擬南芥跨膜組氨酸激酶ATHK1研究進(jìn)展

摘要由干旱、低溫和高鹽等引起的滲透脅迫是影響包括細(xì)菌、酵母和高等植物在內(nèi)的多種生物生長(zhǎng)和發(fā)育的主要環(huán)境因子。生物體自身已進(jìn)化出多種機(jī)制以應(yīng)答這些脅迫。文中介紹了細(xì)菌和酵母中響應(yīng)滲透脅迫的雙組分信號(hào)系統(tǒng)，對(duì)擬南芥中響應(yīng)滲透脅迫的重要分子ATHK1的研究進(jìn)展作了簡(jiǎn)要綜述，并簡(jiǎn)單討論了ATHK1在擬南芥逆境脅迫響應(yīng)過(guò)程中的主要功能，為組氨酸激酶ATHK1的進(jìn)一步合理應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞滲透脅迫；雙組分系統(tǒng)；組氨酸激酶；ATHK1

中圖分類號(hào)S188文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）07-01923-02

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金干旱脅迫誘導(dǎo)植物細(xì)胞合成脫落酸的生理與分子機(jī)理研究（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)90917005）。

作者簡(jiǎn)介陳一（1985- ），男，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向：植物逆境生理。

收稿日期20140212植物體在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中隨時(shí)面臨著多種環(huán)境脅迫，由干旱、低溫、高鹽引發(fā)的滲透脅迫是影響植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境因子。植物體可感知胞外或細(xì)胞滲透勢(shì)的變化，并觸發(fā)多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，最終在分子、細(xì)胞、組織以及生理等多個(gè)水平實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境脅迫的應(yīng)答。原核生物和低等真核生物也會(huì)對(duì)胞外滲透勢(shì)的變化作出響應(yīng)。細(xì)菌和酵母的雙組分信號(hào)系統(tǒng)被認(rèn)為是感知和傳遞胞外脅迫信號(hào)的主要機(jī)制，高等植物體內(nèi)也存在類似的信號(hào)傳遞系統(tǒng)。擬南芥跨膜組氨酸激酶ATHK1被認(rèn)為是一種重要的逆境脅迫響應(yīng)分子。筆者對(duì)細(xì)菌和酵母中的雙組分信號(hào)傳遞系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)述，介紹有關(guān)擬南芥ATHK1蛋白研究的最新進(jìn)展，并對(duì)ATHK1在擬南芥響應(yīng)逆境脅迫中的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單討論，以期為組氨酸激酶ATHK1的進(jìn)一步合理應(yīng)用提供依據(jù)。

1大腸桿菌雙組分信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

由蛋白激酶/蛋白磷酸酶調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)的可逆磷酸化反應(yīng)是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要機(jī)制。根據(jù)催化底物的特異性，蛋白激酶可分為3大類：絲氨酸/蘇氨酸激酶、酪氨酸激酶和組氨酸激酶。組氨酸激酶是細(xì)菌細(xì)胞中重要的信號(hào)感知分子，細(xì)菌可通過(guò)組氨酸激酶感知胞外環(huán)境的變化，并通過(guò)磷酸化作用將胞外信號(hào)傳遞至胞內(nèi)，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)答。這種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)單元被稱為雙組分系統(tǒng)，在細(xì)菌、酵母和高等植物中都有發(fā)現(xiàn)[1]?；镜碾p組分系統(tǒng)由一個(gè)組氨酸激酶和一個(gè)反應(yīng)調(diào)節(jié)子組成。組氨酸激酶在結(jié)構(gòu)上包括一個(gè)N端輸入域和一個(gè)C端激酶域，激酶域中含有一個(gè)保守的組氨酸殘基；反應(yīng)調(diào)節(jié)子包括一個(gè)N端接受域和一個(gè)C端輸出域，接受域中含有一個(gè)保守的天冬氨酸殘基。大腸桿菌的EnvAOmpR系統(tǒng)是細(xì)菌雙組分系統(tǒng)的典型代表，組氨酸激酶EnvA的輸入域可以感知胞外環(huán)境中滲透勢(shì)的變化，并激活其內(nèi)源的激酶活性，當(dāng)面臨高滲環(huán)境時(shí)，激酶首先催化EnvA本身的組氨酸殘基磷酸化，該磷酸基團(tuán)緊接著轉(zhuǎn)移到反應(yīng)調(diào)節(jié)子OmpR中保守的天冬氨酸殘基上；反之，當(dāng)處于低滲環(huán)境時(shí)，EnvA的激酶活性被抑制，并進(jìn)而導(dǎo)致OmpR的去磷酸化。OmpR的磷酸化狀態(tài)決定了其與DNA結(jié)合的能力，進(jìn)而調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)[2-3]。

2酵母雙組分信號(hào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

雙組分系統(tǒng)并非總像大腸桿菌EnvAOmpR系統(tǒng)那樣簡(jiǎn)單，在某些情況下，一個(gè)磷酸轉(zhuǎn)移蛋白的加入，構(gòu)建出一類“復(fù)雜化”的雙組分系統(tǒng)，酵母雙組分系統(tǒng)就是其中的典型代表。酵母雙組分系統(tǒng)包括SLN1、YPD1和SSK1 3種組分。SLN1是一個(gè)跨膜組氨酸激酶，融合了大腸桿菌EnvA中的激酶域和OmpR中的接受域，因此被稱為雜合型組氨酸激酶；YPD1是磷酸轉(zhuǎn)移蛋白，是酵母雙組分系統(tǒng)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移體系的中間分子；SSK1則起到反應(yīng)調(diào)節(jié)子的作用，可進(jìn)一步激活下游信號(hào)通路。酵母雙組分系統(tǒng)具有與大腸桿菌EnvAOmpR系統(tǒng)相反的磷酸化/去磷酸化反應(yīng)狀態(tài)。當(dāng)處于非脅迫環(huán)境時(shí)，SLN1處于活化狀態(tài)，通過(guò)激酶活性催化其組氨酸殘基磷酸化，該磷酸基團(tuán)接著傳遞給同一分子接受域中的天冬氨酸殘基，天冬氨酸進(jìn)一步將磷酸基團(tuán)傳遞給YPD1上的保守組氨酸殘基，后者再將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移至SSK1上保守的天冬氨酸殘基。磷酸化的SSK1不具備激活下游信號(hào)通路的能力。當(dāng)處于高滲環(huán)境時(shí)，SLN1不再具有激酶活性，導(dǎo)致SSK1發(fā)生去磷酸化，去磷酸化的SSK1可激活下游的HOGMAPK信號(hào)通路，以產(chǎn)生對(duì)滲透脅迫的應(yīng)答。HOGMAPK通路是目前研究地最為徹底的滲透脅迫感知信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，可激活一系列脅迫相關(guān)的應(yīng)答。酵母中還發(fā)現(xiàn)有另一個(gè)滲透感知子SHO1，其不是雙組分系統(tǒng)家族的成員，卻是跨膜滲透調(diào)節(jié)子，通過(guò)SH3結(jié)構(gòu)域與PBS2蛋白中富含組氨酸區(qū)域的直接相互作用而激活PBS2MAPK信號(hào)通路[2-3]。

3擬南芥ATHK1研究進(jìn)展

3.1ATHK1是一個(gè)跨膜組氨酸激酶Urao等最先報(bào)道了一個(gè)由1 207個(gè)氨基酸殘基組成的擬南芥組氨酸激酶ATHK1。序列分析表明，ATHK1擁有2個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域，分別稱為傳遞域和接受域，ATHK1的N端帶有2段疏水肽鏈區(qū)，表明其是一個(gè)跨膜蛋白。進(jìn)一步的序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)，ATHK1的傳遞域與CKI1蛋白具有較高的同源性（30%），而其接受域與酵母的SLN1蛋白具有較高的同源性（29%），且這2個(gè)結(jié)構(gòu)域中分別含有一個(gè)保守的組氨酸殘基和一個(gè)天冬氨酸殘基（His508和Asp1074）。盡管已發(fā)現(xiàn)的幾種乙烯受體型組氨酸激酶（ETR1、ERS和NR）兩兩之間同源性較高，但序列分析表明ATHK1與它們不具同源性。ATHK1與酵母SLN1同源，暗示其可能參與滲透脅迫的感知。Urao等利用酵母突變體的互補(bǔ)試驗(yàn)研究了ATHK1的功能。將ATHK1全長(zhǎng)cDNA導(dǎo)入酵母的sln1溫度敏感突變體后，可使突變體在限制溫度條件下正常生長(zhǎng)，表明ATHK1可以互補(bǔ)SLN1蛋白的功能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，替換掉2個(gè)關(guān)鍵殘基（His508和Asp1074）或者是去除掉N端跨膜區(qū)的ATHK1不能互補(bǔ)SLN1，表明這些位點(diǎn)是ATHK1發(fā)揮功能所必需的。Urao等運(yùn)用酵母雙雜交技術(shù)分析了ATHK1與擬南芥磷酸轉(zhuǎn)移蛋白ATHP和擬南芥反應(yīng)調(diào)節(jié)子ATRR之間的相互作用，結(jié)果表明ATHK1僅與ATHP2存在明顯的相互作用[4]。后期研究則認(rèn)為ATHK1可能還通過(guò)擬南芥反應(yīng)調(diào)節(jié)子ATRR3/4或ATRR8/9而發(fā)揮作用[5]。Northern雜交和GUS染色表明，ATHK1在擬南芥的根部和葉片基部表達(dá)量最高。此外，干旱、低溫和高鹽能不同程度地誘導(dǎo)ATHK1表達(dá)量上升，表明逆境脅迫可通過(guò)激活A(yù)THK1的表達(dá)而啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)答。在后面的內(nèi)容中，課題組將從植株整體耐旱性，逆境信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以及抗逆基因表達(dá)等方面簡(jiǎn)要綜述目前有關(guān)ATHK1研究的最新進(jìn)展，并對(duì)應(yīng)當(dāng)如何認(rèn)識(shí)ATHK1在植物體內(nèi)的功能作一簡(jiǎn)要的討論。

3.2ATHK1與植株的耐脅迫能力研究者首先觀察了不同基因型擬南芥的生長(zhǎng)狀況和耐旱表型，發(fā)現(xiàn)在非脅迫條件下，盡管野生型、athk1突變體和ATHK1過(guò)表達(dá)具有不同的ATHK1表達(dá)模式，但它們的正常生長(zhǎng)過(guò)程并沒(méi)有受到影響，也沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的形態(tài)學(xué)差異[5-6]。但在脅迫條件下，athk1和過(guò)表達(dá)植株的存活率則分別顯著低于和高于野生型（P<0.05）。Hao等發(fā)現(xiàn)，在特定的脅迫條件下，athk1較野生型植株具有更明顯的萎蔫表型、更快的離體葉片失水速率和更高的離子滲漏率[7]。Dong等也觀察到脅迫下athk1具有更高的離體葉片失水速率[8]。Kumar等在不同生態(tài)型背景的擬南芥中觀察到類似的試驗(yàn)現(xiàn)象[9]。上述結(jié)果均表明，athk1的耐旱能力顯著弱于相應(yīng)的野生型（P<0.05）。Kumar等還觀察到在athk1中，無(wú)論氣孔密度還是氣孔開度都顯著高于野生型（P<0.05），由于氣孔的數(shù)量和開放程度與植物細(xì)胞維持水分的能力密切相關(guān)，因此這很可能就是athk1耐旱能力低于野生型的原因之一。此外，athk1的葉片表皮細(xì)胞數(shù)量也明顯多于野生型，提示ATHK1在調(diào)節(jié)葉片表皮細(xì)胞擴(kuò)張等方面可能還具有更廣泛的功能[9]。

3.3ATHK1與ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)植物激素脫落酸（ABA）是一種主要的脅迫激素，其含量在多種脅迫下顯著上升（P<0.05）。ABA通過(guò)介導(dǎo)或整合多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)多種環(huán)境脅迫的應(yīng)答[10]。研究ATHK1在ABA信號(hào)中的作用可為研究提供有關(guān)ATHK1功能的必要信息。與野生型相比，athk1突變體對(duì)ABA抑制種子萌發(fā)的效應(yīng)不敏感，而ATHK1過(guò)表達(dá)則表現(xiàn)為超敏感[5-6]。此外，athk1突變體對(duì)ABA誘導(dǎo)的氣孔響應(yīng)也不敏感[8]。這些結(jié)果表明，ATHK1可能位于ABA的下游，作為一種正調(diào)節(jié)子參與了ABA信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)。Wohlbach等發(fā)現(xiàn)，用ABA生物合成抑制劑Fluridone處理可消除athk1突變體、野生型和過(guò)表達(dá)植株對(duì)滲透脅迫響應(yīng)的差異，表明不同基因型植株對(duì)滲透脅迫響應(yīng)的差別可能與它們內(nèi)源的ABA含量相關(guān)，ATHK1可能位于ABA的上游，并通過(guò)ABA依賴的方式發(fā)揮作用。ABA含量測(cè)定表明，脅迫下athk1突變體的游離ABA含量顯著低于野生型（P<0.05），而ATHK1過(guò)表達(dá)則顯著高于野生型（P<0.05），表明ATHK1通過(guò)調(diào)節(jié)ABA含量來(lái)應(yīng)答逆境脅迫[5]。為進(jìn)一步研究ATHK1調(diào)控ABA含量的可能機(jī)理，Wohlbach等利用Realtime PCR技術(shù)檢測(cè)了ABA生物合成相關(guān)基因ABA1、ABA2和AAO3的表達(dá)情況，結(jié)果顯示ABA1、ABA2和AAO3的表達(dá)量均在athk1突變體中下調(diào)，而在過(guò)表達(dá)中上調(diào)。上述基因表達(dá)的變化與游離ABA含量測(cè)定的結(jié)果相一致，表明ATHK1通過(guò)誘導(dǎo)ABA合成相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)提高游離ABA含量。綜上所述，ATHK1與ABA之間存在正反饋調(diào)節(jié)，即ATHK1促進(jìn)ABA的積累，ABA又進(jìn)一步促進(jìn)ATHK1的表達(dá)[5]。最近，Kumar等研究認(rèn)為，在脅迫條件下athk1突變體中ABA生物合成關(guān)鍵基因NCED3的表達(dá)量顯著低于野生型（P<0.05），但游離ABA含量差異不大，報(bào)道結(jié)果與前人研究結(jié)果不太一致[9]。對(duì)于Wohlbach等和Kumar等所報(bào)道結(jié)果的差異，筆者認(rèn)為，這一方面可能由于2個(gè)研究組所采用的突變體來(lái)源以及脅迫處理的條件不盡相同；另一方面，由于逆境下植物體內(nèi)游離ABA含量的變化涉及ABA代謝的多個(gè)環(huán)節(jié)，是ABA的合成、分解以及游離態(tài)與結(jié)合態(tài)之間相互轉(zhuǎn)變的綜合結(jié)果[11-13]，Wohlbach和Kumar等各自報(bào)道的可能只是相對(duì)復(fù)雜的ABA應(yīng)答機(jī)制在特定條件下所表現(xiàn)的一個(gè)方面，至于ATHK1與ABA信號(hào)之間更加復(fù)雜的信號(hào)過(guò)程，仍需要開展更多的研究以積累更多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

3.4ATHK1與抗逆基因表達(dá)研究不同基因型之間基因表達(dá)的差異，可為研究提供更多有關(guān)ATHK1如何執(zhí)行功能的信息。Hao等利用DDRTPCR技術(shù)分離了PEG處理后野生型和athk1之間差異顯示的條帶，經(jīng)測(cè)序和序列比對(duì)后得到12個(gè)與植物逆境應(yīng)答相關(guān)的基因。其中，MAPKKK18和Ser/Thr 2個(gè)基因是MAPK信號(hào)通路中的主要成員。由此推測(cè)，ATHK1可能位于MAPK的上游，通過(guò)MAPK磷酸化級(jí)聯(lián)通路而發(fā)揮作用，這與Urao等在酵母突變體中所獲得的結(jié)果相一致[7]。Tran等發(fā)現(xiàn)，在非脅迫條件下，athk1中有16（下轉(zhuǎn)第2036頁(yè)）安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（7）：1925-1926，1928責(zé)任編輯石金友責(zé)任校對(duì)