植物调控盐胁迫下离子动态平衡

陈鹏程　顾志敏

摘要 在盐胁迫下，植物在细胞质溶胶中维持高浓度的K+和低浓度的Na+。植物通过调控K+和Na+转运蛋白和为这些转运蛋白提供转运动力的H+泵蛋白活性及其表达量来维持。尽管盐胁迫感受器蛋白仍不清楚，但是已明确鉴定其信号转导的一些中介化合物。迹象表明，一类蛋白激酶化合物SOS3和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶SOS2能够被盐胁迫引起的钙信号激活。其CBL/CIPK复合物随后磷酸化和激活多种离子转运蛋白，例如位于细胞膜上的Na+/H+反转运蛋白SOS1。

关键词 转运蛋白；丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶；钙信号；SOS1

中图分类号 S188+.1；Q945.78 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-016-03

Abstract Under salt stress，plants maintain a high concentration of K+ and a low concentration of Na+ in the cytosol.They do this by regulating the expression and activity of K+ and Na+ transporters and of H+ pumps that generate the driving force for transport.Although saltstress sensors remain elusive，some of the intermediary signaling components have been identified.Evidence suggests that a protein kinase complex consisting of the myristoylated calciumbinding protein SOS3 and the serine/threonine protein kinase SOS2 is activated by a saltstress elicited calcium signal.The protein kinase complex then phosphorylates and activates various ion transporters，such as the plasma membrane Na+/H+ antiporter SOS1.

Key words Transporters； Serine/threonine protein kinase； Calcium singal； SOS1

細胞内离子浓度动态平衡对活细胞发挥正常生理功能非常重要。适当的调控进出细胞的离子流量对细胞维持低浓度具有毒害作用离子和积累必须离子十分重要。植物细胞采用H+ATPases调控的初级主动运输蛋白和离子通道和共转运蛋白介导的次级转运蛋白来维持细胞质中典型的高浓度的K+和低浓度的Na+。细胞内K+和Na+的动态平衡对细胞质中多种酶活性非常重要，并且对维持细胞膜电势和一个适宜的渗透压从而调控细胞体积也非常重要。

在盐胁迫下，维持K+和Na+动态平衡显得更加重要。因而，调控盐胁迫信号转导中的离子转运蛋白来理解植物细胞整体水平调控离子动态平衡提供一个模型案例。Na+胁迫阻断根K+吸收[1]。当Na+进入细胞且积累到较高浓度，它将对细胞质中的酶产生毒害作用。为了预防生长中止或细胞死亡，多余的Na+将被挤出细胞或隔离进入液泡中。不像动物细胞，植物细胞没有Na+ATPases或Na+/K+ATPases，并且植物细胞仅依赖H+ATPases和H+焦磷酸酶产生质子动力。它能够推动离子运输和新陈代谢[1]。许多H+、Na+和K+转运蛋白被鉴定出来。控制转运蛋白表达和活性的调控机制开始被阐明。笔者综述了植物调控盐胁迫下离子动态平衡，以期了解细胞通过盐胁迫信号转导调控植物Na+转运。

1 植物感受盐胁迫

植物细胞可以感受到高渗透压和盐胁迫的特定离子信号。虽然在Na+转运调节中特定离子信号比高渗透压更重要，但是渗透胁迫也起一定作用（图1）。渗透胁迫激活ABA的合成，使得编码液泡Na+/H+交换器的AtNHX1转录上调[2]。伸展激活的通道和跨膜蛋白激酶如组氨酸激酶[3]和细胞壁相关激酶[4]可以部分感受到盐胁迫。目前，尚缺乏这些蛋白在植物盐胁迫响应中作用的遗传学证据。

对于Na+在细胞中被感知的报道很少，理论上Na+在进入细胞前后都可以被感受到。细胞膜受体可以感受到细胞外的Na+，而细胞内的Na+则可以被细胞膜蛋白或细胞质内的许多对Na+敏感的酶。质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白SOS1（Salt overly sensitive 1）可能是一个Na+感受器[5]。SOS1蛋白有10～12个跨膜结构域和一个推测位于细胞质中的超过700个氨基酸的长尾巴[5]。SOS1 有Na+/H+交换器活性。这些转运活性对拟南芥细胞的Na+外排是必要的[6-7]。SOS1的长的细胞质尾巴表明这个蛋白并不是仅仅转运Na+，还可以感受Na+。许多带有长的细胞质尾巴或环的转运蛋白都被证明是Na+感受器。例如，酵母中的葡萄糖转运蛋白Snf3（Sucrose nonfermenting 3）和Rgt2 （Regulator of glucose transporter 2）分别作为低浓度和高浓度的葡萄糖感受器[8]。虽然酵母蛋白Snf3和Rgt2没有明显的葡萄糖转运活性。对其他蛋白的研究表明，感受和转运没有相互独立的功能。例如，大肠杆菌中的糖通透酶BglF既可以感受又可以转运β糖苷[9]。酵母中的铵基转运器Mep2p既可以感受铵基，又可以将它转运进细胞，起始调节纤维生长的营养信号[10-11]。所以，SOS1也可能是Na+的感受器和转运器。

2 Na+进入植物细胞

植物细胞質膜巨大的负电位有利于Na+进入细胞的主动转运。Na+细胞通过高度亲和性的K+转运子HKT1[12-13] 和非选择性阳离子通道[14]进入细胞。此外，在一些植物种类中如水稻，通过非质体排入蒸腾流的Na+为进入细胞Na+的主要部分[15]。通过非质体途径摄取Na+受到植物根发育和细胞壁上二氧化硅沉积的影响。控制这个非选择性阳离子通道的细胞特性还不明确。非选择性阳离子通道介导的Na+流对Ca2+部分敏感。这个特性与植物根中Ca2+抑制Na+进入细胞有着 一一对应的关系[16] 。Ca2+是直接地还是不直接地通过细胞内调节蛋白调控非选择性阳离子通道的活性还尚不清楚。

拟南芥中的AtHKT1蛋白在异源系统如非洲爪产出卵母细胞和酵母中的表达可以介导Na+流动[17]。在对盐高度敏感的拟南芥突变sos3的抑制突变中，鉴定出AtHKT1的等位基因[12]。sos3突变体中athkt1的抑制表达是由Na+积累减少造成的。在小麦中，K+Na+共转运转运子HKT1在高盐条件下也可以发挥Na+流动的功能[18]。在野生型细胞中，AtHKT1对Na+流动活性可能受到SOS3（钙结合蛋白）和SOS调控途径的其他组成部分的负调控（图1）。或者，SOS途径可能不调控AtHKT1。athkt1的抑制作用可能仅仅是由于Na+进入细胞减少而产生的。为什么像AtHKT1之类对Na+进入细胞具有毒性的Na+流转运子在进化过程中被保留下来是一个有趣的问题。athkt1突变体没有明显的生长发育缺陷。在组织培养基中，它们比野生型有对Na+更强的耐受性，但是在土壤中生长条件下更加敏感。AtHKT1在盐碱地中的基本特征可能可以用它潜在的对Na+从根和茎之间的长距离转运功能来解释[13]。

3 植物细胞Na+外排作用

由于Na+从一个细胞转运出去会对相邻细胞造成影响，多细胞植物的Na+溢出不明显，Na+排出的作用在特定组织和整株植物都有存在。在拟南芥中，Na+溢出是由于质膜上SOS1编码的Na+/H+逆向转运蛋白催化而成[6-7，19]。在盐胁迫植株中才可以检测到SOS1活性[6]。电中性的Na+/H+转换器特异性转运Na+，而不能转运Li+或K+[6.20]。在所有组织中都能检测到SOS1启动子的活性，但是根表皮细胞特别是根尖表皮细胞和植株维管组织细胞中活性最高[19]。SOS1表达模式和sos1突变体植株离子分析结果表明，SOS1有多重作用，是Na+排出进入根的介质，降低细胞质中Na+积累速率，从而延长积累时间，控制从木质部和韧皮部卸载Na+，并载入根到叶中的Na+转运。SOS1在长途转运中的作用对于调节Na+溢出和叶中Na+液泡隔离有重要意义。拟南芥转基因植株SOS1表达的增加会提升植株对盐的耐受性[21]。

在盐胁迫下，SOS1的转录水平上调[5]。这个上调是转录后水平的。由于在盐胁迫下SOS1启动子活性没有上调，但是花椰菜花叶病毒35S启动子启动的SOS1的表达上调[21]。SOS1部分在SOS2 和SOS3的控制下表现盐胁迫上调[5]。质膜细胞膜上的H+ATP酶为SOS1Na+转运提供驱动力。在拟南芥AHA4突变体中，根部-内皮层-特定等离子体-细胞膜H+ATP酶的破坏导致盐敏感性上升[22]。在盐胁迫下，H+ATP酶的转录水平上升[23]。拟南芥H+磷酸化酶AVP1过表达可以提高植株对盐和干旱的耐受力[24]。SOS3和SOS2是否参与这个调节过程不得而知。

盐胁迫下，SOS1激活Na+/H+逆向转运蛋白的活性是由SOS3和SOS2控制的[6-7]（图1）。SOS3是一个豆蔻酰化钙结合蛋白，在盐胁迫下可以感受细胞内释放的钙信号[25-26]。SOS2是一个丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。它有一个特殊的C端调控结构域和一个和酵母蛋白SNF1、哺乳动物AMPK类似的N端催化结构域[27]。SOS2的N端激酶催化结构域与C端调控结构域互作[28]。SOS2的C端调控结构域与SOS3互作，并且这个互作是由于FISL基序的21个氨基酸序列调节的[28]。在钙存在的情况下，SOS3会激活底物SOS2的磷酸化[29]。FISL基序是自抑制。它的缺失会导致SOS2激活[30-31]。

4 植物细胞Na+隔离作用

Na+的液泡隔离作用不仅降低细胞质中Na+浓度，而且有助于渗透调校，从而维持植物高盐溶液下水分的吸收。其他细胞器如原质体和线粒体也可能积累一些Na+，因此总体上有助于Na+的隔离作用。在拟南芥中，AtNHX家族的Na+/H+反转运蛋白具有隔离Na+的功能[31]。AtNHX1和AtNHX2都位于液泡膜上，并且它们的转录量能够被ABA和渗透胁迫上调[32]。在盐胁迫下H+ATPases复合物的转录量也上调[33]。AtNHX1在多种植物[34]中过量表达都被报道能够在很大程度上增强植物的盐耐受能力。

拟南芥sos1、sos2和sos3突变体都不损害盐胁迫调控的AtNHX1的表达[35]。然而，导致ABA合成缺陷或abi1（不包括abi2）突变体在盐胁迫下部分损害AtNHX1的表达[32，36]。这意味着一种SOS非依赖性的但依赖ABA的途径调控着盐胁迫下液泡反转运蛋白的表达（图1）。然而，SOS途径可能调控液泡Na+/H+方转运蛋白的活性[37]。

5 细胞中K+动态平衡

细胞质高K+/ Na+比对维持细胞代谢是至关重要的。在盐胁迫下，Na+ 和K+以互相竞争的方式进入根部细胞。在盐胁迫下，K+转运器基因的表达水平下调或上调，可能反映在盐胁迫下不同植物对K+吸收能力的差异。盐胁迫增加了拟南芥根部K+转运器基因AtKC1的转录水平[38]。在冰叶日中花植物中，KMT1 （1个 AKT/KAT家族成员）和不同的HAK/KUP（高亲和力K+转运器或K+吸收转运器）类型基因表达上调，然而MKT1（另外一个AKT/KAT家族成员）的表达下调[39-40]。由于转运器特点和体内转运器的角色不清楚，这种转录水平调节的重要性很难确定。蛋白激酶[41]和磷酸化酶[42]调节K+通道的活性。然而，盐胁迫通过这些或其他的蛋白激酶和磷酸化酶来调节K+吸收转运器的活性还不得而知。利用来自赤桉的2个HKT1的同系物，发现一个新颖的活性调节模式[43]。这些Na+/K+共转运器在爪蟾卵母细胞中表达，有内在的渗透感受能力。Na+ 和 K+转运器活性由于降低细胞外的渗透液浓度而得到提高。

擬南芥sos突变体在低K+限制条件下表现生长缺陷[44]。Athkt1突变体抑制了盐超敏，sos3突变体K+获得缺陷[12]。SOS信号途径可能是间接的。sos突变体Na+溢出缺陷可能导致细胞质Na+过多，从而抑制K+吸收转换器如AKT1的活性（图1）。在低K+限制条件下，尽管生长在有足够NaCl的介质中，sos突变体细胞质Na+的抑制水平上调。

6 结论

在许多植物中，发现多种H+、K+和Na+转运蛋白。现已明确了盐胁迫调控这些转运蛋白的表达和活性。有证据表明，SOS途径在胁迫一些转运系统中发挥着重要的作用。未来的工作应针对那些还没有确定的盐胁迫感受器蛋白的发现方面和鉴定额外的信号转导化合物。它调控着盐胁迫下离子转运蛋白的表达和活性。

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