植物鈣依賴(lài)蛋白激酶CDPK基因功能綜述

費(fèi)小鈺+李紅麗+王俊皓

摘要：CDPK是一類(lèi)Ser/Thr型蛋白激酶，存在于植物的各個(gè)器官和原生生物中，直接被Ca2+信號(hào)激活，通過(guò)對(duì)底物的調(diào)節(jié)，調(diào)控多個(gè)下游支路，將信號(hào)放大，從而完成傳遞信號(hào)的作用，廣泛參與干旱、鹽堿等非生物脅迫。本文對(duì)植物鈣依賴(lài)蛋白激酶CDPK基因功能的研究進(jìn)行綜述。

關(guān)鍵詞：鈣依賴(lài)蛋白激酶（CDPK）；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；生物學(xué)功能

中圖分類(lèi)號(hào)： TS201.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.09.064

植物對(duì)于外部刺激，細(xì)胞常表現(xiàn)為綜合性的反應(yīng)，產(chǎn)生的變化在基因表達(dá)、酶活性、細(xì)胞骨架、通透性等都有體現(xiàn)，然而這些變化并不是全都由于一種信號(hào)所引起的，常為幾種不同信號(hào)通過(guò)復(fù)雜反應(yīng)引起的組合反應(yīng)，這些多種信號(hào)途徑，包括ABA通路、鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，MAPK信號(hào)通路等，各信號(hào)相互交錯(cuò)，協(xié)同調(diào)控，共同完成植物對(duì)逆境的抗性，Ca2+是各個(gè)通路的交叉點(diǎn)。細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通常被稱(chēng)為第二信使，Ca2+作為第二信使在植物受到刺激時(shí)，細(xì)胞感受刺激并改變胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度，通過(guò)濃度的變化植物做出相應(yīng)的反應(yīng)，引發(fā)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，通過(guò)靶蛋白傳感信號(hào)，結(jié)合其他靶蛋白質(zhì)分子（如各種蛋白激酶）啟動(dòng)基因表達(dá)，導(dǎo)致植物應(yīng)急反應(yīng)，形成鈣信號(hào)的復(fù)雜系統(tǒng)。當(dāng)植物感受到外界環(huán)境諸如鹽堿干旱等脅迫時(shí)，胞內(nèi)的多條信號(hào)條件傳遞信息到下游，信號(hào)被逐級(jí)放大傳遞，下游基因得到誘導(dǎo)進(jìn)行表達(dá)，植物生理生化性狀被改變，抵御逆境信號(hào)影響。當(dāng)植物細(xì)胞感受到脅迫環(huán)境，感受逆境信號(hào)的受體感知原生質(zhì)膜變化，傳遞信號(hào)給G蛋白和磷脂酶受體，膜上的Ca2+通道在磷酸化反應(yīng)中被激活，釋放細(xì)胞內(nèi)鈣庫(kù)中的Ca2+，胞內(nèi)游離鈣離子濃度迅速上升，逆境信號(hào)的傳遞過(guò)程就此完成[1]。

CDPK是一類(lèi)Ser/Thr型蛋白激酶，是多基因家族，廣泛存在于植物和原生生物中，其直接被Ca2+信號(hào)激活，而不通過(guò)鈣調(diào)素的作用。CDPK家族有四種類(lèi)型，分別是CDPK關(guān)聯(lián)蛋白激酶家族（CRKs）、鈣調(diào)素與鈣依賴(lài)蛋白激酶家族（SnRKs）、依賴(lài)鈣調(diào)素蛋白激酶家族（CaMKs）和鈣依賴(lài)蛋白激酶家族（CDPKs）[2]。CDPK的活性只表現(xiàn)在與鈣離子結(jié)合之后，其通過(guò)底物磷酸化向下游傳遞信號(hào)。植物細(xì)胞中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有如下幾種可能的與CDPK相關(guān)的底物：結(jié)瘤素、質(zhì)膜質(zhì)子泵、K+/Cl-內(nèi)流通道、Ca2+-ATPase、水孔蛋白等。Milla等[3]在2006年獲得擬南芥AtCPK4、ATCPK11的作用底物AtDi19，AtDi19只與這兩種蛋白結(jié)合，是AtDi家族蛋白之一，與植物脅迫相關(guān)，其在與其他AtCPK家族成員的結(jié)合中表現(xiàn)很弱甚至不結(jié)合。由此可見(jiàn)，CDPK主要通過(guò)對(duì)底物的調(diào)節(jié)，形成多個(gè)下游支路，將信號(hào)放大，從而完成傳遞信號(hào)的作用。

1 CDPK的理化特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CDPK純化后是一種單體酶，其分子量在40kDa到90kDa之間，鎂離子是其主要的輔助因子。CDPKs的結(jié)構(gòu)域有四個(gè)，N端至C端分別為可變、催化、連接和調(diào)控4個(gè)區(qū)域[4]。N末端的可變區(qū)中氨基酸長(zhǎng)度一般在20～200個(gè)不等，且長(zhǎng)短不固定，氨基酸水平的同源性不高，保守性差，多數(shù)CDPK的N端含有豆蔻酰化位點(diǎn)，可被豆蔻?；蜃貦磅；？勺儏^(qū)比鄰區(qū)域?yàn)榇呋瘏^(qū)，又叫蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，含有300多個(gè)氨基酸殘基，Ser/Thr蛋白激酶基因的催化保守序列非常典型，不同種屬間有較高同源性。連接區(qū)緊鄰蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，富含堿性氨基酸，氨基酸殘基僅有20～30個(gè)，有CDPK自抑制片段，具有自我抑制的特點(diǎn)，是CDPK功能區(qū)中相對(duì)穩(wěn)定的，可作為假底物，因此又稱(chēng)自抑制區(qū)。自抑區(qū)由于其含有雙元保守區(qū)，與蛋白質(zhì)的核定位相關(guān)。催化區(qū)在Ca2+的濃度明顯降低時(shí)會(huì)結(jié)合連接區(qū)，激酶活性受到抑制。Ca2+的結(jié)合區(qū)即為調(diào)控區(qū)，含有一段與CaM相似的氨基酸序列，包括4個(gè)EF手型結(jié)構(gòu)，能夠與Ca2+結(jié)合，引起蛋白結(jié)構(gòu)變化，自抑制解除，CDPK被激活[5]。

2 CDPK生物學(xué)功能

CDPK的生物學(xué)功能已被廣泛研究，主要功能如下。

2.1參與激素信號(hào)調(diào)節(jié)

激素的變化可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度發(fā)生改變，在激素向下游傳遞信號(hào)時(shí)，CDPK的重要作用得以凸顯。研究表明，赤霉素、脫落酸、油菜素內(nèi)脂、吲哚-3-乙酸和細(xì)胞分裂素可以誘導(dǎo)CDPK的轉(zhuǎn)錄水平。經(jīng)赤霉素處理過(guò)的水稻種子，其CDPK活性提高10倍。被油菜素內(nèi)酯處理的水稻幼苗，其CDPK活性明顯提高。

2.2參與植株生長(zhǎng)和發(fā)育的調(diào)控

Ca2+在植物生長(zhǎng)發(fā)育中具有明顯調(diào)節(jié)作用。在BY-2細(xì)胞中，滲透脅迫和氧化應(yīng)激可以增加細(xì)胞內(nèi)鈣的水平，這導(dǎo)致細(xì)胞周期的延遲。大量實(shí)驗(yàn)表明，CDPK真正參與早期發(fā)育階段，在檀香體細(xì)胞，胚乳和幼苗中CDPK均有積累。在研究蒺藜苜蓿的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)RNAi沉默技術(shù)使CDPK1低表達(dá)，導(dǎo)致植物根細(xì)胞長(zhǎng)度降低，說(shuō)明CDPK1參與到根系的發(fā)育。在種子發(fā)育過(guò)程中，水稻的OsCDPK11和OsCDPK2表達(dá)模式不同。OsCDPK11在早期水稻種子中發(fā)育水平高，受精后的10天表達(dá)水平降低，相反，OsCDPK2在水稻種子發(fā)育初期表達(dá)量較低，種子發(fā)育中期表達(dá)量不斷增加，種子發(fā)育后期表達(dá)量達(dá)到最高[6]。

2.3參與脅迫應(yīng)答和抗逆性

通過(guò)對(duì)水稻、擬南芥和其他植物的研究顯示，27個(gè)水稻CDPK成員和34個(gè)擬南芥CDPK成員，其多數(shù)與應(yīng)激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)。在鹽脅迫和干旱脅迫條件下，擬南芥AtCDPK1和AtCDPK2的表達(dá)增加顯著。10天左右的水稻幼苗OsCPK7的表達(dá)量低，經(jīng)鹽處理后轉(zhuǎn)錄水平增加。CPK7表達(dá)量特別高的轉(zhuǎn)基因水稻，對(duì)于逆境環(huán)境的適應(yīng)能力也較高。在擬南芥中AtCPK10和AtCPK30參與脫落酸以及非生物脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。 Urao等研究發(fā)現(xiàn)，高鹽環(huán)境、干旱環(huán)境，AtCDPK1與AtCDPK2基因轉(zhuǎn)錄水平均顯著上調(diào)[7]。

2.4參與氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)

當(dāng)植物受到ABA誘導(dǎo)時(shí)葉片氣孔關(guān)閉，鈣離子會(huì)對(duì)質(zhì)膜前導(dǎo)鉀通道活性進(jìn)行抑制，導(dǎo)致鉀離子流出量增加。開(kāi)放過(guò)程使離子達(dá)到平衡狀態(tài)，CDPK介導(dǎo)的Ca2+參與反應(yīng)。其中，干旱條件下，ABA濃度增加，導(dǎo)致細(xì)胞膜上的Ca2+濃度增加，激活了CDPK，CDPK進(jìn)而抑制脂膜上內(nèi)向K+通道，并且作用液泡膜上的K+通道，使K+向胞外流出，從而達(dá)到離子平衡。例如，當(dāng)有Ca2+時(shí)，擬南芥的CDPK成員AtCPK1可以激活蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上的Cl-通道[8]。

2.5調(diào)節(jié)植物細(xì)胞骨架

保持組織和細(xì)胞的結(jié)構(gòu)是植物細(xì)胞骨架的主要功能。 Putnam-Evans 等[9]的研究表明，CDPK參與肌動(dòng)蛋白合成的聚合體影響植物節(jié)間和花粉管快速生長(zhǎng)，部分CDPK成分可以組合形成聚合物和肌動(dòng)蛋白微原纖維。 Moutinho 等[10]發(fā)現(xiàn)當(dāng)花粉管快速生長(zhǎng)時(shí)，頂端活躍生長(zhǎng)細(xì)胞中CDPK濃度更高。當(dāng)花粉管開(kāi)始伸長(zhǎng)時(shí)，擁有較高濃度的CDPK使其伸長(zhǎng)速度也更快。 研究發(fā)現(xiàn)，CDPK對(duì)細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)和調(diào)控胞質(zhì)環(huán)流均有重大影響。

2.6參與離子調(diào)節(jié)和水分跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

關(guān)于水分跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和離子調(diào)節(jié)的報(bào)告已有很多，參與CDPK調(diào)節(jié)的蛋白有很多種，包括液泡膜表面水通道蛋白、質(zhì)膜K+通道、H + -ATPase 、液泡膜上的陰離子通道、玉米根尖部位質(zhì)膜的33kD和58kD蛋白和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的ACA2Ca2+-ATPase[11]。因此，水通道蛋白以及離子通道蛋白在數(shù)量，活性和分布上都能夠被CDPK調(diào)節(jié)。CDPK在植物正常生長(zhǎng)和逆境環(huán)境中離子和水分運(yùn)輸上意義重大。

2.7參與植株碳氮代謝

在低滲脅迫過(guò)程中，蔗糖磷酸合成酶（SPS）可以被CDPK激活，使得胞內(nèi)蔗糖濃度增加，降低細(xì)胞水勢(shì)，從而提升細(xì)胞的保水能力。黑暗中CDPK也能夠抑制SPS磷酸化，說(shuō)明由CDPK介導(dǎo)的Ca2+參與到了磷酸化的抑制過(guò)程。研究表明CDPK在對(duì)植物碳氮代謝上影響重大。

2.8參與應(yīng)對(duì)病原微生物侵害的響應(yīng)與防御過(guò)程

在不同植物/病原體系統(tǒng)的研究中，已知細(xì)胞質(zhì)鈣的流入在由病原體誘導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)的激活中特別重要。 Avr9的病原體可影響編碼蛋白的重要過(guò)程，編碼相應(yīng)蛋白Cf-9不僅誘導(dǎo)信號(hào)通路，而且激活NtCDPK2，Cf-9在轉(zhuǎn)基因煙草中過(guò)表達(dá)，可以大大提高 NtCDPK2基因的轉(zhuǎn)錄[12]，充分證實(shí)CDPK在Cf-9/Avr9誘導(dǎo)情況下產(chǎn)生的超敏反應(yīng)中起重要作用。

3 展望

CDPK廣泛分布在植物中、藻類(lèi)和原生動(dòng)物中，研究表明，根、莖、葉、花、種子等植物器官上均存在CDPK基因，在細(xì)胞水平上，花粉、保衛(wèi)、分生、胚細(xì)胞和木質(zhì)部也都證明了CDPK的存在。亞細(xì)胞水平如液泡膜、質(zhì)膜、線粒體外膜等也都發(fā)現(xiàn)其存在跡象。自1982年CDPK第一次在豌豆莖中發(fā)現(xiàn)，其抗逆機(jī)制深深吸引人們來(lái)探索，研究人員對(duì)CDPK基因的研究也隨之深入，目前已知擬南芥有34個(gè)CDPK成員，其中AtCPK10、AtCPK11參與鹽堿、干旱脅迫應(yīng)答，AtCPK8、AtCPK10的超表達(dá)能夠顯著提高植物抗旱性，AtCPK27在鹽堿脅迫應(yīng)答中發(fā)揮作用。CDPK在水稻中有31個(gè)成員，其中OsCPK7與水稻耐鹽性和耐冷性正相關(guān)，OsCPK21使水稻耐鹽堿性增強(qiáng)，OsCPK12正向調(diào)控水稻耐鹽性，參與ABA信號(hào)途徑，與此同時(shí)，與水稻瘟病抗性負(fù)相關(guān)[13]。陳飛[14]等推測(cè)出蘋(píng)果26個(gè)CDPK成員，分為4個(gè)亞家族，其亞家族分類(lèi)與擬南芥亞家族分類(lèi)一致。張進(jìn)[15]等推測(cè)出楊樹(shù)32個(gè)CDPK基因和10個(gè)CRK基因成員。目前由于生態(tài)環(huán)境破壞非常嚴(yán)重，土地鹽堿化、沙漠化日益擴(kuò)大，人們希望通過(guò)培育抗逆性強(qiáng)的植物來(lái)解決上述問(wèn)題。伴隨著基因遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展，CDPK參與干旱、鹽堿等非生物脅迫，參與基因信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)均已被證實(shí)，超表達(dá)的CDPK通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)基因植物下游基因的誘導(dǎo)表達(dá)，提高植物在應(yīng)對(duì)鹽堿、干旱、低溫等環(huán)境中擁有更強(qiáng)抵御能力。CDPK基因在植物抗逆基因工程中的應(yīng)用必將更廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]Chinnusamy V，Schumaker K，Zhu J K . Molecular genetic perspectives on cross-talk and specificity in abiotic stress signaling in plants [J]. J Exp Bot，2004，55（395）：225-236 .

[2] White P J， Broadley M R. Calcium in plant [J]. Ann Bot， 2003， 92（04）：487-511.

[3]Rodrigurez M M A， Uno Y， Chang I F， et al. A novel yeast two-hybrid approach to identify CDPK substrates：characterization of the interaction between AtCPK11and AtDi19，a nuclear zinc finger protein[J].FEBS Lett，2006，580（03）：904-911.

[4] Cheng S H，Chen H C. Calcium signaling through protein kinases. The Arabidopsis calcium-dependent protein kinase gene family [J]. Plant Physiology，2002，129（02）：469-485.

[5] Rutschmann F， Stalder U， Piotrowski M， et al. LeCPK1， a calcium-dependent protein kinase from tomato.

Plasma membrane targeting and biochemical characterization[J]. Plant Physiology， 2002， 129（01）： 156-168.

[6]Frattini M，Morello L，Breviario D. Rice calcium-dependent protein kinase isoforms OsCDPK2 and OsCDPK11 show different responses to light and different expression patterns during seed development [J]. Plant Mol Biol，1999，41（06）：753-764.

[7]Urao T，Katagiri T，Mizoguchi T， et al. Two gene that encode Ca2+dependent protein kinase are induced by drought and high-salt stress in Arabidopsis thaliana [J]. Mol Gen Genet，1994，244（04）：331-340.

[8] Pei Z M，Ward J M，Harper J F， et al. A novel chloride channel in Vicia faba guard cell vacuoles activated by the serine/threonine kinase， CDPK [J]. Embo J，1996，15（23）：6564-6570.

[9]Putnam-Evans C，Harmon A C，Palevitz B A，et al. Calcium dependent protein kinase is localized with F-actin in plant cells [J]. Cell Motil Cytoskelet，1989，12（01）：12-22.

[10] Moutinho A，Trewavas A J，Malho R. Relocation of a Ca2+-dependent protein kinase activity during pollen tube reorientation [J]. Plant Cell，1998，10（09）：1499-1509.

[11] Harvengt P，Vlerick A，F(xiàn)uks B，et al. Lentil seed aquaporins form a hetero-oligomer which is phosphorylated by a Mg2+- dependent and Ca2+- regulated kinase [J]. Biochem J，2000，352（01）：183-190.

[12] Romeis T，Piedras P，Jones J D G. Resistance gene-dependent activation of a calcium-dependent proteinkinase in the plant defense response [J]. Plant Cell，2000，12（05）：803-815.

[13] Asano T， Hakata M， Nakamura H， et al. Functional characterisation of OsCPK21，a calcium-dependent protein kinase that confers salt tolerance in rice[J].Plant Mol Biol，2011，75（01）：179-191.

[14] 陳飛，尹歡，梁英海，等.蘋(píng)果鈣依賴(lài)型蛋白激酶基因家族的進(jìn)化研究[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2013，25（09）：15-20.

[15] 張進(jìn)，李建波，劉伯斌，等.楊樹(shù)CDPK基因家族的表達(dá)分析及功能預(yù)測(cè)[J].林業(yè)科學(xué)研究，2014，27（05）：604-611.

作者簡(jiǎn)介：費(fèi)小鈺，碩士，研究方向：植物生物化學(xué)與分子生物學(xué)。