水稻富亮氨酸类受体蛋白激酶参与外界胁迫应答的研究进展

邵瑛瑛+魏宇桑+周露等

摘 要：水稻是我国重要的粮食作物，随着外界环境条件的恶化和降水的减少，水稻生产遭到严重威胁。植物类受体蛋白激酶作为一种对植物生长发育激素信号转导以及生物与非生物胁迫反应中具有重要调控功能的膜蛋白，目前已成为研究的热点之一。该文对富亮氨酸类受体蛋白激酶的结构和功能以及水稻富亮氨酸类受体蛋白激酶家族与外界环境胁迫的关系进行了综述，以期为探究水稻LRK基因家族与外界环境关系提供参考。

关键词：水稻；富亮氨酸类受体蛋白激酶；非生物胁迫；生物胁迫

中图分类号 S511 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）19-15-04

Study Progress of the Leucine-rich Receptor Like Kinase Involve in the Stress Rsponse in Rice

Shao Yingying et al.

（College of Chemistry and Life Sciences，Zhejiang Normal University，Jinhua 321004，China）

Abstract：Rice is an important food crop in China. However，with the expanding of the world's land salinization scope，decreasing of the precipitation，and the aggravating of the pest and disease damage，the product of rice was threatened severely. Plants receptor protein kinase，as a kind of membrane protein，which plays an important role in adjusting transduction process of the plant growth hormone signal and the stress response of biological and non-biological. Therefore，it aroused wide attention and has got some research results. In this paper，I will have a brief summary of the stucture and function of the leucine-rich repeat receptor-like kinases（LRKs）as well as the relationship between rice leucine-rich repeat receptor-like kinases family and the environment stress. And I hope it can provide some reference for this experiment in researching the relationship between the rice LRK gene family and resistance in rice.

Key words：Rice；Leucine-rich repeat receptor-like kinases；Non-biological stress；Biological stress

类受体蛋白激酶（receptor-likeprotein kinase，RLK）是一类定位于高等植物质膜上的蛋白激酶，其主要包括胞内激酶域（cytoplasmicprotein kinase domain）、胞外结构域（extracellular domain）和跨膜结构域（transmembran domain）[1]，属于蛋白激酶的亚家族之一[2]。这类蛋白激酶的分子结构和功能类似动物受体蛋白激酶[3]，并且绝大多数尚未鉴定出其配基[4]。RLK是植物体内普遍存在的一类蛋白激酶，是多种信号识别传递途径中的关键组分，作为质膜受体能够感受外界刺激，通过磷酸化作用参与胞内信号传递。其中富亮氨酸重复类受体蛋白激酶（leucine-rich repeat receptor-like kinases）是植物中已知的最大的一类跨膜类受体蛋白激酶，研究表明，拟南芥中约有600个类受体蛋白激酶[5]，作为单子叶模式植物的水稻基因组中LRK数量大约是拟南芥的2倍[6]，其在植物生长发育激素信号转导以及胁迫反应中具有重要的调控功能。

1 植物体类受体蛋白激酶的结构及分类

1.1 LRK的结构 植物LRK的氨基酸序列具有高度保守性，具有二叶状（bilobal）结构[7]，由单次跨膜域、胞外结构域和胞内激酶域3个部分组成。

1.1.1 胞外LRR域 胞外LRR域由3～27个重复的LRR基序构成，每个基本序列都有保守序列lxxlxxlxxlxlxxnxlvgxip，其特异性是由在保守区内的可变氨基酸所决定的。一个LRR单元都含有一个α-螺旋和一个β折叠，它们之间是平行的关系，而这种平行关系都是对于一条轴而言的，这种独特的结构使LRR区域形成一个半桶形[8]。胞外结构域主要负责与胞外的小分子、离子等信号分子特异性结合，通过激活胞内激酶域磷酸化活性来完成跨膜信号传递的功能[9]。

1.1.2 单次跨膜域 单次跨膜域是细胞内外联系的通道，它包含22～28个氨基酸，起到将外界信号传递到胞内区的作用，是信号传递的工具[10]。

1.1.3 胞内域 类受体蛋白激酶的胞内域由激酶域、上游胞内近膜域和下游C末端域3个部分构成。其中激酶域由11个高度保守的亚结构域构成，而其余2个区域的保守性相对较差。胞内近膜域在激酶的激活上起着不可缺少的作用，而目前对于C末端域的研究较少，磷酸化位点是激酶结构域的重要特征。对于磷酸化残基的分类有丝氨酸/苏氨酸型和酪氨酸型2种，迄今在植物中所发现LRR类受体均属于丝氨酸/苏氨酸型[9-10]。

1.2 LRKs对植物生长发育与激素调节的作用

1.2.1 参与植物生长发育 植物生长和发育主要是通过接受来自未来的信号与启动相应的发育基因所决定的。研究证实CLV（CLAVATA）含有3个同源基因基因：CLV1，CLV2和CLV3，参与细胞分裂的调控作用。其中，CLV1是LRR-RLK基因中的典型基因，它由胞外21个亮氨酸结构域、跨膜区和胞内激酶域，其在细胞之间的通讯中起了很大的作用。近年来，在植物的不同部位都发现了蛋白激酶的调节发育作用。如花器官的脱落、表皮细胞特化等[8]，由此可见，LRR在植物的生长发育发育中具有至关重要的调控作用。

1.2.2 参与植物激素的信号传递 LRKs胞外串联排列的LRRs基序能够接受外来的信号，这对于激素的调节有很大的作用。除了细胞分裂素等小分子化合物以外，它还能接受一些小分子多肽类激素的信号。近年来，被称为第六类激素的油菜素类固醇（BR）很受关注。BR能使茎伸长、幼嫩地下组织的细胞膨大，叶弯曲，如果缺少这种物质或者对其缺失应答，植物将会显现出矮小，叶子会呈深绿色等不良性状。BAK1（brassinoliide-insensitive1）一种富含亮氨酸重复序列的膜受体蛋白激酶，在拟南芥中研究证实其能够作为BR受体参与植物激素的信号转导[14-15]。

2 LRK基因与非生物胁迫的关系

水稻作为世界三大粮食作物之一，近50%的世界人口以大米为主食，我国也有近65%的人口以稻米为主食。在世界人口不断增长，耕地面积日益减少，淡水资源不足和盐渍化土地增多的情况下，研究水稻耐盐机制，开发利用耐盐育种水稻新品种，有效管理和利用盐碱土植物资源，对农业发展、粮食安全、生态环境等各方面都有着重要意义[16]。Junga等也发现辣椒的CALRR1可以在高盐、脱落酸（ABA）和伤害等非生物胁迫条件下表达，对这些LRR型受体激酶的深入研究，使对应答逆境胁迫信号转导途径的探索方向更为明确[17]。

2.1 LRK基因与盐胁迫的关系

2.1.1 土壤盐碱化及对水稻的影响 随着经济社会的发展，一些过度利用资源所带来的副产物环境问题正在肆虐，如土地盐碱化作为危害人类生存的重大自然灾害之一，严重影响着水稻的种植。水稻属于中度耐盐作物，曾被作为盐碱地开发的先锋植物，但种植在盐碱地的水稻通常会减产，甚至不能完成生活史[18]。研究发现，盐胁迫会延迟水稻种子萌发和出苗[19]，抑制组织和器官的生长，扰乱其生育过程，而且严重影响水稻光合作用，呼吸作用和物质代谢，造成有毒物质在体内的蓄积。

2.1.2 耐盐水稻的国内外研究进展 Herralde等研究发现盐害是不可修复的[20]，即使去掉坏境中的NaCl，植物受到的盐害症状也不会消失，因此培育高耐盐水稻十分重要。培育耐盐水稻，即充分利用耐盐基因培育出新的水稻耐盐品种，这是提高水稻耐盐性最经济、有效的方法[21]。耐盐育种工作中最重要的途径是利用现代生物技术育种。

2.1.3 LRK基因参与盐胁迫的功能研究 为了深入了解LRK基因在盐胁迫中的生物学功能，许多学者进行了广泛的研究。Lee等发现水稻LRR类受体蛋白激酶OsRLK1能够被低温和盐胁迫诱导表达[22]，说明该基因极有可能在水稻抵抗低温和盐胁迫环境中发挥作用。程彦伟利用Western和免疫组化明确了OsRPK1受盐胁迫诱导，在蛋白质水平证实该激酶为盐胁迫响应蛋白[23]。Xu等从烟草中分离出2个LRK基因：NtLRR1和NtLRR2，并在研究中发现这2个基因都参与了烟草盐胁迫反应的调控过程[24]。余刚等将得到的四翅滨藜LRK基因AcLRR导入到酿酒酵母中，发现其在高盐、干旱、低温等胁迫下的存活率明显高于对照，表明其具有较好的抗盐、抗旱等能力[25]。综合上述实验结果发现，LRK基因会在盐胁迫条件下被诱导表达，并极有可能参与抗盐应答。

2.2 LRK基因与干旱的关系

2.2.1 干旱对植物的影响 干旱是影响很多农作物产量的主要非生物胁迫之一，其不仅影响了作物的产量，而且限制了植物的广泛分布。植物在遭受干旱、低温等逆境胁迫时，会导致体内活性氧产生与清除机制的失衡，引起膜系统损伤，尤其是线粒体和叶绿体的破坏，导致氧化胁迫[26]。寻求抗旱诱导基因能够提高作物抗旱能力和培育抗旱品种打下良好的基础。

2.2.2 干旱对水稻的影响 水稻耐旱性是一个包含发育、生理、生化和分子等多个方面的适应性变化的综合性状，比如根的生长发育的变化、保卫细胞的调控、渗透适应、光合作用的改变、保护性蛋白和抗氧化蛋白的合成等。这些调控途径的复杂性导致人们对它们的了解很少，所以它们仍然是目前研究的焦点[27]。近些年，水稻在耐旱育种方面取得了长足的进展，许多基因已被证实在耐旱中发挥了重要作用，并且实验室测定显示，其中一些基因的遗传转化可以改良水稻抗旱性。Capell等将燕麦精氨酸脱羧酶基因（Arginine deearboxylase，Adc）的水稻转基因株系显示在干旱条件下能够有效的减少叶绿素损失量[28]。

2.2.3 LRK基因参与干旱胁迫的功能研究 目前，已在植物中克隆和鉴定出了高盐、低温和干旱等多个逆境诱导的相关基因。例如，Hong等从拟南芥植株克隆得到RPKI基因，是一种类似受体的蛋白激酶基因，其在植物的根、茎、叶和花中都能够表达，在干旱或高盐胁迫下其表达量明显增高[29]。干旱胁迫会诱导有关特定基因表达，这些基因的表达和调控能使水稻抵御干旱胁迫所带来的伤害。本实验通过超表达过的LRK2转基因水稻，对其进行不同的干旱胁迫处理后测定相应的理化性质，以期证实LRK2参与干旱胁迫的相关功能及初步探明其介导与干旱相关的信号通路。

3 水稻LRK基因家族与生物胁迫的关系

3.1 水稻病害现象 植物在生长发育过程中受到各种外界病原生物的侵扰，病原生物包括病毒、细菌、动物等不同生物类型。虽然植物自身已有较完善的抵御机制，但在自然界和农业生产过程中，植物发生病害的现象经常发生，其中水稻的病害种类较多，主要有稻瘟病（Pyriculariagrisea）、纹枯病（Rhizoctoniasolani）、白叶枯病（Xanthomonaso—ryzae），由于其发生面积较广，流行性强及危害严重，被认为是水稻的3大病害[30]。水稻白叶枯病是是水稻生产上的重要病害之一[31]，该病是由黄单胞杆菌水稻致病变种（Xanthomonas oryzae pv. oryzae，Xoo）引起的一种细菌性维管束病害。水稻一旦发生白叶枯病，轻则减产10%左右，严重的可减产50%～60%[32]，所以人们对水稻枯叶病的研究越来越多。而水稻白叶枯病防治研究的重要内容是对抗性基因的研究，目前已有多个白叶枯菌基因组序列的完成以及水稻抗白叶枯病基因的克隆。人们对水稻抗白叶枯病的研究己经称为间接了解植物与微生物互作关系的一种模式。最近，许多外界所诱导的免疫应答和免疫反应介导的相应基因都与LRR-RLK基因有关，最典型的例子是水稻抗白叶枯病的XA21基因。因此LRK有关基因的研究对水稻白叶枯病抗性机理研究具有重要意义。

3.2 LRK基因关于植物病害的研究 目前，在植物中发现80多个抗病基因，其中多数抗病基因中包含一个LRR结构域。LRR是能够激发直接作用和决定该抗病基因的特异性，其可能参与了对类受体的识别。另有研究表明，LRR结构在其与病原体结合时发挥了重要的作用。而有些抗性基因所编码的蛋白质只有信号肽和LRR区，没有完整的激酶区，例如属于Xa21抗病基因家族的成员之一的X21D[37]。水稻受体激酶Xa21的胞外LRR结构能结合水稻白叶枯病原菌的无毒基因产物，从而使Xa21胞内激酶自磷酸化，产生一系列细胞反应，保护水稻不受该病原菌的侵害[36]。同水稻的Xa有类似结构的BRI1是拟南芥的油菜素内酯（brassinosteroid）的受体激酶，BRI1也是由LRR跨膜区和蛋白质激酶区组成。何祖华等[38]将BR11的LRR区和跨膜结构域与XA21蛋白的激酶结构域融合，并转入水稻悬浮细胞，发现新形成的受体在油菜素内酯的处理下能启动植物的防御反应。以上实验证明：决定下游的信号传导途径的是激酶区，LRR区可能与配体的结合有关，LRR对其配体结合的重要作用（病原体）。但目前已鉴定功能的RLK并不多，所以本实验通过检测野生型水稻与过表达的LRK2基因的水稻对白叶枯病的抗性情况，来进一步探测LRK基因有水稻抗病之间的关系。

4 结语

基于以上所述，本综述着力于水稻富亮氨酸类受体蛋白激酶基因参与外界胁迫应答的研究进展的分析，发现人们对富亮氨酸类蛋白激酶受体作用机制的研究表明：在研究水稻的抗逆性机制、开发利用抗逆性植物资源、培育抗逆性水稻新品种等方面已经取得一定的进展，但利用LRK基因的抗逆性提高水稻耐盐，抗旱，抗病害等抗逆性能力的研究还不深入，这也是以后研究需着力解决的突破点。

参考文献

[1]Hanks H K，Ouinn A M，HunterT.Thein kinase family：conserved feature and deduced phylogeny of the catalytic domains[J].Science，1988，241（4861）：42-52.

[2]NIU J SH.Studies on plant and wheat prote in kinases[J].ActaBot.Boreal.accident.science，2003，23（1）：143-150.

[3]Ullrich，SchlessingerJ.Signal transduction by receptors withtyrosine kinase activity[J].Cell，1990，61（2）：203-212.

[4]Stone JM，Walker J C.Plant protein kinase families and signal transduction[J].Plant Physiol，1995，108（2）：451-457.

[5]MIZUNO S，OSAKABE Y，MARUYAMA K，ITO T，OSAKABE K，SATO T，SHINOZAKI K，YAMAGUCHI-SHINOZAKI K.Recep-tor-like protein kinase 2（RPK 2）is a novel factor controlling anther development inArabidopsisthaliana[J].PlantJournal，2007，50（5）：751-766.

[6]MORILLOSA，TAXFE.Functional analysis of receptor-like kinases in monocots and dicots[J].Curr.Opin.PlantBiol.，2006，9（5）：460-469.

[7]LIU W，BIYP，LI ZH.Research advances on casein kinase I[J].Acta Bot.Boreal.-Occident.Sin.，2008，28（2）：425-432.

[8]马媛媛，甘睿，王宁宁.植物富含亮氨酸重复序列型类受体蛋白激酶的生物学功能[J].植物生理与分子生物学学报，2005，31（4）：331-339.

[9]查笑君，马伯军，潘建伟，等.植物富亮氨酸重复类受体蛋白激酶的研究进展[J].浙江师范大学学报（自然科学版），2010，3.

[10]林彦萍，王义，蒋世翠，等.植物类受体蛋白激酶研究进展[J].基因组学与应用生物学，2015，34（2）：429-437.

[11]冯蕾，张海文，黄荣峰.植物LRR类受体蛋白激酶的研究进展[J].中国农业科学导报，2012，14（6）：43-48.

[12]谭文勃，李玉花，徐启江.植物茎端分生组织中的茎干细胞调控机制[J].植物生理学通讯，2008（4）.

[13]宋丽，李李，储昭庆，等.拟南芥油菜素内酯信号转导研究进展[J].植物学通报，2006（5）.

[14]L ijianming，ChoryJ.Aputativeleucine-richrepeatreceptor ki-ase

[J].Cell，1997，90（5）：929-938.

[15]NamKH，Lijianming. BAI1/BRK1，areceptorkinasepairmediating

brassinosteroidsignalinf[J].Cell，2002，110（2）：203-212.

[16]叶武威，阴祖军，王俊娟.王德龙旱地盐碱地的利用是我国棉花生产发展的必由出路[C].2013.

[17]MONNA L，LIN X，KOJIMA S，et al. Genetic dissection of a genomic region for a quantitative trait locus，Hd3，into two loci，Hd3a and Hd3b，controlling heading date in rice [J].TAG Theoretical and applied genetics，2002，104（5）：772-778.

[18]Junga EH，Junga HW，Lee SC，Hana SW，Heub S，Hwang BK. Identification of a novel pathogen-induced gene encoding a leucine-rich repeat protein expressed in phloem cells of Capsicum annuum[J].BiochimBiophysActa，2004，1676：211-222.

[19]郑英杰.盐胁迫对水稻的影响及水稻耐盐育种研究[J].北方水稻，2013，43（5）：71-74.

[20]Girdhar IK. Effect of sodic water irrigating on the growth development product and chemistry system of rice on the salt soil[J].Salt-alkaline Soil Use，1992（1）：45-50.

[21]Herralde F D，BielC，SaveR，et al. Effect of water and salt stresses on the growth，gas exchange and water relations in Argyranthemumcoronopifoliumplants[J].Plant Sci.，1998，139：9-17.

[22]杨晓慧，蒋卫杰，魏珉，等.提高植物抗盐能力的技术措施综述[J].中国农学通报，2006，22（1）：88-91.

[33]Lee SC，Kima JY，KimaSH，etal.Trapping and characterization of cold-responsive genes from T-DNA tagging lines in rice[J].Plant Sci，2004，166：69-79.

[24]程彦伟，李亮，沈嵘等.水稻 LRR 型类受体蛋白激酶胞外区的原核表达及多克隆抗体制备[J].生物化学与生物物理进展，2008，35（9）：1077-1083.

[25]Xu Z S，Xiong T F，Ni Z Y，et al. Isolation and identification of two genes encoding leucine-rich repeat（ LRR）proteins differentially responsive to pathogen attack and saltstress in tobacco[J].Plant Sci.，2009，176：38-45.

[26]余刚，李敬涛，孙新华，等.四翅滨藜LRR类受体蛋白激酶基因在酵母中的表达及抗逆分析[J].吉林大学学报（理学版），2012，50（6）：1257-1263.

[27]喻力圆，徐锡增.植物逆境生理研究进展[J].世界林业研究，2003，16（5）：6-11.

[28]ZHU J K.Salt and drought stress signal transduction in plants [J].Annual review of plant biology，2002，53：247-273.

[29]Capell T，Escohar C，Liu H，ct al Overexpression of the oat arginine dcearboxylabecDNA in transgenic rice（Oryzasaiiva L.）affects normal development patterns in vitro and results in putresine accumulation in transgenic plants[J].TheorAppl Genet.，1998，97：246-254.

[30]HONG S W，JON J H，KWAK J M，et al. Identification of a receptor-like protein kinase gene rapidly induced by abscisic acid，dehydration，high salt，and cold treatments in Arabidopsis thaliana [J]. Plant physiology，1997，113（4）：1203-1212.

[31]陈德西，何忠全，封传红，等.水稻主要病害发生区划研究[J].西南农业学报，2014（3）.

[32]赵晶.影响水稻中LRR受体蛋白激酶类基因抗性特异性及生育期相关抗性的因子解析[D].武汉：华中农业大学，2009，4.

[33]周圣发.朱传圣水稻白枯叶病的发生与防治[J].现代农业科技，2008（22）.

[34]Song W Y，Wang G L，Chen L L，et al.A receptor kinase-like peotein encoded by the rice disease resistance gene，Xa21[J].Science，1995，279：1804-1806.

[35]Song W Y，Pi L Y，Wang G L，et al.Evolution of the rice Xa21 disease resistance gene family[J].Plant Cell，1997，9：1279-1287.

[36]Andaya C B，Ronald P C.A catalytically impaired mutant of rice Xa21 receptor kinase confers partial resistance to Xanthomonasoryzaepvoryzae[J].Physiological and Molecular Plant Pathology，2003，62：203-208.

[37]He Z H，Wang Z Y，Li J M，Qun Zhu，Chris Lamb，Ronald P C，JoanneChory. Perception of brassinosteroids by the extracellular domain of the receptor kinase BRIL[J].Science，2000，288：2360-2363.

[38]Wang G L，Wu C，Zeng L，et al. Isolation and characterization ofrice mutants compromised in Xa21-mediated resistance to X. oryzaepv[J].oryzae. TheorAppl Genet，2004，108（5475）：379-384.

[39]查笑君.水稻产量QTL位点LRK基因簇的基因功能研究及其下游互作蛋白的筛选[D].上海：复旦大学，2009.

（责编：张宏民）