的物质体现形式和 物理过程。信号的主要功能在细胞内和细胞间传递生物信息,当植物体感受信号分子所携带的信息后, 或引起跨膜的离子流动,或引起相应基因的表达,或引起相应酶活性的改变等,最终导致细胞和生物体 特异的生理反应。 ·1· 图 7-1 影响植物生长发育的各种环境因子示意图 (引自 Buchanan et al. 2000) (二)第二信使 第二信使(second messenger)又称次级信使,是指细胞感受胞外环境信号和胞间信号后产生的胞 内信号分子,从而将细胞外信息转换为细胞内信息。一般公认的细胞内第二信使有钙离子(Ca ) 、肌醇 三磷酸 (inositol 1,4,5-trisphosphate, IP3) 、 二酰甘油 (1, 2-Diacylglycerol, DG) 、 环腺苷酸 (cAMP) 、 环鸟苷酸(cGMP)等(图 7-2) 。随着细胞信号转导研究的深入,人们发现 NO、H2O2、花生四烯酸、环 ADP 核糖(cADPR) 、IP4、IP5、IP6 等胞内成分在细胞特定的信号转导过程中也可充当第二信使。 细胞外环境信号和胞间信号与胞内信号分子在功能上是密切合作的。 多细胞生物体受到外界环境刺 激后,常产生胞间化学信号,到达细胞表面或胞内受体后,通过产生胞内信号起作用,从而完成整个信 号转导过程。人们通常把整个细胞外信号(包括胞外环境刺激信号和胞间信号)称为第一信使或初级信 使,而把胞内信号分子统称为第

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