植物鈣調素及其在熱激信號轉導通路中的作用

趙超越

（遼寧師范大學生命科學學院，遼寧省植物生物工程重點實驗室，遼寧　大連　116081）

植物鈣調素及其在熱激信號轉導通路中的作用

趙超越

（遼寧師范大學生命科學學院，遼寧省植物生物工程重點實驗室，遼寧大連116081）

植物體的熱激響應是指在受到熱刺激誘導后，植物體為抵御熱激脅迫產生的效應。在熱激信號轉導通路中，Ca2+/CaM復合物參與調控熱激轉錄與熱激調控元件的結合活性調節，從而增加HSP基因的轉錄以及HSP蛋白的合成。本文以鈣調素作為主要研究對象，鏈接通路中其他成員，通過已有的研究結論，說明熱激條件下CaM參與的熱激信號轉導的通路組成。

熱激；信號轉導通路；鈣離子；鈣調素；熱激蛋白

在真核生物中，鈣調素、類鈣調素［1］和鈣調素依賴的蛋白激酶［2］是胞內Ca2+重要的受體蛋白。其中鈣調素作為Ca2+受體廣泛分布在不同的組織、器官和質體中，是一種最重要的鈣依賴性調節蛋白，并在Ca2+/CaM信號轉導系統中發揮至關重要的作用。

1　CaM的結構及分布

鈣調素是由148個氨基酸組成的單鏈可溶性球狀蛋白，分子量約為16 700 Da，鈣調素多肽鏈由4個區域（Ⅰ～Ⅳ）組成，每個區域由一個離子鍵結合一個Ca2+，結合Ca2+后，鈣調素分子構象發生改變并激活其疏水區，催化活性增加［3］。擬南芥中CaM是最早被克隆到的，隨后從馬鈴薯、大豆、小麥、玉米和豌豆中分別克隆多條CaM基因。

2　CaM的作用原理

鈣調素是植物細胞重要的鈣離子受體，自身沒有酶的活性，當與鈣離子結合后，自身構象改變，形成的Ca2+/CaM復合物后才能與靶酶短肽序列結合，從而催化靶酶活性。由于CaM分子EF手型兩端的結合Ca2+區域對胞內自由Ca2+的親和力不同，使得CaM分子可能會敏感捕捉胞內Ca2+濃度的變化，在激活狀態和失活狀態之間相互轉換。CaM分子的構象變化是其發揮生理作用的基礎［4］。

3　鈣調素參與熱激信號轉導

3.1熱激對胞內鈣離子濃度的影響

鈣信號（Calcium signal，Ca2+signal）作為第二信使參與植物生長發育、植物抗逆響應的調控［5］。在熱激脅迫方面，已經有實驗結論證實熱激會導致胞內Ca2+濃度瞬時增加。有研究表明PLC-IP3和Ca2+通道的協同作用可能解釋了細胞內Ca2+濃度瞬時增加的原因：例如Liu等利用熱激擬南芥懸浮培養細胞，檢測到胞內IP3水平的提高，而磷脂酶C（PLC）抑制物U-73122可以產生抑制IP3積累的效應；IP3的積累是通過水解磷脂酰肌醇4，5二磷酸［PtdIns（4，5）P2，PIP2］得到的，這一過程由結合于胞膜的PLC來催化，在熱激的條件下PLC被激活并導致胞內IP3水平的積累，通過IP3與鈣離子通道的協同作用，從而提高胞內鈣離子的水平［6］。這些結果可以說明熱激信號傳導的順序，而且證明了IP3在胞內的積累可能是Ca2+瞬時增高的上游事件。

3.2熱激對鈣調素表達量的影響

在熱激脅迫條件下胞內Ca2+增加，CaM基因的大量表達以及CaM蛋白的積累，也已得到了證實：例如在植物擬南芥中，Zhang等［7］通過實驗證明在37 ℃熱激的情況下AtCaM3 mRNA的水平顯著增加并在20 min后達到最大，在30 min后緩慢下降，而AtCaM多基因家族中的其他成員并沒有與AtCaM3基因相類似結果，而且這個結果與AtCaM3基因實時定量PCR的結果相符；這樣的結果說明CaM的表達依賴于Ca2+，并間接的說明CaM可能定位于通路的上游部分。

4　鈣調素在熱激信號轉導通路中的作用

4.1鈣調素對HSF與HSE結合活性的調節

在熱激條件下，HSP的誘導合成受控于HSF，HSF活性的調控是HSP表達的中心環節［8］。例如在44℃熱激的情況下，利用CaM的拮抗劑W7和CPZ或者利用CaM的抗體可以降低HSF 與HSE的結合活性，而向CaM抗體預處理的玉米細胞提取液中加入10-8～10-7mol·L-1的CaM則可部分恢復HSF的活性。通過這些結果初步證明了CaM參與了HSP蛋白的表達，并且通過增強HSF和HSE的結合活性使得植物體獲得耐熱性。

4.2鈣調素在提高植物體耐熱性方面的意義

為了在分子和遺傳水平上證明擬南芥AtCaM3可能參與熱激信號轉導，Zhang等利用T-DNA插入的方法獲得AtCaM3突變株。在正常條件下，突變株系與野生株系相比沒有明顯差異，而45℃熱激處理50 min后，該突變株的耐熱性較WT株系相比明顯增強。由于HSP的表達與積累增加了植物抵御熱脅迫的能力，而且已經證實，HSP的表達受控于CaM，這些結果近一步證明了CaM在熱激信號轉導通路中發揮作用［8］。

5　Ca2+/CaM參與的熱激信號轉導通路

近十幾年來，全球性氣候變暖對于農業生產的影響巨大，而導致的直接結果是農作物的大幅減產，而這種影響在未來的幾十年里仍將持續，在這樣的背景條件下，研究植物的耐熱性和熱信號傳導就顯得十分必要［9］。綜上所述，植物體對于熱激脅迫的反應機制是高度復雜的，各條通路之間是相互交叉的，并由此建立起的一個復雜網狀結構，真正弄清熱激信號轉導的機制對植物耐熱性研究具有重要意義［10］。

［1］ POOVAIAH BW，LIQUN D，HUIZHONG W，et al. Recent advances in calcium/calmodulin- mediated signaling with an emphasis on plant-microbe interactions［J］.Plant Physiology，2013，163（2）：531-542.

［2］ LUAN S. The CBL-CIPK network in plant calcium signaling［J］.Trends in Plant Science，2009，14（1）：37-42. ［3］ YANG T，POOVAIAH B W. Calcium/calmodulinmediated signal network in plants.［J］.Trends in Plant Science， 2003，8（10）：505-512.

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［5］ DODD AN，KUDLA J，SANDERS D. The language of calcium signaling［J］. Annu Rev Plant Biol，2010，61（1）：593-620.

［6］ GILLASPY G E. The cellular language of myo-inositol signaling［J］.New Phytologist，2011，192（4）：823-839.

［7］ ZHANG W，ZHANG R G ，GAO Y J，et al. Molecular and genetic evidence for the key role of AtCaM3in heat-shock signal transduction in Arabidopsis［J］.Plant Physiology，2009，149（4）：1773-1784.

［8］ 張璇，臧曉南，張學成，等.藻類逆境脅迫下信號傳導途徑的初步研究進展［J］.中國海洋大學學報（自然科學版），2012（S1）：116-123.

［9］ LIU H T，LI B Z，LI X Z，et al. Calmodulin is involved in heat shock signal transduction in wheat［J］.Plant Physiology，2003，132（3）：1186-1195.

［10］ ZHOU R G，LI B，LIU H T，et al. Progress in the participation of Ca2+-calmodulin in heat shock signal transduction［J］.自然科學進展：英文版，2009，19（10）：1201-1208.

Q582

A

1002-0659（2015）06-0045-02

2015-11-04

趙超越（1990-），男，在讀碩士，從事植物分子生物學方面的研究工作。Email：zhaochaoyue_1990@163.com