MAPK信號通路調控植物響應非生物脅迫的研究進展

劉 晨，曹小漢，殷丹丹，楊 婧，張寧寧，任莉萍*

(1.江蘇丘陵地區南京農業科學研究所，江蘇南京 210046；2.阜陽師范大學生物與食品工程學院，安徽阜陽 236037)

相對于動物而言，植物在整個生命過程中通常都是無法移動的。植物所生長的外界環境和其內部信號因子又會時時刻刻影響著植物的生長發育進程。其中非生物脅迫是嚴重影響植物生命活動的逆境之一，包括干旱脅迫、極端溫度、營養匱乏、鹽害、機械損傷以及土壤中有毒金屬的毒害等。近年來極端天氣越來越頻繁地出現，非生物脅迫對農業生產的不利影響日益加劇，植物也面臨著更加嚴峻的挑戰。植物為了在復雜且多變的外界環境作用下正常生長，進化出多個復雜而完善的信號轉導和響應脅迫的調控網絡。因此，探索植物對外界非生物脅迫信號的感知和響應，對于培育優良抗性的新品種，進而降低水肥消耗，減少環境污染，促進農業綠色可持續發展具有重要的理論指導意義。

絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯信號通路廣泛存在于真菌、動物和植物中。近年來，科研工作者開展了大量有關MAPK信號通路的研究，發現植物在受到外源信號刺激后，利用多種機制將促分裂原活化蛋白的激酶激酶激酶(MAPKKK、MKKK/MEKK、MAP3K)激活，活化的MAPKKK通過磷酸化激活促分裂原活化的蛋白激酶激酶(MAPKK、MEK/MKK)，進而激活促分裂原活化的蛋白激酶(MAPK、MPK)。MAPK被磷酸化后可以進一步激活下游蛋白激酶和轉錄因子(如WRKY)等底物，這些激酶或轉錄因子可以通過調控相應功能基因的表達等方式，使植物細胞對外源信號產生特定的生理生化反應以應對環境變化。根據蛋白催化區域氨基酸序列及結構的差異，將MAPKKK分為Raf、MEKK和ZIK 3類。其中，Raf類的催化區域氨基酸序列為GTxx(W/Y)MAPE，MEKK類具有G(T/S)Px(W/Y/F)MAPEV保守結構域，ZIK類具有GTPEFMAPE(L/V)Y保守結構域。擬南芥是評價植物基因復雜性的藍圖，它含有80個MAPKKK基因，其中21個屬于MEKK類，11個屬于ZIK類，48個屬于Raf類。根據MAPKK蛋白結合、激活區的結構及氨基酸序列的差異，可將其分為A、B、C、D 4個亞型。MAPKK的氨基末端通常都有1個假定的MAPK對接結構域K/R-K/R-K/R-X1-6-L-X-L/V/I。A、C、D 3個亞型的MAPKK編碼相對較短的蛋白質，而B亞型成員的羧基末端結構域與介導RanGDP核輸入的NTF2(NUCLEAR TRANSPORT FACTOR 2)同源。與MAPKKK相比，植物中的MAPKK基因數量較少。在擬南芥基因組中有10個MAPKK，其中有3個A亞型(MKK1、MKK2和MKK6)，1個B亞型(MKK3)，2個C亞型(MKK4和MKK5)，4個D亞型(MKK7、MKK8、MKK9和MKK10)。MAPK是整個MAPK級聯系統的最下游的蛋白激酶。植物中的MAPK含有11個保守的亞結構域，在第七、八結構域間有1個三肽模塊，即TxY基序，是被MAPKK磷酸化的位點。TxY基序位于蛋白質三維結構的T環結構(T-loop)上，它也是ATP的結合位點。MAPK的激活是通過上游的MAPKK同時磷酸化TXY基序中的蘇氨酸(Thr)和酪氨酸(Tyr)殘基。根據被MAPKK磷酸化的保守TxY基序(x通常為Glu/Asp)，植物中的MAPK蛋白分為TEY和TDY 2個亞家族。含有TEY基序的亞家族又分為A、B、C 3類，含有TDY基序的MAPK是植物所特有的，組成了D類。

目前已有大量的研究表明，MAPK信號通路與植物響應非生物脅迫有著密不可分的關系，并在增強植物抗逆性方面起著至關重要的作用。該途徑可以通過磷酸化將非生物脅迫信號逐級放大、傳遞，以此來參與植物生長發育及抗逆作用等生物學過程。該研究綜述了已知的植物MAPK級聯途徑響應非生物脅迫信號轉導的最新研究進展。分別在干旱脅迫、極端溫度、營養匱乏和鹽害等方面進行概述。以期為進一步闡明MAPK級聯信號通路的分子調控網絡提供一些參考，并為將來選育抗性品種、提高作物產量和農業可持續發展奠定基礎。

1 MAPKs響應干旱脅迫

干旱是影響植物生長發育的一個嚴重的非生物脅迫因素，其造成的作物產量損失甚至比所有病原體傷害加起來還要多。此外，干旱脅迫還會導致滲透脅迫、氧化脅迫、破壞細胞組分，并引起代謝紊亂等次級影響。研究植物如何抵御干旱脅迫，將為篩選優良的抗旱農作物品種和提高農作物產量方面提供幫助。

MAPK激酶級聯信號通路在植物的抗旱機制中起著十分重要的作用(圖1)。有研究表明，對44個MAPK在不同非生物脅迫下的轉錄調控分析表明，擬南芥中的9、11、17、18、9和6均受脫水脅迫誘導。擬南芥MPKKK18能夠激活MPKK3，18和3超表達后耐旱性得到了增強，而泛素連接酶RGLG1和RGLG2抑制了這一過程，使耐旱性降低。MPK6通過調節RNA解離活性來提高植物對脫水的耐受性。水稻MAPKK10.2能夠通過磷酸化激活MAPK6和MAPK3提高水稻的耐旱性。OsMPK17蛋白質在干旱脅迫下誘導表達，且推測其功能受脫落酸(ABA)和茉莉酸甲酯(JA)等激素調控，超表達17能夠顯著提升水稻在干旱條件下的生長勢。水稻中的DSM1(類似Raf的MAPKKK蛋白)作為活性氧的潛在清除劑，可以提高植物對水分脅迫下脫水的耐力，而突變體1和RNA干擾植物對干旱脅迫更為敏感。ZmMAPKKK18在玉米苗期抗旱過程中起重要作用，表達蛋白定位于葉綠體中，且在干旱脅迫下特異性調節光合作用的光反應階段、吲哚乙酸生物合成途徑Ⅱ、嘌呤核苷酸從頭合成途徑、產氧光合作用及有氧呼吸I等途徑。玉米1超表達促進轉基因擬南芥植株對干旱脅迫的耐受力，可增加干旱條件下的脯氨酸含量，降低丙二醛含量。ZmMPK3也是干旱反應基因，提高了玉米的抗旱性。MAPK-like(MPKL)蛋白是一組含有MAPK標志TxY基序的激酶，與MAPK序列相似，ZmMPKL1可能通過改變ABA生物合成和分解代謝基因的轉錄，維持ABA穩態來正向調節玉米幼苗對干旱敏感性。小麥TaMAPK6(上調)、12；1和16(下調)等3個成員能夠應答干旱脅迫。棉花MAPK蛋白激酶GhMPK2在干旱條件下可以減少水分喪失、調節滲透壓。屬于MAPK中D亞型的棉花16也是干旱反應基因。過表達16，在進行干旱處理后，植物體內HO含量升高，耐旱性則減弱?；ㄉ?3基因受干旱等脅迫的誘導上調表達。在干旱條件下，馬鈴薯11明顯上調，并通過提高抗氧化活性(SOD、CAT和POD活性，以及過氧化氫、脯氨酸和MDA含量變化)來增強馬鈴薯植株的抗旱性。此外，MAPK級聯反應還參與調控植物和微生物互作從而增強對非生物脅迫的響應，干旱脅迫下，蘋果植株和叢枝狀菌根中的MAPK均表達上調，推測菌根寄生利用MAPK信號與蘋果植株的相互作用，從而增強蘋果的耐旱性。

圖1 植物MAPK響應干旱脅迫Fig.1 MAPK response to drought stress in plant

2 MAPKs響應鹽脅迫

土壤中的鹽度會影響到植物的光合作用、蛋白質代謝和脂質的代謝等活動，進而影響到植物的生長發育。高鹽濃度還會進一步導致次級脅迫傷害，如離子毒性(主要是Na)、高滲脅迫以及氧化損傷等。相應地，植物也會進化出多種機制來抵御鹽脅迫。目前已經有許多研究發現MAPK能介導植物的抗鹽脅迫(圖2)。

擬南芥中發現了一個MAPK信號通路，是由MKKK1、MKK2和MPK4/MPK6組成。過表達2的植株會表現出更強的耐鹽性。擬南芥20突變體對高鹽脅迫敏感，在脫水條件下的水分流失率高于野生型(WT)植株，且活性氧(ROS)積累增加。相反，過表達20的轉基因植株對鹽脅迫表現出耐受性。MPK6激活并與MYB41相互作用，使擬南芥的耐鹽性增加。此外，在鹽脅迫下，磷脂酸(PA)對MPK6有調節作用，這表明MPK6和PA可能是通過同一信號通路發揮作用的。鹽脅迫條件下MKK3-MPK6級聯激活擬南芥MYC2(bHLH類轉錄因子)，通過調節脯氨酸生物合成從而調控鹽脅迫抗性。擬南芥愈傷組織受到鹽脅迫處理下，MKK9-MAPK3/MAPK6通路在增加替代呼吸中起著關鍵作用。AtMPK9可被鹽脅迫激活，且在體外可以獨立于級聯而進行自磷酸化作用。在水稻中OsMPK44、OsMPK5和OsMPK4也被證明與抗鹽脅迫有關。過表達5和44的水稻轉基因株系會表現出更高的耐鹽性。在玉米中，1的表達也受到鹽脅迫調節，過表達此激酶并用鹽脅迫處理，29和51基因表達量上升，而且玉米耐鹽性也得到了提高。高鹽處理下，小麥4、6和17表達水平逐漸升高，在正常生長濃度下，它們的表達水平降低。而高鹽處理下1和16表達水平下降，隨著恢復處理的增加，它們的表達水平逐漸增加。桑樹1也受鹽脅迫誘導，且其擬南芥過表達株系具有更強的耐鹽性。

圖2 植物MAPK響應鹽脅迫Fig.2 MAPK response to salinity in plant

3 MAPKs響應極端溫度脅迫

溫度對植物的生長發育有很大的影響，植物能夠在適合的溫度范圍內正常生長，一旦超出范圍，植物可能就會受到極端溫度的脅迫。低溫會限制種子萌發、植物生長和新陳代謝。而高溫會引起熱應激并加速呼吸作用和光合速率，從而使活性氧產量過剩，影響植物生長。近年來，極端天氣氣候事件頻發，這將對作物帶來更大的挑戰。植物如何抵御極端溫度脅迫，也一直是科研工作者們關注的焦點。

植物MAPK響應冷脅迫見圖3。在擬南芥中，3、4和6在冷處理后會迅速被激活。植物中MKK4/5-MPK3/6級聯的構成性激活會導致基因表達減少，進而降低對凍害的抗性。3和6突變體中基因的表達增加，耐凍性增強，表明MKK4/5-MPK3/6級聯負調控冷反應。MPK3和MPK6可以磷酸化ICE1，促進ICE1的降解。MKK1-MKK2-MPK4通路構成性抑制MPK3和MPK6的活性，并在冷反應中發揮積極作用。此外，MAPKKK YDA和2種鈣/鈣調素調節的受體樣激酶(CRLK1和CRLK2)負向調節MPK3/6的冷激活。冷馴化誘導葉綠體結構發生改變，從而保持了光系統PSII的最佳性能。MPK3和MPK6是調控葉綠體形態變化所必需的，其中MPK6在冷馴化過程葉綠體的循環中發揮了作用。硫化氫可以緩解冷脅迫對擬南芥的傷害，這一過程也需要MPK4參與調控冷響應基因的上調表達和抑制氣孔打開來完成。在水稻中，3在中等低溫(12 ℃)下被激活，而OsMKK6能夠磷酸化激活OsMPK3，過表達6轉基因植株的耐旱性增強，表明OsMKK6-OsMPK3構成了一個中度低溫的信號通路。OsMPK6能夠磷酸化激活WRKY45(調控水楊酸介導的強防御信號傳導的中樞轉錄因子)，從而增強植物的抗寒性。低溫誘導的水稻硫氧還蛋白OsTrx23在體外對應激激活的OsMPK3和OsMPK6具有抑制活性，且這種抑制作用依賴于氧化還原反應。玉米1在煙草中的異源表達能夠提高抗氧化酶活性、滲透調節物質的積累以及ROS相關基因和應激響應基因的表達，增強煙草抗寒能力。過表達4，植物的低溫脅迫標記基因的表達上升，而過表達17，植物的可溶性糖和脯氨酸含量上升，進而增強對低溫脅迫的抗性。冷馴化誘導的番茄耐寒性與硝酸鹽還原酶(NR)依賴的NO產生和絲裂原活化蛋白激酶MPK1/2的激活有關。NR的沉默降低了MPK1/2的活性，1和2的共同沉默減弱了NR依賴的NO的產生和冷馴化誘導的低溫耐受性。在菊花葉片中，2、3、5、9、1、31、32、42、6、91、92、13、16和18受低溫脅迫誘導，上調表達。

圖3 植物MAPK響應冷脅迫Fig.3 MAPK response to cold stress in plant

植物MAPK響應熱脅迫見圖4。擬南芥熱休克因子A4A(HSFA4A)是由鹽、高溫和這些條件的組合誘導的，它可以被MPK3、MPK4和MPK6磷酸化。在熱休克(HS)處理后，MPK6的活性增加，且負責激活液泡加工酶γVPE，這一過程在HS誘導的程序性細胞死亡中起重要作用。棉花GhMAP3K65可通過熱脅迫等多個信號分子誘導轉錄，沉默365能夠增強棉花對熱脅迫的抗性。熱脅迫抑制番茄3的相對表達，與野生型相比，CRISPR/cas9介導的3突變體表現出更強的熱脅迫耐受性，說明SlMAPK3是熱脅迫的負調控因子。且抗氧化酶、編碼熱應激轉錄因子(HSFs)和熱休克蛋白(HSPs)參與了SlMAPK3介導的番茄熱應激反應。在菊花葉片中，9、41、6和13受高溫脅迫誘導上調表達，而2、3、5、1、91、92、16和18在高溫脅迫后均表現為表達量降低。桑樹1受熱脅迫誘導，而其擬南芥過表達株系對熱脅迫的敏感性增強。

4 MAPKs響應營養匱乏

營養元素缺失會嚴重影響植物的生長發育和新陳代謝。環境土壤中有效營養元素含量相對匱乏，在生產上不得不通過大量施用化肥來提高產量，這勢必會引起一系列的污染問題。植物會感知土壤中營養元素的濃度來調控相應的通道蛋白或轉運子，或增強根系系統，以吸收更多的營養物質。營養信號方面的研究，如磷酸鹽、硝酸鹽信號和鉀穩態，近年來取得了重大突破。已有研究表明，MAPK級聯信號通路與這些營養信號之間有著千絲萬縷的關系。因此，探討植物對營養匱乏的應答和信號轉導對培育耐瘠薄的優良作物具有重要的參考價值。植物MAPK響應營養匱乏見圖5。

磷、氮和鉀是植物生長發育所必需的三大營養元素。磷是核酸和膜脂的組成成分之一，并且作用于能量代謝和信號轉導等生命活動。已有許多有關磷脅迫響應相關的研究。擬南芥中，9、3和6受到低磷脅迫的誘導，3和6突變體的磷吸收速率均降低，磷含量低于野生型。

圖4 植物MAPK響應熱脅迫Fig.4 MAPK response to heat stress in plant

圖5 植物MAPK響應營養匱乏Fig.5 MAPK response to nutrition deprivation in plant

而MKK9持續激活突變體，能夠提高磷吸收速率，增加磷含量。MKK9能夠激活下游的MPK3和MPK6，通過誘導75上調表達，進而調控磷吸收和低磷響應相關基因的表達。在低磷脅迫條件下，小麥7、4和9基因表達上調，1、3、6、12、14、16和17表達量下調。進一步研究發現，TaMPK4能夠增強清除活性氧的能力、植株長勢和干鮮重，提高植物抵御逆境脅迫的能力。此外，TaMPKK3能夠調控小麥響應低磷脅迫，在低磷條件下，3基因表達量上調，復磷處理后回降至初始值。超表達3的煙草株系磷素累積量顯著增多，光合作用提高，整體生長勢增強。除表達上的差異之外，磷酸化修飾在調節植物體內磷酸鹽平衡方面也具有重要意義。磷饑餓條件下，水稻根中有4個MAPK蛋白激酶的磷酸化水平降低，包括OsMPK6。而磷充足條件下，OsMPK6突變體導致了磷酸鹽的積累量增加。表明OsMPK6在水稻磷饑餓誘導過程中可能通過改變磷酸化水平的方式行使關鍵作用。氮素是蛋白質和核酸的重要組成成分，也是許多輔酶、輔基、葉綠素分子以及一些植物激素和維生素的基本構成組分。鉀離子在滲透調節、氣孔運動、膜極化控制、蛋白質生物合成和同化產物運輸等諸多生理過程中起著至關重要的作用。然而，MAPK級聯信號轉導通路在低氮和低鉀脅迫下的研究相對較少。在小麥中，氮匱乏響應的MAPK級聯基因有5個：1個MAPKKK基因(；3)和4個MAPK基因(6、12；1、14和16)，在低氮脅迫下均被下調。鉀缺乏條件下，鉀轉運體HAK5與整合素連接激酶ILK1(RAF類MAPKKK)相互作用，且均能夠促進植物在鉀受限情況下生長，因此ILK1可能是植物防御途徑和鉀穩態之間的連接點。

除大量元素外，也有研究表明MAPK級聯信號通路也會受微量元素脅迫誘導。擬南芥中，鐵缺乏會誘導36，通過ACC合成酶(ACS)的積累來刺激乙烯(能夠調控缺鐵反應基因的轉錄)的產生。ACS2/6均被證明是MKK4/MKK5-MPK3/6級聯的直接靶點。此外，MPK3/6還可以通過磷酸化激活33轉錄因子進而轉錄激活基因。小麥；受Cu、Mn、Zn、Zn、Mo脅迫的抑制，；3受Cl和B脅迫抑制，；1也受Cl脅迫抑制，6、4、4受Cu、Zn和Mo脅迫的抑制；3被Zn、Mo和B脅迫誘導，TaMPK4分別被Zn、Mo和B脅迫抑制；而3也被Cl脅迫誘導；9被Fe脅迫抑制，被Zn和Cl脅迫誘導；17被Mn、Mo和B脅迫抑制。

5 MAPKs響應其他非生物脅迫

除上述非生物脅迫中MAPK級聯信號通路起著至關重要的作用外，在其他非生物逆境條件下，MAPK也具有不容忽視的地位。損傷脅迫下，激酶信號通路MPK3/MPK6級聯反應通過在轉錄水平上對4個基因(2、6、7和8)的差異調控，來參與乙烯生物合成。6空等位基因能夠抑制顯性2(受體類細胞壁結合激酶)突變的影響，這一過程也與細胞壁的改變和機械損傷相關。水稻4基因的表達是由機械損傷處理誘導的，其過表達株系的生長勢緩慢，表明OsMPK4是水稻生長的負調控因子。煙草NtMPK4與其他2種損傷反應性MAPK(WIPK和SIPK)一起被損傷激活。在NtMPK4活性抑制的煙草中，機械損傷誘導的茉莉酸(JA)應答基因表達也受到抑制。而4沉默的植物對臭氧的敏感性增強，是由于ABA獨立的氣孔關閉異常調控引起的。在紫外線、重金屬和機械損傷下，玉米3表達量均表現出迅速顯著的積累。番薯中，機械損傷降低了磷酸化的p38類MAPK的積累量，刺激了HO的產生，進而誘導了防御蛋白肌磷脂(IPO)的表達。擬南芥突變體6通過抑制ROS及緩解其產生的氧化脅迫來增強對鎘脅迫的耐性。鎘脅迫還通過誘導玉米根系活性氧來激活ZmMPK3-1和ZmMPK6-1。鋁脅迫處理可激活小麥體內MAPKs級聯信號通路(MAPK12和MAPK14)，從而促使小麥分泌蘋果酸等一系列的生理反應對抗鋁脅迫。

6 展望

截至目前，MAPK級聯途徑在植物中的研究已經取得了長足的進展，并形成很多科研成果。如在研究植物受到脅迫傷害時，MAPK級聯途徑在其中發揮怎樣的作用，植物的抗逆機制是如何產生及運行等。但目前我們對MAPK級聯途徑中很多蛋白激酶的功能還沒有掌握，特別是MAPKKK和MAPKK相關激酶在未來也應當深入研究。植物MAPK級聯蛋白激酶家族成員眾多，可以組合形成上千種不同的MAPK級聯通路，從而迅速響應多種逆境脅迫?，F在已經了解到，一種刺激一般都是需要多種級聯共同參與的，所以多種途徑之間以及級聯途徑之中，各級成員間的相互關系以及這些級聯途徑之間是如何協同行使功能和相互串擾的，又是如何保持信號特異性，仍需大量的研究才能探索清楚。同樣，由于外部刺激比較多樣而植物本身的MAPK資源又是有限的，一種級聯途徑往往也會在多種刺激反應中發揮作用。這些代謝網絡中，通常是通過磷酸化作用串聯的，但是有關磷酸化作用及磷酸化關鍵位點的研究還相對較少，亟待更深一層研究。

目前在擬南芥及重要的糧食作物中已開展了豐富的研究，并取得了重大的進展，然而在一些園藝作物中的研究還有待開展。此外，有關不同的非生物脅迫，仍有許多未解之謎。如澇害下MAPK信號轉導通路的研究較少。低磷脅迫會激活MAPK級聯信號通路，但低氮和低鉀脅迫條件下，MAPK蛋白激酶的作用研究較少。隨著環境污染的加劇，環境中有害氣體和土壤中的有害金屬等污染物同樣會損害植物，影響植物的生長發育，有關方向的研究也迫在眉睫。

因此，探索植物MAPK級聯信號途徑在響應非生物脅迫中的關鍵作用和調控網絡，勢必對闡明植物防御機制，挖掘優異種質資源具有至關重要的意義。