周子馨，蘭海燕

(新疆大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 新疆生物資源基因工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

鈣離子作為植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的第二信使，其游離態(tài)幾乎參與植物的所有生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程[1].而作為鈣離子信號(hào)響應(yīng)元件的CDPK是一類鈣依賴的蛋白激酶，它通過(guò)磷酸化作用將信號(hào)傳遞給下游組分并引起相關(guān)基因的表達(dá)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及多種脅迫響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮積極作用[2].CDPK信號(hào)途徑與逆境應(yīng)答密切相關(guān)，目前對(duì)CDPK基因和蛋白的研究較為深入，但對(duì)其互作組分及功能的研究比較有限.本文基于前人的相關(guān)研究進(jìn)展，對(duì)植物CDPK信號(hào)途徑及其互作組分的生物學(xué)功能進(jìn)行綜述，以期為相關(guān)研究提供借鑒.

1 CDPK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

1.1 CDPK是重要的Ca2+感受器

植物細(xì)胞中的多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑均依賴信號(hào)分子進(jìn)行信息交流，包括鈣離子、脂質(zhì)小分子、cAMP（cyclic adenosine monophosphate）、cGMP（cyclic guanosine monophosphate）等，其中游離的鈣離子作用范圍最廣[3].Williamson和Ashley[4]對(duì)海藻細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)的研究首次發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)游離的Ca2+可能對(duì)細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)具有重要作用.植物細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度受到多種鈣結(jié)合蛋白的調(diào)控，如鈣調(diào)素（Calmodulin，CaM）、類鈣調(diào)神經(jīng)素B亞基蛋白（Calcineurin B-like Proteins，CBLs）、CDPKs等[5].CaM是最典型的鈣結(jié)合蛋白，它作為鈣信號(hào)的“應(yīng)答感受器”能迅速響應(yīng)胞質(zhì)中鈣離子濃度變化，并維持胞內(nèi)鈣離子的穩(wěn)態(tài)[6].CaM和CBL以無(wú)激酶活性的形式存在，只在結(jié)合Ca2+后被激活進(jìn)而與靶蛋白相互作用并使其磷酸化，從而調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育或響應(yīng)逆境脅迫[7?8].CBL能與其特定的作用底物CIPKs（CBL-interacting protein kinases）形成CBL-CIPKs信號(hào)系統(tǒng)，在Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮重要作用[8].

CDPKs是最具特點(diǎn)的新型Ca2+傳感器，同時(shí)具有Ca2+結(jié)合活性和激酶活性[5]，能夠直接結(jié)合胞質(zhì)中的Ca2+，將鈣信號(hào)轉(zhuǎn)化為磷酸化反應(yīng)[5,9].外源添加Ca2+時(shí)，擬南芥AtCPK12能夠磷酸化轉(zhuǎn)錄因子ABF1（ABA-responsive element-binding factor 1）、ABF4以及蛋白磷酸酶2C（PP2C），而無(wú)外源Ca2+時(shí)則不發(fā)生磷酸化作用[10].CDPK信號(hào)通路在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中參與多種細(xì)胞活動(dòng)，包括初級(jí)代謝、次級(jí)代謝、應(yīng)激反應(yīng)、離子和水的運(yùn)輸以及轉(zhuǎn)錄和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等過(guò)程[11]，但不同CDPK具有不同的內(nèi)源底物，因而在信號(hào)傳遞過(guò)程中發(fā)揮不同的生物學(xué)功能.

1.2 CDPK通過(guò)磷酸化傳遞信號(hào)

在外界信號(hào)刺激下，植物胞質(zhì)游離Ca2+濃度變化激活CDPKs，將鈣信號(hào)級(jí)聯(lián)放大并作用于下游組分，經(jīng)磷酸化或自磷酸化作用使植物產(chǎn)生各種生理響應(yīng)[12].大量實(shí)驗(yàn)證明CDPK的N端可變區(qū)存在許多自磷酸化位點(diǎn)[13]，對(duì)其在細(xì)胞內(nèi)的定位、底物特異性結(jié)合以及蛋白質(zhì)之間的相互作用有重要影響[14].煙草NtCDPK1的N端可變區(qū)6Ser和21Thr的自磷酸化可降低其結(jié)合并進(jìn)一步磷酸化底物RSG（repression of shoot growth）的能力[15].CDPKs的自磷酸化除了作用于Ser/Thr殘基，也存在于酪氨酸殘基上.在大豆GmCDPKβ中首次發(fā)現(xiàn)24Tyr的自磷酸化降低了該蛋白激酶的活性[16].CDPKs的非自磷酸化作用更為普遍，AtCPK12通過(guò)磷酸化轉(zhuǎn)錄因子ABI2進(jìn)而調(diào)控下游組分[10].Lee等發(fā)現(xiàn)NtCDPK1在體內(nèi)磷酸化26S蛋白酶體的調(diào)節(jié)亞基NtRpn3，從而響應(yīng)激素信號(hào)并共同參與細(xì)胞分裂、分化及凋亡等過(guò)程[17].此外，CDPKs還受到上游激酶的調(diào)控，AtCPK11在體外能夠磷酸化AtCPK24，因此，推斷AtCPK11/24可能與MAPKs（mitogen-activated protein kinase）一樣在磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)中發(fā)揮作用[18]，類似的還有NtCDPK2/3[19].

1.3 CDPK廣泛參與脅迫信號(hào)網(wǎng)絡(luò)

生物和非生物脅迫以及一些胞內(nèi)刺激會(huì)引起胞質(zhì)Ca2+水平升高，當(dāng)Ca2+傳感器識(shí)別鈣信號(hào)后進(jìn)一步作用于下游互作蛋白，進(jìn)而引起一系列生理響應(yīng)（見圖1）[20].Ca2+傳感器（CDPKs）能夠直接或間接地調(diào)控下游重要的靶蛋白，如離子通道、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、轉(zhuǎn)錄因子或一些其他信號(hào)通路相關(guān)的蛋白質(zhì)[21].在擬南芥中，AtCPK4/11作為ABA信號(hào)途徑的負(fù)調(diào)控因子發(fā)揮功能，參與種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、氣孔運(yùn)動(dòng)和鹽脅迫耐受等過(guò)程[22].過(guò)表達(dá)水稻OsCDPK7/13/21后，轉(zhuǎn)基因植株對(duì)鹽、旱、冷脅迫的耐受性增強(qiáng)[23?25].除了目前研究較為深入的擬南芥、水稻等植物外，近期通過(guò)植物基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，大部分黃麻（Chorchorus capsularis）CDPKs在鹽、旱脅迫下表達(dá)量顯著增加，表明CDPKs在植物應(yīng)對(duì)不利環(huán)境的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[26].通常多種信號(hào)途徑之間存在交叉作用，例如一些保衛(wèi)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白既是CDPKs的底物，又能作為SnRK2（SNF1-related kinases 2）的底物，這些轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白包括KAT1（Arabidopsis inward rectifier K+channel 1）、SLAC1（slowly activating anion channel）、RBOHs（respiratory burst oxidase homolog）、ABFs等，可能二者作用位點(diǎn)不同[27].CDPKs和MAPK兩種信號(hào)通路間也可能存在交互作用，當(dāng)植物受到刺激后，通常CDPKs和MAPKs均能被激活.例如，當(dāng)番茄(Lycopersicon esculentum)受傷時(shí)，CDPKs和MAPKs能在不同位點(diǎn)磷酸化番茄LeACS2（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase），其結(jié)果對(duì)維持該蛋白的穩(wěn)定是必需的[28].CDPKs與其他信號(hào)途徑協(xié)同作用為植物應(yīng)對(duì)外界脅迫和調(diào)節(jié)自身免疫等方面提供了更多的可能.

圖1 植物細(xì)胞中的Ca2+信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（該圖引自參考文獻(xiàn)[20]，稍作修改）Fig 1 Ca2+ signal regulatory network in plants

2 CDPKs的結(jié)構(gòu)、分類及表達(dá)與定位

2.1 CDPKs的結(jié)構(gòu)

典型的CDPK蛋白結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，包括N端可變區(qū)、Ser/Thr激酶域、自抑制域（連接域）以及類鈣調(diào)素結(jié)合域（見圖2A）[2,5,29].其中，N端可變區(qū)的結(jié)構(gòu)域長(zhǎng)度變化較大，同源性不高，但對(duì)底物的識(shí)別起作用，該結(jié)構(gòu)對(duì)CDPKs的亞細(xì)胞定位及調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育十分重要[5].激酶域具有典型的Ser/Thr蛋白激酶的保守催化序列，在不同物種間同源性較高，替換催化中心附近的氨基酸通常會(huì)降低激酶活性，且可能影響對(duì)底物的特異性結(jié)合[30].自抑制域具有高度保守性，大多由20～30個(gè)氨基酸殘基組成.類鈣調(diào)素結(jié)合域作為Ca2+感受器，通常具有四個(gè)EF手型，分為N端和C端兩部分，C端的鈣親和力高于N端[5,31].在Ca2+濃度較低的靜息狀態(tài)下，C端能夠結(jié)合鈣離子，并與自抑制域相互作用穩(wěn)定蛋白構(gòu)象.與此同時(shí)，自抑制域上的假底物與激酶域上的活性位點(diǎn)結(jié)合阻止進(jìn)一步識(shí)別底物[32?33].當(dāng)Ca2+濃度升高時(shí)，鈣調(diào)素結(jié)構(gòu)域N端也與鈣離子結(jié)合，并與自抑制域相互作用，通過(guò)蛋白構(gòu)象變化使得自抑制域脫離，釋放出激酶域的活性位點(diǎn)[30].此時(shí)，鈣調(diào)素C端與N端可變區(qū)和激酶域的N端結(jié)合，鈣調(diào)素N端靠近激酶域的C端（見圖2B）[29].

圖2 植物CDPKs的結(jié)構(gòu)（A）和激活機(jī)制（B）（該圖引自參考文獻(xiàn)[29]，稍作修改）Fig 2 Structures (A) and activation mechanism(B) of plant CDPKs

2.2 CDPKs的分類

CDPKs是多基因編碼的蛋白家族，迄今為止，在高等植物、原生動(dòng)物、卵菌和綠藻中均發(fā)現(xiàn)該蛋白，但是在動(dòng)物和真菌中尚未報(bào)道[34].隨著植物基因組的測(cè)序以及對(duì)CDPKs的研究不斷深入，不同植物中的CDPK家族成員組成逐漸被揭示，如擬南芥（Arabidopsis thaliana）[35]有34個(gè)CDPKs成員，水稻（Oryza sativa）[36]有31個(gè)，小麥（Triticum aestivum）[37]有20個(gè)，在煙草（Nicotiana tabacum）[38]、玉米（Zea mays）[39]、番茄（Solanum lycopersicum）[40]等植物中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)CDPKs.在高等植物中CDPKs分為四個(gè)主要的進(jìn)化家族(I-IV)，對(duì)擬南芥CDPKs基因家族的34個(gè)成員進(jìn)行進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，第IV家族最早形成一個(gè)單獨(dú)的進(jìn)化枝，第III組與第I、II 組又分別形成一個(gè)進(jìn)化枝，而I組和II組之間的進(jìn)化關(guān)系最近（見圖3），這與Valmonte等[34]得出的結(jié)論一致.值得注意的是，Zhu等[22]發(fā)現(xiàn)第I家族中AtCPK4和AtCPK11兩個(gè)基因同源性很高，具有功能冗余現(xiàn)象.

圖3 擬南芥CDPKs基因家族的進(jìn)化分析Fig 3 Phylogenetic analysis of CDPKs gene family in Arabidopsis thaliana

2.3 CDPKs基因的表達(dá)模式

CDPKs在細(xì)胞、組織、器官中具有多種表達(dá)模式，可能參與特定的信號(hào)途徑.例如，AtCPK17/34只能在花粉中表達(dá)，參與調(diào)控花粉管的生長(zhǎng)[41?42]，而AtCPK3/6在保衛(wèi)細(xì)胞中顯著表達(dá)，參與調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)[43].馬鈴薯StCDPK1受發(fā)育過(guò)程的調(diào)控，在形成塊莖時(shí)表達(dá)[44].CDPKs在種子形成和萌發(fā)過(guò)程中也發(fā)揮重要作用，檀香木CDPKs參與胚胎發(fā)育和種子萌發(fā)過(guò)程[45]，而過(guò)表達(dá)水稻OsCDPK2后會(huì)抑制種子形成，導(dǎo)致發(fā)育提前終止[46].擬南芥AtCPK12在根、莖、葉等多種組織中均表達(dá)，但在干種子中則不表達(dá)[10].AtCPK10在根、莖、葉、花和角果等組織或器官中表達(dá)[47].CDPKs的時(shí)空表達(dá)差異表明其可能參與植物的不同生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，在復(fù)雜的細(xì)胞調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮功能.

2.4 CDPKs蛋白定位與功能的關(guān)系

亞細(xì)胞定位對(duì)于CDPKs識(shí)別底物和確定作用范圍十分重要.CDPKs分布廣泛，包括胞質(zhì)、細(xì)胞核、質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、過(guò)氧化物酶體、脂質(zhì)體等[7,48].其中大部分定位于質(zhì)膜、液泡膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜等部位，這種膜定位是由N端可變域的豆蔻?；稽c(diǎn)（在N端第2位的甘氨酸殘基）和棕櫚?；稽c(diǎn)（在N端第4/5位的半胱氨酸殘基）的酰化作用介導(dǎo)的[5].煙草NtCDPK5定位于細(xì)胞膜，當(dāng)單突變豆蔻?；?、棕櫚?；稽c(diǎn)或兩個(gè)位點(diǎn)雙突變后，導(dǎo)致膜定位功能喪失[49].水稻OsCPK18的N端豆蔻酰化位點(diǎn)突變后，膜定位效應(yīng)喪失[50].AtCPK9蛋白定位于質(zhì)膜，當(dāng)豆蔻?；稽c(diǎn)（在N端第2位的甘氨酸殘基）突變?yōu)楸彼岷?，該蛋白定位于?xì)胞質(zhì)中，同樣也說(shuō)明豆蔻?；稽c(diǎn)對(duì)膜定位的重要性[51].N端豆蔻酰化作用由翻譯后修飾完成并維持蛋白的膜定位，而半胱氨酸殘基上的棕櫚?；目赡嫘詾榈鞍踪|(zhì)在細(xì)胞膜和胞質(zhì)或細(xì)胞核之間穿梭提供了可能[7,19].AtCPK6通過(guò)作用于SLAC1調(diào)節(jié)各種刺激下的氣孔運(yùn)動(dòng)，當(dāng)豆蔻?；妥貦磅；稽c(diǎn)發(fā)生突變后，其穩(wěn)定的膜定位消失，同時(shí)喪失對(duì)SLAC1的調(diào)節(jié)功能，表明AtCPK6的膜定位對(duì)其調(diào)控SLAC1是必需的[52].Kobayashi等[53]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯StCDPK5定位于質(zhì)膜，其N端發(fā)生磷酸化作用后激活底物StRBOHB，但突變其N端的豆蔻?；妥貦磅；稽c(diǎn)后，StCDPK5喪失質(zhì)膜定位和體內(nèi)激活StRBOHB的能力[54]，以上研究表明，CDPK的N端?；饔脤?duì)其膜定位及行使功能十分重要.

3 CDPKs的互作組分及功能

3.1 CDPKs的互作組分

3.1.1 CDPKs對(duì)底物的特異性識(shí)別

CDPKs對(duì)底物特異性識(shí)別受到激酶活性位點(diǎn)和底物磷酸化位點(diǎn)周圍氨基酸序列相互影響[55].煙草NtCDPK1能夠負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子RSG，參與赤霉素的反饋調(diào)節(jié).將其N端可變區(qū)的氨基酸突變（10R-A）后，雖仍具有激酶活性，但結(jié)合RSG的能力和磷酸化作用均降低[56].此外，有研究表明自磷酸化作用可以防止底物過(guò)度磷酸化，改變CDPKs對(duì)底物的偏好.NtCDPK1的自磷酸化作用（6S和21T）降低其對(duì)RSG的親合力，同時(shí)降低了磷酸化效率[15].結(jié)構(gòu)域刪除和交換實(shí)驗(yàn)表明，N端可變結(jié)構(gòu)域在底物特異性識(shí)別過(guò)程中具有至關(guān)重要的作用[56].替換NtCDPK1和AtCPK9（二者同源性較高）的N端可變域，發(fā)現(xiàn)NtCDPK1的N端可變域賦予AtCPK9結(jié)合RSG的能力和激酶活性[56].煙草NtCDPK2和NtCDPK3結(jié)構(gòu)域交換實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，磷酸化作用僅由各自的N端可變結(jié)構(gòu)域決定[19].值得注意的是，一些CDPKs及底物在細(xì)胞的不同環(huán)境下可能發(fā)揮不同的生理功能.比如AtCPK21/AtCPK23能夠激活保衛(wèi)細(xì)胞離子通道蛋白SLAC1/SLAH3從而促進(jìn)氣孔關(guān)閉[57?58]，但cpk21/cpk23突變體植株也表現(xiàn)出較強(qiáng)的干旱耐受性[59?60].CDPKs的內(nèi)源底物種類眾多，包括轉(zhuǎn)錄因子、熱激蛋白、通道蛋白以及多種酶類，底物的多樣性決定了功能的多樣性，這些底物在基因表達(dá)、酶代謝、離子和水分的跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)變化等方面均發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[35]，因而CDPKs在植物生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)等過(guò)程中具有重要的生理功能（見表1）.

表1 高等植物中部分CDPKs的作用底物及功能Tab 1 Substrates of some CDPKs and its functions in higher plants

3.1.2 互作的實(shí)質(zhì)及生物學(xué)意義

CDPKs通過(guò)磷酸化調(diào)節(jié)不同底物蛋白的活性，進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)、維持離子平衡和ROS穩(wěn)態(tài)[74].磷酸化是一種普遍的翻譯后修飾，其可直接或間接激活胞質(zhì)內(nèi)的轉(zhuǎn)錄因子，轉(zhuǎn)位進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮作用[55].BZR1（brassinazole resistant1）是BR（brassinolide）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中重要的轉(zhuǎn)錄因子，其定位與磷酸化狀態(tài)緊密相關(guān).GSK3-like蛋白激酶（glycogen synthase kinase-3-like kinase）BIN2通過(guò)調(diào)節(jié)BZR1與14-3-3蛋白的相互作用，誘導(dǎo)BZR1從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，且隨后保留在細(xì)胞質(zhì)中，這一過(guò)程受BIN2磷酸化的直接調(diào)節(jié)[75].BR處理或BZR1的磷酸化位點(diǎn)和14-3-3蛋白的識(shí)別位點(diǎn)發(fā)生突變后促使BZR1轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，進(jìn)而調(diào)控下游BR響應(yīng)基因的表達(dá)[75].煙草NtCDPK1磷酸化轉(zhuǎn)錄因子RSG第114位絲氨酸，促進(jìn)14-3-3蛋白結(jié)合RSG[76]，這種相互作用負(fù)調(diào)控RSG，將其限制在細(xì)胞質(zhì)而不能進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控靶基因.當(dāng)NtCDPK1表達(dá)被抑制后，其磷酸化作用以及從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位均受到影響[77?78].AtCPK32能夠在體外磷酸化ABF4，其磷酸化位點(diǎn)（110S）對(duì)二者之間的相互作用是必需的，過(guò)表達(dá)AtCPK32能通過(guò)影響ABF4進(jìn)而調(diào)控ABA響應(yīng)基因的表達(dá)[63].灰綠藜CgCDPK與轉(zhuǎn)錄因子CgbHLH001能在細(xì)胞膜上發(fā)生相互作用，且體外條件下前者使后者發(fā)生磷酸化，當(dāng)CgbHLH001上預(yù)測(cè)的磷酸化位點(diǎn)（96S）發(fā)生突變后二者相互作用消失，推測(cè)CgCDPK可能通過(guò)對(duì)CgbHLH001的磷酸化促使其轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核，從而調(diào)控下游基因的表達(dá)[67?68].以上研究表明，CDPKs的磷酸化對(duì)其相互作用及發(fā)揮生物學(xué)功能具有重要意義，因此深入研究CDPKs底物的特異性及互作的分子機(jī)制對(duì)于闡明CDPK信號(hào)途徑十分必要.

3.2 互作組分的生物學(xué)功能

3.2.1 參與非生物脅迫的響應(yīng)

CDPKs在響應(yīng)鹽、旱、冷等非生物脅迫過(guò)程中發(fā)揮重要作用，常涉及ABA信號(hào)途徑以及ROS清除等過(guò)程[36].ABA作為植物中的主要激素之一，廣泛參與植物生長(zhǎng)發(fā)育及各種脅迫響應(yīng)過(guò)程.植物細(xì)胞在不利環(huán)境下ABA含量增多，促使植物感知并應(yīng)對(duì)外界刺激.干旱脅迫下ABA依賴的氣孔關(guān)閉是防止水分損失的重要機(jī)制，許多CDPKs參與調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng).AtCPK10與HSP1相互作用，參與ABA/Ca2+信號(hào)對(duì)氣孔保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)向整流型K+通道的調(diào)控[47].AtCPK8通過(guò)AtCAT3抑制保衛(wèi)細(xì)胞的內(nèi)向整流型K+通道而參與ABA/Ca2+調(diào)控的氣孔關(guān)閉作用[73].AtCPK13通過(guò)調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞通道蛋白KAT1和KAT2的表達(dá)減小氣孔開度[79].過(guò)表達(dá)AtCPK32后植株對(duì)ABA信號(hào)更加敏感，導(dǎo)致種子萌發(fā)率降低[63].當(dāng)植物受到脅迫后會(huì)誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生，低濃度的ROS能夠作為信號(hào)分子介導(dǎo)多種反應(yīng)，而過(guò)量的ROS則會(huì)對(duì)細(xì)胞造成氧化損傷.NADPH氧化酶廣泛參與ABA誘導(dǎo)的ROS產(chǎn)生和ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉[48].馬鈴薯StCDPK4/5通過(guò)磷酸化NADPH氧化酶促進(jìn)ROS的產(chǎn)生[80]，擬南芥AtCPK5/6以及AtCPK4/11也具有類似的功能[81].油菜BnaCPK2與NADPH氧化酶RbohD相互作用，共同參與ROS產(chǎn)生并調(diào)控細(xì)胞死亡過(guò)程，過(guò)表達(dá)BnaCPK2導(dǎo)致ROS過(guò)量積累和細(xì)胞死亡[82].在擬南芥中過(guò)表達(dá)AtCPK1后導(dǎo)致NADPH氧化酶Rboh的活性升高[83]，其轉(zhuǎn)基因株系對(duì)鹽、旱脅迫的耐受性增強(qiáng)[84]，并通過(guò)對(duì)底物ORE1（oresara1，衰老的主要調(diào)控因子）的直接磷酸化作用調(diào)控細(xì)胞死亡[85].

3.2.2 參與生物脅迫的響應(yīng)

植物除了應(yīng)對(duì)多種非生物脅迫，還要防御病蟲害等生物脅迫侵害.大量研究表明，在各種植物/病原體互作系統(tǒng)中胞質(zhì)Ca2+流入是病原菌誘導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵早期步驟.植物對(duì)病原體的響應(yīng)通常受病原體編碼的激發(fā)子（如枝孢霉Avr9）和植物編碼的受體（如番茄Cf-9抗性蛋白）之間的相互識(shí)別所激活.Romeis等[38,86]在Cf-9轉(zhuǎn)基因煙草中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cf-9與Avr9互作后激活了CDPK的表達(dá)，并作為抗原誘導(dǎo)反應(yīng)中重要的鈣傳感器發(fā)揮功能.將CDPK基因沉默后發(fā)現(xiàn)植物喪失Cf-Avr誘導(dǎo)的特異性超敏反應(yīng)，表明CDPK對(duì)于介導(dǎo)Cf-9/Avr9誘導(dǎo)的植物防御體系不可或缺[38].AtCPK5/6還通過(guò)調(diào)控乙烯生物合成酶ACS基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)乙烯的產(chǎn)生，從而應(yīng)對(duì)灰霉病感染[87?88].在擬南芥葉細(xì)胞中，細(xì)菌激發(fā)子flg22（a 22 amino acid peptide of flagellin）能夠瞬時(shí)激活多個(gè)CDPKs的活性，如AtCPK4、AtCPK5、AtCPK6 和AtCPK11，它們可作為早期轉(zhuǎn)錄過(guò)程的信號(hào)調(diào)節(jié)器[81].突變其中某些基因后（如cpk5 cpk6雙突變體；cpk5 cpk6 cpk11三突變體；cpk4 cpk5 cpk6 cpk11四突變體），早期ROS產(chǎn)生減少，表明這4個(gè)基因共同調(diào)控flg22介導(dǎo)的ROS損傷及對(duì)病原菌的防御，提示CDPKs在PAMP（pathogenassociated molecular patterns）信號(hào)途徑中起重要作用[81].對(duì)17個(gè)擬南芥CPK單突變體進(jìn)行遺傳篩選發(fā)現(xiàn)，cpk3和cpk13突變體中草食動(dòng)物誘導(dǎo)的植物防御素基因PDF1.2的表達(dá)量顯著降低；CPK3/13在體外能夠磷酸化轉(zhuǎn)錄因子HSFB2a，且在煙草葉片中瞬時(shí)表達(dá)后能進(jìn)一步激活PDF1.2的表達(dá)[65].不僅如此，AtCPK3還參與多種防御途徑，是植物響應(yīng)真菌及其他病害的必需組分[89]，如激活狀態(tài)下的AtCPK3通過(guò)磷酸化Rem1.3（Remorins）上的74S/86T/91S位點(diǎn)抑制病毒PVX（potato virus X）的細(xì)胞增殖[90].

4 展望

CDPKs作為植物中重要的蛋白激酶，在識(shí)別Ca2+信號(hào)后通過(guò)對(duì)底物的磷酸化參與多種信號(hào)途徑的調(diào)節(jié)，從而發(fā)揮重要的生物學(xué)功能.本文從CDPKs對(duì)Ca2+信號(hào)的敏感性、結(jié)構(gòu)和分類、表達(dá)模式和亞細(xì)胞定位以及互作蛋白的功能等不同方面，綜述了CDPKs通過(guò)蛋白磷酸化傳遞Ca2+信號(hào)從而調(diào)控植物細(xì)胞代謝并響應(yīng)環(huán)境脅迫的機(jī)制.盡管很多CDPKs在體外能磷酸化各種蛋白底物，但CDPKs磷酸化作用的具體機(jī)制，包括CDPKs與其底物相互作用的實(shí)質(zhì)及生物學(xué)意義、磷酸化與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的相關(guān)性等方面還有待深入探索.鑒定植物CDPKs的內(nèi)源底物并分析其特異的調(diào)控功能將為研究CDPKs信號(hào)途徑的作用機(jī)制提供新的證據(jù)，并為改良農(nóng)作物奠定科學(xué)理論基礎(chǔ).