植物CDPKs響應逆境脅迫信號傳導作用研究進展

韋淑亞

（武漢職業技術學院生物工程學院，湖北武漢 430074）

植物CDPKs響應逆境脅迫信號傳導作用研究進展

韋淑亞

（武漢職業技術學院生物工程學院，湖北武漢 430074）

鈣依賴蛋白激酶（CDPKs）是由多基因族編碼，在植物響應逆境脅迫信號轉導通路中處于關鍵位置。從CDPKs結構特征、CDPKs在非生物脅迫信號轉導中的作用、CDPKs在生物脅迫信號轉導中的作用和CDPKs介導的信號傳導途徑中的交互作用這幾個方面綜合闡述了植物CDPKs響應逆境脅迫信號傳導作用研究進展，旨在探討CDPKs的功能及調控防御機制。

CDPKs；非生物脅迫；生物脅迫；逆境；研究進展

當遭受激素、病原菌、光、高溫、干旱和寒冷等各種各樣的逆境脅迫時，植物感知這些外來脅迫信號激活自身信號傳導網絡機制調控自身的新陳代謝來適應日益惡化的生態環境。外界刺激會引起植物細胞內Ca2+震蕩，植物中的一些Ca2+結合蛋白或者Ca2+受體會識別這些復雜的Ca2+信號并將Ca2+信號進一步向下游級聯放大和傳遞，導致蛋白質磷酸化和脅迫相關基因的表達，提高植物對逆境脅迫的耐受性。在這個過程中，Ca2+作為第二信使在復雜的信號傳導網絡中扮演著重要的角色。鈣依賴蛋白激酶（CDPKs）是主要的Ca2+結合蛋白之一，存在于高等植物和一些原生動物中，在動物和真菌等物種還沒有被發現。CDPKs家族屬于多基因家族，擬南芥有34個成員，水稻有29個成員，玉米有40個成員，大麥有27個成員等相繼被報道[4]。

1 CDPKs結構特征

每一個CDPKs家族成員都有一個同源性最低的N末端可變區，一個同源性較高的蛋白激酶結構域，一個最保守的自我抑制區和保守性最差的鈣調素樣結構域這四部分組成。N末端可變區含有與膜定位相關的豆蔻酰化位點，與細胞內定位有關，這一區域一般由20～200個氨基酸殘基組成。Ser/Thr蛋白激酶結構域，一般由300多個氨基酸殘基組成，能使底物磷酸化，也叫激酶催化區。緊靠催化區是自我抑制區，也叫連接區，富含堿性氨基酸，由20～30個氨基酸殘基組成。一般情況下，連接區以假底物的形式與催化區結合，使CDPKs激酶活性處于抑制狀態。調控區，是鈣結合區，有4個EF-手性結構域（Ca2+結合位點），是CDPKs激酶具有的特有的區域。當植物遭受逆境脅迫時，細胞內Ca2+濃度發生變化，Ca2+與CDPK的調節區結合后，鈣調素樣結構域發生構象變化，解除其自我抑制，激酶活性被激活[1]。可見，CDPK 是依賴 Ca2+而不依賴鈣調素的。目前CDPKs互作的蛋白有ABF4/AtCPK32，AtDi19-1/ CPK11，StRBOHB/StCDPK5，ZoIMPα/ZoCDPK1，RSG/ NtCDPK1和 HSP1/AtCPK10等被研究報道。

2 CDPKs在非生物脅迫信號轉導中的作用

干旱、高鹽和低溫等非生物脅迫對植物的生長和發育都會造成一定的影響。干旱造成植物光合能力下降以及不利于營養吸收，鹽分造成植株生理性干旱和離子毒害，低溫直接影響植物新陳代謝。除此之外，滲透脅迫是干旱、高鹽和低溫環境中常見的生理現象。

ABA（脫落酸）依賴性和ABA不依賴性的信號傳遞途徑是響應非生物脅迫的兩大類比較常見的信號傳遞途徑。植物體內通過ABA 的合成感知外界干旱及高鹽非生物脅迫，進而活化CDPKs，調控滲透調節物質（脯氨酸）、水分運輸（水通道蛋白）和 LEA蛋白等脅迫相關基因的表達，維持細胞內水分平衡，提高植物對非生物脅迫的耐受性。研究表明植物依賴ABA控制氣孔的開關可實現細胞內水分的維持，提高植物的耐受性。非生物脅迫下擬南芥CDPKs依賴ABA信號傳導途徑防御機制研究很多。擬南芥CPK3和CPK6依賴ABA調控氣孔信號和保衛細胞離子通道，正調控高鹽和干旱。在干旱脅迫下，ABA處理擬南芥CPK10突變體結果顯示氣孔關閉能力下降。蠶豆（Vicia faba）CDPK則參與由Ca2+調控保衛細胞中磷酸化鉀離子通道（KAT1）的信號傳導來抵御逆境脅迫。擬南芥CPK4和CPK11通過磷酸化ABA響應的元件結合因子ABF1和ABF4調控氣孔運動來提高對高鹽和干旱脅迫的耐受性。擬南芥CPK32磷酸化ABF4參與ABA和非生物脅迫的反應。也有研究表明擬南芥CPK23突變體氣孔開度減小，過表達CPK23轉基因株系氣孔開度增加，調控干旱和高鹽。同源性高的CPK21和 CPK23在ABA和非生物脅迫信號傳導途徑中發生部分功能重疊性，且負調控非生物脅迫[2]。因此，以上研究表明CDPKs在ABA和Ca2+介導的氣孔運動調控細胞內水分維持有很重要的作用。

除了模式植物擬南芥CDPKs在非生物脅迫下的功能研究比較多之外，水稻和其它植物CDPKs的研究開展的也很多。低溫和高鹽脅迫下，水稻OsCDPK7的表達量顯著增加，過表達OsCDPK7提高了水稻對低溫、高鹽和干旱脅迫的耐受性。過表達OsCPK21轉基因株系增加了對ABA的敏感性，提高了對高鹽脅迫的耐受性。冷和赤霉素（GA）處理下OsCDPK13基因的表達量增加，但對鹽、干旱和ABA處理不敏感，過表達OsCDPK13轉基因株系對低溫的耐受性顯著提高[10]。OsCDPK14磷酸化下游底物OsDi19-4 依賴ABA的信號傳導途徑調控 ABA響應相關基因的表達。姜ZoCDPK1和NAC TF互作介導的非生物脅迫的信號傳導途徑是不依賴ABA的，不響應冷，響應高鹽和干旱。這些結果表明CDPKs介導的信號傳導途徑的功能是很復雜的。

3 CDPKs在生物脅迫信號轉導中的作用

植物長期遭受自然界中的真菌、細菌、病毒、線蟲等病原物侵染和昆蟲的侵襲，自身獲得了一系列防御機制抵御這些不良環境。研究表明，植物受病原菌侵染之后，體內防衛反應早期反應有Ca2+內流和活性氧的釋放等。CDPK作為Ca2+的受體，體內Ca2+濃度的變化，瞬時激活CDPK，與促分裂原活化蛋白激酶（MAPKs）共同調控下游的轉錄因子以及早期相關基因的表達參與早期防御反應。

番茄葉霉菌（Cladosporium fulvum）無毒基因Avr9加入到轉基因懸浮細胞，發現了膜結合的CDPK從無激發態轉變為激發態，酶活性提高了10～200倍。煙草NtCPK1 和NtCPK3參與了Cf-9/Avr9基因對基因的互作反應模式中。煙草NtCPK2和 NtCPK3共同調控了植物過敏反應，而過敏反應是植物基因對基因互作的一個標志。進一步的研究證實，僅由N端可變端和激酶催化區組成的在煙草葉片上表達的NtCDPK2變體，煙草葉片出現了類似過敏反應，體內ROS的產量升高，植物防御相關基因表達量增加。相反，高度同源NtCDPK3變體沒有出現這樣的防御現象和過敏反應。這些結果表明了NtCDPK2激酶參與了植物防御反應的特異性。

異源西紅柿原生質體瞬時表達結果顯示，過表達AtCPK1導致了NADPH氧化酶活性的增強和活性氧產量的增加。擬南芥AtCPK4，AtCPK5，AtCPK6 和AtCPK11參與早期MAMP（病原相關模式）信號傳導途徑共同調控下游防御相關基因的表達[3]。植物受病原菌侵染活性氧的釋放也是植物發生防御反應的早期反應之一，鈣離子作為第二信使在活性氧產生的這個過程中也起著重要的作用，Ca2+的受體CDPKs，通過磷酸化NADPH氧化酶進而調控下游防御相關基因的表達。水楊酸（salicylic acid，SA）介導的系統獲得抗性在植物防御反應信號轉導中也起著重要作用。當植物與病原菌發生非親和互作，體內 SA含量發生變化，大量增加，進而病程相關蛋白PR蛋白大量表達。過表達AtCPK1結果顯示體內SA含量顯著增加，引發了SA介導的防衛反應和抗病基因的組成型的表達，廣譜抗性建立[3]。西紅柿SlCDPK在生物脅迫信號傳導途徑中調控廣譜抗性抵御病原菌的侵染。

4 CDPKs介導的信號傳導途徑中的交互作用

在信號轉導中，看似各自獨立，其實是互相聯系交織在一起的。各種各樣的非生物脅迫和生物脅迫刺激下，植物體內兩個或更多的不同信號傳導途徑中的互作，集中到一個信號物質反饋，或者這些不同信號傳導途徑平行或者疊加互作共同調控下游基因的表達來適應環境。近年來的實驗證據表明CDPKs的功能多樣性，涉及了不同的信號傳導途徑，而且在這些信號傳導途徑中起著一個開關的作用。

擬南芥AtCPK1、AtCPK3、AtCPK4、AtCPK6、AtCPK11和水稻OsCPK12、OsCPK13這些核心成員，在介導非生物脅迫信號傳導途徑及病原菌生物脅迫侵害中起到重要的信號節點作用。煙草NtCDPK2響應滲透脅迫和參與植物防御反應[3]。煙草NtCDPK1表達量降低，發生細胞壞死病變，而植物防御反應標記基因表達量有所增加。異位表達OsCDPK7提高了水稻植物對冷、高鹽和干旱的耐受性，但是，從轉錄水平上分析，對高鹽和干旱的耐受性的基因的轉錄水平增加了，而對冷響應的基因的轉錄水平沒有任何變化，這表明OsCDPK7是通過不同的信號傳導途徑來提高植物對冷和高鹽/干旱的耐受性的。過表達OsCPK12增加了轉基因水稻對高鹽的耐受性，ABA敏感性增加，但是易感稻瘟病病原菌，正調控高鹽，負調控稻瘟病病原菌。這些研究結果表明了CDPKs介導的信號傳導途徑中的交互作用很復雜，也很重要。

5 結束語

自1982 年在豌豆中發現 CDPKs以來，國內外研究者對CDPKs進行了深入的研究，尤其現在高通量測序技術以及全基因組深度測序技術的應用加快了課題研究速度、研究深度以及研究的可靠性。目前，相繼在很多植物中發現了CDPKs成員，并展開了對CDPKs基因家族功能的研究，取得了一定的進展。CDPKs 是Ca2+傳感蛋白，功能多樣化，進化保守，通過磷酸化作用參與植物響應逆境脅迫的各種精細而復雜的信號傳導過程。盡管 CDPKs在逆境脅迫下參與各種信號傳導的研究很多，但其在體內的直接下游底物還知之甚少。有關CDPKs作用的詳細分子機制及CDPKs促進氣孔關閉的調控機制還不是很清楚。通過突變 EF-hands 區域確定 CDPKs 與 Ca2+之間的功能關系，利用酵母雙雜技術或免疫共沉淀等技術，分離鑒定更多的CDPKs的磷酸化底物，這對深入揭示CDPKs賦予植物對逆境脅迫耐受性的分子調控機制將會提供進一步翔實的證據。

[1] 姜珊珊，張丹，孔祥培，等.2013.植物中的鈣依賴蛋白激酶（CDPK）的結構特征和功能研究進展[J].生物技術通報，6（28）：12-19.

[2] Asano T，Hayashi N，Kikuchi S，etal.CDPK-Mediated Abiotic Stress Signaling[J].Plant Signal Behav，2012，（7）：817-821.

[3] Boudsocq M，Willmann M R，McCormack M，etal.[J] Differential Innate Immune Signalling via Ca2+Sensor Protein Kinases[J].Nature，2010，（464）：418-422.

Dvances in Signal Transduction of Plant CDPKs in Response to Stress

Wei Shu-ya

Calcium-dependent protein kinase（CDPKs）is encoded by a polygene family and is at a critical position in plant response stress stress transduction pathways.The role of CDPKs in CDPKs，the role of CDPKs in the transduction of abiotic stress，the role of CDPKs in biosynthetic signal transduction，and the interaction in CDPKs-mediated signaling pathways.Advances in the study of signal transduction of plant CDPKs in response to stress stress were studied in order to explore the function and regulation mechanism of CDPKs.

CDPKs；abiotic stress；biological stress；adversity；research progress

Q945.78

A

1003-6490（2017）01-0142-02

2016-12-21

李源（1964—），男，山東日照人，高級工程師，主要研究方向為農藥合成。于樂祥（1982—），男，山東濟南人，工程師，主要研究方向為農藥合成。張學忠（1963—），男，河南鶴壁人，主要從事農藥分析工作。

收稿日期：2017-01-11

湖北省教育廳自然科學研究計劃項目（B2016581）；武漢職業技術學院校級博士科研基金（2016BS001）共同資助。

作者簡介： 韋淑亞（1979—），女，湖北武漢人，講師，博士，主要研究方向為生物化學與分子生物學。