費小鈺+李紅麗+王俊皓

摘要：CDPK是一類Ser/Thr型蛋白激酶，存在于植物的各個器官和原生生物中，直接被Ca2+信號激活，通過對底物的調(diào)節(jié)，調(diào)控多個下游支路，將信號放大，從而完成傳遞信號的作用，廣泛參與干旱、鹽堿等非生物脅迫。本文對植物鈣依賴蛋白激酶CDPK基因功能的研究進行綜述。

關(guān)鍵詞：鈣依賴蛋白激酶（CDPK）；信號轉(zhuǎn)導；生物學功能

中圖分類號： TS201.2 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.09.064

植物對于外部刺激，細胞常表現(xiàn)為綜合性的反應(yīng)，產(chǎn)生的變化在基因表達、酶活性、細胞骨架、通透性等都有體現(xiàn)，然而這些變化并不是全都由于一種信號所引起的，常為幾種不同信號通過復雜反應(yīng)引起的組合反應(yīng)，這些多種信號途徑，包括ABA通路、鈣信號轉(zhuǎn)導，MAPK信號通路等，各信號相互交錯，協(xié)同調(diào)控，共同完成植物對逆境的抗性，Ca2+是各個通路的交叉點。細胞內(nèi)信號通常被稱為第二信使，Ca2+作為第二信使在植物受到刺激時，細胞感受刺激并改變胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度，通過濃度的變化植物做出相應(yīng)的反應(yīng)，引發(fā)一系列信號轉(zhuǎn)導，通過靶蛋白傳感信號，結(jié)合其他靶蛋白質(zhì)分子（如各種蛋白激酶）啟動基因表達，導致植物應(yīng)急反應(yīng)，形成鈣信號的復雜系統(tǒng)。當植物感受到外界環(huán)境諸如鹽堿干旱等脅迫時，胞內(nèi)的多條信號條件傳遞信息到下游，信號被逐級放大傳遞，下游基因得到誘導進行表達，植物生理生化性狀被改變，抵御逆境信號影響。當植物細胞感受到脅迫環(huán)境，感受逆境信號的受體感知原生質(zhì)膜變化，傳遞信號給G蛋白和磷脂酶受體，膜上的Ca2+通道在磷酸化反應(yīng)中被激活，釋放細胞內(nèi)鈣庫中的Ca2+，胞內(nèi)游離鈣離子濃度迅速上升，逆境信號的傳遞過程就此完成[1]。

CDPK是一類Ser/Thr型蛋白激酶，是多基因家族，廣泛存在于植物和原生生物中，其直接被Ca2+信號激活，而不通過鈣調(diào)素的作用。CDPK家族有四種類型，分別是CDPK關(guān)聯(lián)蛋白激酶家族（CRKs）、鈣調(diào)素與鈣依賴蛋白激酶家族（SnRKs）、依賴鈣調(diào)素蛋白激酶家族（CaMKs）和鈣依賴蛋白激酶家族（CDPKs）[2]。CDPK的活性只表現(xiàn)在與鈣離子結(jié)合之后，其通過底物磷酸化向下游傳遞信號。植物細胞中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有如下幾種可能的與CDPK相關(guān)的底物：結(jié)瘤素、質(zhì)膜質(zhì)子泵、K+/Cl-內(nèi)流通道、Ca2+-ATPase、水孔蛋白等。Milla等[3]在2006年獲得擬南芥AtCPK4、ATCPK11的作用底物AtDi19，AtDi19只與這兩種蛋白結(jié)合，是AtDi家族蛋白之一，與植物脅迫相關(guān)，其在與其他AtCPK家族成員的結(jié)合中表現(xiàn)很弱甚至不結(jié)合。由此可見，CDPK主要通過對底物的調(diào)節(jié)，形成多個下游支路，將信號放大，從而完成傳遞信號的作用。

1 CDPK的理化特性及結(jié)構(gòu)特點

CDPK純化后是一種單體酶，其分子量在40kDa到90kDa之間，鎂離子是其主要的輔助因子。CDPKs的結(jié)構(gòu)域有四個，N端至C端分別為可變、催化、連接和調(diào)控4個區(qū)域[4]。N末端的可變區(qū)中氨基酸長度一般在20～200個不等，且長短不固定，氨基酸水平的同源性不高，保守性差，多數(shù)CDPK的N端含有豆蔻?；稽c，可被豆蔻?；蜃貦磅；?。可變區(qū)比鄰區(qū)域為催化區(qū)，又叫蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，含有300多個氨基酸殘基，Ser/Thr蛋白激酶基因的催化保守序列非常典型，不同種屬間有較高同源性。連接區(qū)緊鄰蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，富含堿性氨基酸，氨基酸殘基僅有20～30個，有CDPK自抑制片段，具有自我抑制的特點，是CDPK功能區(qū)中相對穩(wěn)定的，可作為假底物，因此又稱自抑制區(qū)。自抑區(qū)由于其含有雙元保守區(qū)，與蛋白質(zhì)的核定位相關(guān)。催化區(qū)在Ca2+的濃度明顯降低時會結(jié)合連接區(qū)，激酶活性受到抑制。Ca2+的結(jié)合區(qū)即為調(diào)控區(qū)，含有一段與CaM相似的氨基酸序列，包括4個EF手型結(jié)構(gòu)，能夠與Ca2+結(jié)合，引起蛋白結(jié)構(gòu)變化，自抑制解除，CDPK被激活[5]。

2 CDPK生物學功能

CDPK的生物學功能已被廣泛研究，主要功能如下。

2.1參與激素信號調(diào)節(jié)

激素的變化可導致細胞內(nèi)Ca2+濃度發(fā)生改變，在激素向下游傳遞信號時，CDPK的重要作用得以凸顯。研究表明，赤霉素、脫落酸、油菜素內(nèi)脂、吲哚-3-乙酸和細胞分裂素可以誘導CDPK的轉(zhuǎn)錄水平。經(jīng)赤霉素處理過的水稻種子，其CDPK活性提高10倍。被油菜素內(nèi)酯處理的水稻幼苗，其CDPK活性明顯提高。

2.2參與植株生長和發(fā)育的調(diào)控

Ca2+在植物生長發(fā)育中具有明顯調(diào)節(jié)作用。在BY-2細胞中，滲透脅迫和氧化應(yīng)激可以增加細胞內(nèi)鈣的水平，這導致細胞周期的延遲。大量實驗表明，CDPK真正參與早期發(fā)育階段，在檀香體細胞，胚乳和幼苗中CDPK均有積累。在研究蒺藜苜蓿的實驗中，通過RNAi沉默技術(shù)使CDPK1低表達，導致植物根細胞長度降低，說明CDPK1參與到根系的發(fā)育。在種子發(fā)育過程中，水稻的OsCDPK11和OsCDPK2表達模式不同。OsCDPK11在早期水稻種子中發(fā)育水平高，受精后的10天表達水平降低，相反，OsCDPK2在水稻種子發(fā)育初期表達量較低，種子發(fā)育中期表達量不斷增加，種子發(fā)育后期表達量達到最高[6]。

2.3參與脅迫應(yīng)答和抗逆性

通過對水稻、擬南芥和其他植物的研究顯示，27個水稻CDPK成員和34個擬南芥CDPK成員，其多數(shù)與應(yīng)激信號轉(zhuǎn)導相關(guān)。在鹽脅迫和干旱脅迫條件下，擬南芥AtCDPK1和AtCDPK2的表達增加顯著。10天左右的水稻幼苗OsCPK7的表達量低，經(jīng)鹽處理后轉(zhuǎn)錄水平增加。CPK7表達量特別高的轉(zhuǎn)基因水稻，對于逆境環(huán)境的適應(yīng)能力也較高。在擬南芥中AtCPK10和AtCPK30參與脫落酸以及非生物脅迫的信號轉(zhuǎn)導。 Urao等研究發(fā)現(xiàn)，高鹽環(huán)境、干旱環(huán)境，AtCDPK1與AtCDPK2基因轉(zhuǎn)錄水平均顯著上調(diào)[7]。

2.4參與氣孔運動的調(diào)節(jié)

當植物受到ABA誘導時葉片氣孔關(guān)閉，鈣離子會對質(zhì)膜前導鉀通道活性進行抑制，導致鉀離子流出量增加。開放過程使離子達到平衡狀態(tài)，CDPK介導的Ca2+參與反應(yīng)。其中，干旱條件下，ABA濃度增加，導致細胞膜上的Ca2+濃度增加，激活了CDPK，CDPK進而抑制脂膜上內(nèi)向K+通道，并且作用液泡膜上的K+通道，使K+向胞外流出，從而達到離子平衡。例如，當有Ca2+時，擬南芥的CDPK成員AtCPK1可以激活蠶豆保衛(wèi)細胞質(zhì)膜上的Cl-通道[8]。

2.5調(diào)節(jié)植物細胞骨架

保持組織和細胞的結(jié)構(gòu)是植物細胞骨架的主要功能。 Putnam-Evans 等[9]的研究表明，CDPK參與肌動蛋白合成的聚合體影響植物節(jié)間和花粉管快速生長，部分CDPK成分可以組合形成聚合物和肌動蛋白微原纖維。 Moutinho 等[10]發(fā)現(xiàn)當花粉管快速生長時，頂端活躍生長細胞中CDPK濃度更高。當花粉管開始伸長時，擁有較高濃度的CDPK使其伸長速度也更快。 研究發(fā)現(xiàn)，CDPK對細胞器的運動和調(diào)控胞質(zhì)環(huán)流均有重大影響。

2.6參與離子調(diào)節(jié)和水分跨膜轉(zhuǎn)運

關(guān)于水分跨膜轉(zhuǎn)運和離子調(diào)節(jié)的報告已有很多，參與CDPK調(diào)節(jié)的蛋白有很多種，包括液泡膜表面水通道蛋白、質(zhì)膜K+通道、H + -ATPase 、液泡膜上的陰離子通道、玉米根尖部位質(zhì)膜的33kD和58kD蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的ACA2Ca2+-ATPase[11]。因此，水通道蛋白以及離子通道蛋白在數(shù)量，活性和分布上都能夠被CDPK調(diào)節(jié)。CDPK在植物正常生長和逆境環(huán)境中離子和水分運輸上意義重大。

2.7參與植株碳氮代謝

在低滲脅迫過程中，蔗糖磷酸合成酶（SPS）可以被CDPK激活，使得胞內(nèi)蔗糖濃度增加，降低細胞水勢，從而提升細胞的保水能力。黑暗中CDPK也能夠抑制SPS磷酸化，說明由CDPK介導的Ca2+參與到了磷酸化的抑制過程。研究表明CDPK在對植物碳氮代謝上影響重大。

2.8參與應(yīng)對病原微生物侵害的響應(yīng)與防御過程

在不同植物/病原體系統(tǒng)的研究中，已知細胞質(zhì)鈣的流入在由病原體誘導的信號轉(zhuǎn)導級聯(lián)的激活中特別重要。 Avr9的病原體可影響編碼蛋白的重要過程，編碼相應(yīng)蛋白Cf-9不僅誘導信號通路，而且激活NtCDPK2，Cf-9在轉(zhuǎn)基因煙草中過表達，可以大大提高 NtCDPK2基因的轉(zhuǎn)錄[12]，充分證實CDPK在Cf-9/Avr9誘導情況下產(chǎn)生的超敏反應(yīng)中起重要作用。

3 展望

CDPK廣泛分布在植物中、藻類和原生動物中，研究表明，根、莖、葉、花、種子等植物器官上均存在CDPK基因，在細胞水平上，花粉、保衛(wèi)、分生、胚細胞和木質(zhì)部也都證明了CDPK的存在。亞細胞水平如液泡膜、質(zhì)膜、線粒體外膜等也都發(fā)現(xiàn)其存在跡象。自1982年CDPK第一次在豌豆莖中發(fā)現(xiàn)，其抗逆機制深深吸引人們來探索，研究人員對CDPK基因的研究也隨之深入，目前已知擬南芥有34個CDPK成員，其中AtCPK10、AtCPK11參與鹽堿、干旱脅迫應(yīng)答，AtCPK8、AtCPK10的超表達能夠顯著提高植物抗旱性，AtCPK27在鹽堿脅迫應(yīng)答中發(fā)揮作用。CDPK在水稻中有31個成員，其中OsCPK7與水稻耐鹽性和耐冷性正相關(guān)，OsCPK21使水稻耐鹽堿性增強，OsCPK12正向調(diào)控水稻耐鹽性，參與ABA信號途徑，與此同時，與水稻瘟病抗性負相關(guān)[13]。陳飛[14]等推測出蘋果26個CDPK成員，分為4個亞家族，其亞家族分類與擬南芥亞家族分類一致。張進[15]等推測出楊樹32個CDPK基因和10個CRK基因成員。目前由于生態(tài)環(huán)境破壞非常嚴重，土地鹽堿化、沙漠化日益擴大，人們希望通過培育抗逆性強的植物來解決上述問題。伴隨著基因遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，CDPK參與干旱、鹽堿等非生物脅迫，參與基因信號轉(zhuǎn)導均已被證實，超表達的CDPK通過對轉(zhuǎn)基因植物下游基因的誘導表達，提高植物在應(yīng)對鹽堿、干旱、低溫等環(huán)境中擁有更強抵御能力。CDPK基因在植物抗逆基因工程中的應(yīng)用必將更廣泛。

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作者簡介：費小鈺，碩士，研究方向：植物生物化學與分子生物學。