植物CDPKs响应逆境胁迫信号传导作用研究进展

韦淑亚

（武汉职业技术学院生物工程学院，湖北武汉 430074）

植物CDPKs响应逆境胁迫信号传导作用研究进展

韦淑亚

（武汉职业技术学院生物工程学院，湖北武汉 430074）

钙依赖蛋白激酶（CDPKs）是由多基因族编码，在植物响应逆境胁迫信号转导通路中处于关键位置。从CDPKs结构特征、CDPKs在非生物胁迫信号转导中的作用、CDPKs在生物胁迫信号转导中的作用和CDPKs介导的信号传导途径中的交互作用这几个方面综合阐述了植物CDPKs响应逆境胁迫信号传导作用研究进展，旨在探讨CDPKs的功能及调控防御机制。

CDPKs；非生物胁迫；生物胁迫；逆境；研究进展

当遭受激素、病原菌、光、高温、干旱和寒冷等各种各样的逆境胁迫时，植物感知这些外来胁迫信号激活自身信号传导网络机制调控自身的新陈代谢来适应日益恶化的生态环境。外界刺激会引起植物细胞内Ca2+震荡，植物中的一些Ca2+结合蛋白或者Ca2+受体会识别这些复杂的Ca2+信号并将Ca2+信号进一步向下游级联放大和传递，导致蛋白质磷酸化和胁迫相关基因的表达，提高植物对逆境胁迫的耐受性。在这个过程中，Ca2+作为第二信使在复杂的信号传导网络中扮演着重要的角色。钙依赖蛋白激酶（CDPKs）是主要的Ca2+结合蛋白之一，存在于高等植物和一些原生动物中，在动物和真菌等物种还没有被发现。CDPKs家族属于多基因家族，拟南芥有34个成员，水稻有29个成员，玉米有40个成员，大麦有27个成员等相继被报道[4]。

1 CDPKs结构特征

每一个CDPKs家族成员都有一个同源性最低的N末端可变区，一个同源性较高的蛋白激酶结构域，一个最保守的自我抑制区和保守性最差的钙调素样结构域这四部分组成。N末端可变区含有与膜定位相关的豆蔻酰化位点，与细胞内定位有关，这一区域一般由20～200个氨基酸残基组成。Ser/Thr蛋白激酶结构域，一般由300多个氨基酸残基组成，能使底物磷酸化，也叫激酶催化区。紧靠催化区是自我抑制区，也叫连接区，富含碱性氨基酸，由20～30个氨基酸残基组成。一般情况下，连接区以假底物的形式与催化区结合，使CDPKs激酶活性处于抑制状态。调控区，是钙结合区，有4个EF-手性结构域（Ca2+结合位点），是CDPKs激酶具有的特有的区域。当植物遭受逆境胁迫时，细胞内Ca2+浓度发生变化，Ca2+与CDPK的调节区结合后，钙调素样结构域发生构象变化，解除其自我抑制，激酶活性被激活[1]。可见，CDPK 是依赖 Ca2+而不依赖钙调素的。目前CDPKs互作的蛋白有ABF4/AtCPK32，AtDi19-1/ CPK11，StRBOHB/StCDPK5，ZoIMPα/ZoCDPK1，RSG/ NtCDPK1和 HSP1/AtCPK10等被研究报道。

2 CDPKs在非生物胁迫信号转导中的作用

干旱、高盐和低温等非生物胁迫对植物的生长和发育都会造成一定的影响。干旱造成植物光合能力下降以及不利于营养吸收，盐分造成植株生理性干旱和离子毒害，低温直接影响植物新陈代谢。除此之外，渗透胁迫是干旱、高盐和低温环境中常见的生理现象。

ABA（脱落酸）依赖性和ABA不依赖性的信号传递途径是响应非生物胁迫的两大类比较常见的信号传递途径。植物体内通过ABA 的合成感知外界干旱及高盐非生物胁迫，进而活化CDPKs，调控渗透调节物质（脯氨酸）、水分运输（水通道蛋白）和 LEA蛋白等胁迫相关基因的表达，维持细胞内水分平衡，提高植物对非生物胁迫的耐受性。研究表明植物依赖ABA控制气孔的开关可实现细胞内水分的维持，提高植物的耐受性。非生物胁迫下拟南芥CDPKs依赖ABA信号传导途径防御机制研究很多。拟南芥CPK3和CPK6依赖ABA调控气孔信号和保卫细胞离子通道，正调控高盐和干旱。在干旱胁迫下，ABA处理拟南芥CPK10突变体结果显示气孔关闭能力下降。蚕豆（Vicia faba）CDPK则参与由Ca2+调控保卫细胞中磷酸化钾离子通道（KAT1）的信号传导来抵御逆境胁迫。拟南芥CPK4和CPK11通过磷酸化ABA响应的元件结合因子ABF1和ABF4调控气孔运动来提高对高盐和干旱胁迫的耐受性。拟南芥CPK32磷酸化ABF4参与ABA和非生物胁迫的反应。也有研究表明拟南芥CPK23突变体气孔开度减小，过表达CPK23转基因株系气孔开度增加，调控干旱和高盐。同源性高的CPK21和 CPK23在ABA和非生物胁迫信号传导途径中发生部分功能重叠性，且负调控非生物胁迫[2]。因此，以上研究表明CDPKs在ABA和Ca2+介导的气孔运动调控细胞内水分维持有很重要的作用。

除了模式植物拟南芥CDPKs在非生物胁迫下的功能研究比较多之外，水稻和其它植物CDPKs的研究开展的也很多。低温和高盐胁迫下，水稻OsCDPK7的表达量显著增加，过表达OsCDPK7提高了水稻对低温、高盐和干旱胁迫的耐受性。过表达OsCPK21转基因株系增加了对ABA的敏感性，提高了对高盐胁迫的耐受性。冷和赤霉素（GA）处理下OsCDPK13基因的表达量增加，但对盐、干旱和ABA处理不敏感，过表达OsCDPK13转基因株系对低温的耐受性显著提高[10]。OsCDPK14磷酸化下游底物OsDi19-4 依赖ABA的信号传导途径调控 ABA响应相关基因的表达。姜ZoCDPK1和NAC TF互作介导的非生物胁迫的信号传导途径是不依赖ABA的，不响应冷，响应高盐和干旱。这些结果表明CDPKs介导的信号传导途径的功能是很复杂的。

3 CDPKs在生物胁迫信号转导中的作用

植物长期遭受自然界中的真菌、细菌、病毒、线虫等病原物侵染和昆虫的侵袭，自身获得了一系列防御机制抵御这些不良环境。研究表明，植物受病原菌侵染之后，体内防卫反应早期反应有Ca2+内流和活性氧的释放等。CDPK作为Ca2+的受体，体内Ca2+浓度的变化，瞬时激活CDPK，与促分裂原活化蛋白激酶（MAPKs）共同调控下游的转录因子以及早期相关基因的表达参与早期防御反应。

番茄叶霉菌（Cladosporium fulvum）无毒基因Avr9加入到转基因悬浮细胞，发现了膜结合的CDPK从无激发态转变为激发态，酶活性提高了10～200倍。烟草NtCPK1 和NtCPK3参与了Cf-9/Avr9基因对基因的互作反应模式中。烟草NtCPK2和 NtCPK3共同调控了植物过敏反应，而过敏反应是植物基因对基因互作的一个标志。进一步的研究证实，仅由N端可变端和激酶催化区组成的在烟草叶片上表达的NtCDPK2变体，烟草叶片出现了类似过敏反应，体内ROS的产量升高，植物防御相关基因表达量增加。相反，高度同源NtCDPK3变体没有出现这样的防御现象和过敏反应。这些结果表明了NtCDPK2激酶参与了植物防御反应的特异性。

异源西红柿原生质体瞬时表达结果显示，过表达AtCPK1导致了NADPH氧化酶活性的增强和活性氧产量的增加。拟南芥AtCPK4，AtCPK5，AtCPK6 和AtCPK11参与早期MAMP（病原相关模式）信号传导途径共同调控下游防御相关基因的表达[3]。植物受病原菌侵染活性氧的释放也是植物发生防御反应的早期反应之一，钙离子作为第二信使在活性氧产生的这个过程中也起着重要的作用，Ca2+的受体CDPKs，通过磷酸化NADPH氧化酶进而调控下游防御相关基因的表达。水杨酸（salicylic acid，SA）介导的系统获得抗性在植物防御反应信号转导中也起着重要作用。当植物与病原菌发生非亲和互作，体内 SA含量发生变化，大量增加，进而病程相关蛋白PR蛋白大量表达。过表达AtCPK1结果显示体内SA含量显著增加，引发了SA介导的防卫反应和抗病基因的组成型的表达，广谱抗性建立[3]。西红柿SlCDPK在生物胁迫信号传导途径中调控广谱抗性抵御病原菌的侵染。

4 CDPKs介导的信号传导途径中的交互作用

在信号转导中，看似各自独立，其实是互相联系交织在一起的。各种各样的非生物胁迫和生物胁迫刺激下，植物体内两个或更多的不同信号传导途径中的互作，集中到一个信号物质反馈，或者这些不同信号传导途径平行或者叠加互作共同调控下游基因的表达来适应环境。近年来的实验证据表明CDPKs的功能多样性，涉及了不同的信号传导途径，而且在这些信号传导途径中起着一个开关的作用。

拟南芥AtCPK1、AtCPK3、AtCPK4、AtCPK6、AtCPK11和水稻OsCPK12、OsCPK13这些核心成员，在介导非生物胁迫信号传导途径及病原菌生物胁迫侵害中起到重要的信号节点作用。烟草NtCDPK2响应渗透胁迫和参与植物防御反应[3]。烟草NtCDPK1表达量降低，发生细胞坏死病变，而植物防御反应标记基因表达量有所增加。异位表达OsCDPK7提高了水稻植物对冷、高盐和干旱的耐受性，但是，从转录水平上分析，对高盐和干旱的耐受性的基因的转录水平增加了，而对冷响应的基因的转录水平没有任何变化，这表明OsCDPK7是通过不同的信号传导途径来提高植物对冷和高盐/干旱的耐受性的。过表达OsCPK12增加了转基因水稻对高盐的耐受性，ABA敏感性增加，但是易感稻瘟病病原菌，正调控高盐，负调控稻瘟病病原菌。这些研究结果表明了CDPKs介导的信号传导途径中的交互作用很复杂，也很重要。

5 结束语

自1982 年在豌豆中发现 CDPKs以来，国内外研究者对CDPKs进行了深入的研究，尤其现在高通量测序技术以及全基因组深度测序技术的应用加快了课题研究速度、研究深度以及研究的可靠性。目前，相继在很多植物中发现了CDPKs成员，并展开了对CDPKs基因家族功能的研究，取得了一定的进展。CDPKs 是Ca2+传感蛋白，功能多样化，进化保守，通过磷酸化作用参与植物响应逆境胁迫的各种精细而复杂的信号传导过程。尽管 CDPKs在逆境胁迫下参与各种信号传导的研究很多，但其在体内的直接下游底物还知之甚少。有关CDPKs作用的详细分子机制及CDPKs促进气孔关闭的调控机制还不是很清楚。通过突变 EF-hands 区域确定 CDPKs 与 Ca2+之间的功能关系，利用酵母双杂技术或免疫共沉淀等技术，分离鉴定更多的CDPKs的磷酸化底物，这对深入揭示CDPKs赋予植物对逆境胁迫耐受性的分子调控机制将会提供进一步翔实的证据。

[1] 姜珊珊，张丹，孔祥培，等.2013.植物中的钙依赖蛋白激酶（CDPK）的结构特征和功能研究进展[J].生物技术通报，6（28）：12-19.

[2] Asano T，Hayashi N，Kikuchi S，etal.CDPK-Mediated Abiotic Stress Signaling[J].Plant Signal Behav，2012，（7）：817-821.

[3] Boudsocq M，Willmann M R，McCormack M，etal.[J] Differential Innate Immune Signalling via Ca2+Sensor Protein Kinases[J].Nature，2010，（464）：418-422.

Dvances in Signal Transduction of Plant CDPKs in Response to Stress

Wei Shu-ya

Calcium-dependent protein kinase（CDPKs）is encoded by a polygene family and is at a critical position in plant response stress stress transduction pathways.The role of CDPKs in CDPKs，the role of CDPKs in the transduction of abiotic stress，the role of CDPKs in biosynthetic signal transduction，and the interaction in CDPKs-mediated signaling pathways.Advances in the study of signal transduction of plant CDPKs in response to stress stress were studied in order to explore the function and regulation mechanism of CDPKs.

CDPKs；abiotic stress；biological stress；adversity；research progress

Q945.78

A

1003-6490（2017）01-0142-02

2016-12-21

李源（1964—），男，山东日照人，高级工程师，主要研究方向为农药合成。于乐祥（1982—），男，山东济南人，工程师，主要研究方向为农药合成。张学忠（1963—），男，河南鹤壁人，主要从事农药分析工作。

收稿日期：2017-01-11

湖北省教育厅自然科学研究计划项目（B2016581）；武汉职业技术学院校级博士科研基金（2016BS001）共同资助。

作者简介： 韦淑亚（1979—），女，湖北武汉人，讲师，博士，主要研究方向为生物化学与分子生物学。