植物钙依赖蛋白激酶CDPK基因功能综述

费小钰+李红丽+王俊皓

摘要：CDPK是一类Ser/Thr型蛋白激酶，存在于植物的各个器官和原生生物中，直接被Ca2+信号激活，通过对底物的调节，调控多个下游支路，将信号放大，从而完成传递信号的作用，广泛参与干旱、盐碱等非生物胁迫。本文对植物钙依赖蛋白激酶CDPK基因功能的研究进行综述。

关键词：钙依赖蛋白激酶（CDPK）；信号转导；生物学功能

中图分类号： TS201.2 文献标识码： A DOI編号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.09.064

植物对于外部刺激，细胞常表现为综合性的反应，产生的变化在基因表达、酶活性、细胞骨架、通透性等都有体现，然而这些变化并不是全都由于一种信号所引起的，常为几种不同信号通过复杂反应引起的组合反应，这些多种信号途径，包括ABA通路、钙信号转导，MAPK信号通路等，各信号相互交错，协同调控，共同完成植物对逆境的抗性，Ca2+是各个通路的交叉点。细胞内信号通常被称为第二信使，Ca2+作为第二信使在植物受到刺激时，细胞感受刺激并改变胞质内Ca2+浓度，通过浓度的变化植物做出相应的反应，引发一系列信号转导，通过靶蛋白传感信号，结合其他靶蛋白质分子（如各种蛋白激酶）启动基因表达，导致植物应急反应，形成钙信号的复杂系统。当植物感受到外界环境诸如盐碱干旱等胁迫时，胞内的多条信号条件传递信息到下游，信号被逐级放大传递，下游基因得到诱导进行表达，植物生理生化性状被改变，抵御逆境信号影响。当植物细胞感受到胁迫环境，感受逆境信号的受体感知原生质膜变化，传递信号给G蛋白和磷脂酶受体，膜上的Ca2+通道在磷酸化反应中被激活，释放细胞内钙库中的Ca2+，胞内游离钙离子浓度迅速上升，逆境信号的传递过程就此完成[1]。

CDPK是一类Ser/Thr型蛋白激酶，是多基因家族，广泛存在于植物和原生生物中，其直接被Ca2+信号激活，而不通过钙调素的作用。CDPK家族有四种类型，分别是CDPK关联蛋白激酶家族（CRKs）、钙调素与钙依赖蛋白激酶家族（SnRKs）、依赖钙调素蛋白激酶家族（CaMKs）和钙依赖蛋白激酶家族（CDPKs）[2]。CDPK的活性只表现在与钙离子结合之后，其通过底物磷酸化向下游传递信号。植物细胞中，已经发现有如下几种可能的与CDPK相关的底物：结瘤素、质膜质子泵、K+/Cl-内流通道、Ca2+-ATPase、水孔蛋白等。Milla等[3]在2006年获得拟南芥AtCPK4、ATCPK11的作用底物AtDi19，AtDi19只与这两种蛋白结合，是AtDi家族蛋白之一，与植物胁迫相关，其在与其他AtCPK家族成员的结合中表现很弱甚至不结合。由此可见，CDPK主要通过对底物的调节，形成多个下游支路，将信号放大，从而完成传递信号的作用。

1 CDPK的理化特性及结构特点

CDPK纯化后是一种单体酶，其分子量在40kDa到90kDa之间，镁离子是其主要的辅助因子。CDPKs的结构域有四个，N端至C端分别为可变、催化、连接和调控4个区域[4]。N末端的可变区中氨基酸长度一般在20～200个不等，且长短不固定，氨基酸水平的同源性不高，保守性差，多数CDPK的N端含有豆蔻酰化位点，可被豆蔻酰化或棕榈酰化。可变区比邻区域为催化区，又叫蛋白激酶结构域，含有300多个氨基酸残基，Ser/Thr蛋白激酶基因的催化保守序列非常典型，不同种属间有较高同源性。连接区紧邻蛋白激酶结构域，富含碱性氨基酸，氨基酸残基仅有20～30个，有CDPK自抑制片段，具有自我抑制的特点，是CDPK功能区中相对稳定的，可作为假底物，因此又称自抑制区。自抑区由于其含有双元保守区，与蛋白质的核定位相关。催化区在Ca2+的浓度明显降低时会结合连接区，激酶活性受到抑制。Ca2+的结合区即为调控区，含有一段与CaM相似的氨基酸序列，包括4个EF手型结构，能够与Ca2+结合，引起蛋白结构变化，自抑制解除，CDPK被激活[5]。

2 CDPK生物学功能

CDPK的生物学功能已被广泛研究，主要功能如下。

2.1参与激素信号调节

激素的变化可导致细胞内Ca2+浓度发生改变，在激素向下游传递信号时，CDPK的重要作用得以凸显。研究表明，赤霉素、脱落酸、油菜素内脂、吲哚-3-乙酸和细胞分裂素可以诱导CDPK的转录水平。经赤霉素处理过的水稻种子，其CDPK活性提高10倍。被油菜素内酯处理的水稻幼苗，其CDPK活性明显提高。

2.2参与植株生长和发育的调控

Ca2+在植物生长发育中具有明显调节作用。在BY-2细胞中，渗透胁迫和氧化应激可以增加细胞内钙的水平，这导致细胞周期的延迟。大量实验表明，CDPK真正参与早期发育阶段，在檀香体细胞，胚乳和幼苗中CDPK均有积累。在研究蒺藜苜蓿的实验中，通过RNAi沉默技术使CDPK1低表达，导致植物根细胞长度降低，说明CDPK1参与到根系的发育。在种子发育过程中，水稻的OsCDPK11和OsCDPK2表达模式不同。OsCDPK11在早期水稻种子中发育水平高，受精后的10天表达水平降低，相反，OsCDPK2在水稻种子发育初期表达量较低，种子发育中期表达量不断增加，种子发育后期表达量达到最高[6]。

2.3参与胁迫应答和抗逆性

通过对水稻、拟南芥和其他植物的研究显示，27个水稻CDPK成员和34个拟南芥CDPK成员，其多数与应激信号转导相关。在盐胁迫和干旱胁迫条件下，拟南芥AtCDPK1和AtCDPK2的表达增加显着。10天左右的水稻幼苗OsCPK7的表达量低，经盐处理后转录水平增加。CPK7表达量特别高的转基因水稻，对于逆境环境的适应能力也较高。在拟南芥中AtCPK10和AtCPK30参与脱落酸以及非生物胁迫的信号转导。 Urao等研究发现，高盐环境、干旱环境，AtCDPK1与AtCDPK2基因转录水平均显著上调[7]。

2.4参与气孔运动的调节

当植物受到ABA诱导时叶片气孔关闭，钙离子会对质膜前导钾通道活性进行抑制，导致钾离子流出量增加。开放过程使离子达到平衡状态，CDPK介导的Ca2+参与反应。其中，干旱条件下，ABA浓度增加，导致细胞膜上的Ca2+浓度增加，激活了CDPK，CDPK进而抑制脂膜上内向K+通道，并且作用液泡膜上的K+通道，使K+向胞外流出，从而达到离子平衡。例如，当有Ca2+时，拟南芥的CDPK成员AtCPK1可以激活蚕豆保卫细胞质膜上的Cl-通道[8]。

2.5调节植物细胞骨架

保持组织和细胞的结构是植物细胞骨架的主要功能。 Putnam-Evans 等[9]的研究表明，CDPK参与肌动蛋白合成的聚合体影响植物节间和花粉管快速生长，部分CDPK成分可以组合形成聚合物和肌动蛋白微原纤维。 Moutinho 等[10]发现当花粉管快速生长时，顶端活跃生长细胞中CDPK浓度更高。当花粉管开始伸长时，拥有较高浓度的CDPK使其伸长速度也更快。 研究发现，CDPK对细胞器的运动和调控胞质环流均有重大影响。

2.6参与离子调节和水分跨膜转运

关于水分跨膜转运和离子调节的报告已有很多，参与CDPK调节的蛋白有很多种，包括液泡膜表面水通道蛋白、质膜K+通道、H + -ATPase 、液泡膜上的阴离子通道、玉米根尖部位质膜的33kD和58kD蛋白和内质网膜上的ACA2Ca2+-ATPase[11]。因此，水通道蛋白以及离子通道蛋白在数量，活性和分布上都能够被CDPK调节。CDPK在植物正常生长和逆境环境中离子和水分运输上意义重大。

2.7参与植株碳氮代谢

在低渗胁迫过程中，蔗糖磷酸合成酶（SPS）可以被CDPK激活，使得胞内蔗糖浓度增加，降低细胞水势，从而提升细胞的保水能力。黑暗中CDPK也能够抑制SPS磷酸化，说明由CDPK介导的Ca2+参与到了磷酸化的抑制过程。研究表明CDPK在对植物碳氮代谢上影响重大。

2.8参与应对病原微生物侵害的响应与防御过程

在不同植物/病原体系统的研究中，已知细胞质钙的流入在由病原体诱导的信号转导级联的激活中特别重要。 Avr9的病原体可影响编码蛋白的重要过程，编码相应蛋白Cf-9不仅诱导信号通路，而且激活NtCDPK2，Cf-9在转基因烟草中过表达，可以大大提高 NtCDPK2基因的转录[12]，充分证实CDPK在Cf-9/Avr9诱导情况下产生的超敏反应中起重要作用。

3 展望

CDPK广泛分布在植物中、藻类和原生动物中，研究表明，根、莖、叶、花、种子等植物器官上均存在CDPK基因，在细胞水平上，花粉、保卫、分生、胚细胞和木质部也都证明了CDPK的存在。亚细胞水平如液泡膜、质膜、线粒体外膜等也都发现其存在迹象。自1982年CDPK第一次在豌豆茎中发现，其抗逆机制深深吸引人们来探索，研究人员对CDPK基因的研究也随之深入，目前已知拟南芥有34个CDPK成员，其中AtCPK10、AtCPK11参与盐碱、干旱胁迫应答，AtCPK8、AtCPK10的超表达能够显著提高植物抗旱性，AtCPK27在盐碱胁迫应答中发挥作用。CDPK在水稻中有31个成员，其中OsCPK7与水稻耐盐性和耐冷性正相关，OsCPK21使水稻耐盐碱性增强，OsCPK12正向调控水稻耐盐性，参与ABA信号途径，与此同时，与水稻瘟病抗性负相关[13]。陈飞[14]等推测出苹果26个CDPK成员，分为4个亚家族，其亚家族分类与拟南芥亚家族分类一致。张进[15]等推测出杨树32个CDPK基因和10个CRK基因成员。目前由于生态环境破坏非常严重，土地盐碱化、沙漠化日益扩大，人们希望通过培育抗逆性强的植物来解决上述问题。伴随着基因遗传转化技术的发展，CDPK参与干旱、盐碱等非生物胁迫，参与基因信号转导均已被证实，超表达的CDPK通过对转基因植物下游基因的诱导表达，提高植物在应对盐碱、干旱、低温等环境中拥有更强抵御能力。CDPK基因在植物抗逆基因工程中的应用必将更广泛。

参考文献

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作者简介：费小钰，硕士，研究方向：植物生物化学与分子生物学。