鈣依賴蛋白激酶在植物中的研究進(jìn)展

劉默璇，沙偉，張梅娟，馬天意

鈣依賴蛋白激酶在植物中的研究進(jìn)展

劉默璇1，2，沙偉1，2，張梅娟1，2，馬天意1，2

（齊齊哈爾大學(xué) 1. 生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，2. 抗性基因工程與寒地生物多樣性保護(hù)黑龍江重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

Ca2+在植物生長(zhǎng)發(fā)育中是重要的第二信使，幾乎介導(dǎo)了植物生長(zhǎng)發(fā)育的全部過(guò)程．鈣依賴蛋白激酶（CDPKs）是植物中重要的鈣傳感蛋白，鈣依賴蛋白激酶是一類大的蛋白激酶家族，是典型的蘇氨酸/絲氨酸類蛋白激酶，極大范圍存在于各種原生動(dòng)物和植物當(dāng)中，參與多種生命活動(dòng)的調(diào)控，它與鈣傳感蛋白結(jié)合，將鈣信號(hào)向下游傳遞并級(jí)聯(lián)放大，從而進(jìn)行調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)．對(duì)植物CDPKs的結(jié)構(gòu)、分類及生理功能方面進(jìn)行介紹，為深入研究CDPKs提供理論基礎(chǔ)．

鈣依賴蛋白激酶；植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)；植物發(fā)育調(diào)控

CDPKs全稱是鈣依賴蛋白質(zhì)激酶（calcium-dependent protein kinase），又稱作類鈣調(diào)素結(jié)構(gòu)域蛋白激酶（calmodulin-like domain protein kinase）[1]．CDPKs的作用底物具有多樣性，包括酶、離子通道、水通道、轉(zhuǎn)錄因子等，同時(shí)還參與植物細(xì)胞內(nèi)其它重要的信號(hào)通路，包括ABA（abscisic acid，ABA）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路、ROS（reactive oxygen species，ROS）信號(hào)通路、茉莉酸信號(hào)通路、乙烯信號(hào)通路、水楊酸合成途徑、非生物脅迫應(yīng)答等．近年來(lái)，CDPKs在抗逆應(yīng)答方向上也獲得了極大發(fā)展，CDPKs還能調(diào)節(jié)植物激素和非生物脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的相關(guān)基因表達(dá)、代謝、離子通道、氣孔運(yùn)動(dòng)等[2]1531．

大豆（）鈣依賴性蛋白激酶代表了一類新的蛋白激酶活動(dòng)需要鈣，但不需要鈣調(diào)素，至今是植物中研究較多的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛分布于植物和一些原生生物中．鈣作為細(xì)胞內(nèi)第二信使，在植物中，細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平被調(diào)節(jié)以響應(yīng)各種信號(hào)，包括激素、光、機(jī)械干擾、非生物脅迫和病原體引發(fā)劑等許多壓力信號(hào)，Ca2+水平的變化經(jīng)常伴隨著蛋白質(zhì)磷酸化的改變，這一過(guò)程主要是由鈣依賴蛋白激酶完成的，從而證明CDPKs在增強(qiáng)非生物脅迫能力方面的有效性[3]469．研究證明，CDPKs在植物環(huán)境脅迫時(shí)發(fā)揮作用，多種環(huán)境因子（如冷害[4]、光[5]、干旱[6]、鹽害[7]5556、低滲透[8]等）都能導(dǎo)致CDPKs基因的特異性表達(dá)．目前，植物中很多CDPKs的基因已經(jīng)被克隆，如在擬南芥（）基因組中發(fā)現(xiàn)CDPKs基因34個(gè)[8]、水稻（）31個(gè)[9]、小麥（）20個(gè)[10]、玉米（）35個(gè)[11]、毛果楊（）20個(gè)[12]．關(guān)于CDPKs基因的研究在理解植物生長(zhǎng)發(fā)育以及增強(qiáng)植物抗環(huán)境脅迫能力方面具有非常重要的意義．

1　鈣依賴蛋白激酶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類

植物中對(duì)Ca2+敏感的蛋白激酶的最大家族是CDPKs，這些蛋白激酶具有Ca2+結(jié)合EF-hand基序，在調(diào)控區(qū)類似CaM，Ca2+與這些區(qū)域的結(jié)合導(dǎo)致蛋白激酶活性的激活，因此CDPKs可以被認(rèn)為是Ca2+信號(hào)的主要傳感器[13]．保守的CDPKs結(jié)構(gòu)由3個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，即N端可變結(jié)構(gòu)域，絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶結(jié)構(gòu)域和CDPKs激活結(jié)構(gòu)域CAD（CDPK activation domain）．CAD由假底物片段和與鈣調(diào)蛋白高度同源的Ca2+結(jié)合結(jié)構(gòu)域組成，因此包含以前的報(bào)道中描述為抑制性結(jié)合結(jié)構(gòu)域和鈣調(diào)蛋白樣結(jié)構(gòu)域CLD（calmodulin-like domain）的內(nèi)容，CLD一般包含4個(gè)與Ca2+結(jié)合的EF hands基序．EF手型結(jié)構(gòu)是成對(duì)存在的，因此可以當(dāng)作有一個(gè)N端EF手型結(jié)構(gòu)對(duì)（N-EF lobe）和C-端EF手型結(jié)構(gòu)對(duì)（C-EF lobe）[14]．

鈣依賴性蛋白激酶或鈣調(diào)蛋白樣結(jié)構(gòu)域蛋白激酶超家族由4種類型的蛋白激酶構(gòu)成．CCaMKs含有鈣結(jié)合蛋白并含3個(gè)EF-hands可能在少數(shù)細(xì)胞中表達(dá)，CaMKs含相同的鈣調(diào)蛋白結(jié)合位點(diǎn)，但缺少C末端包含EF-hands的CDPKs相關(guān)蛋白激酶，它們有催化作用與CDPKs及其C端密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)域與鈣調(diào)素有一些序列相似性（20%同一性），但它們的EF-hands保守性差[15]．

2　鈣依賴蛋白激酶基因的分離與克隆

鈣依賴蛋白激酶廣泛存在于植物、藻類及部分原生動(dòng)物中，尚未在細(xì)菌、真菌、酵母、線蟲(chóng)和動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)[16]．細(xì)胞質(zhì)CDPKs可以進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)或質(zhì)體表面[17]．鈣可以通過(guò)刺激鈣依賴性蛋白激酶作為第二信使發(fā)揮作用，黃瓜（）CDPKs基因編碼的蛋白質(zhì)與葡萄（）同源性最高，為73%，與蓖麻（）的同源性為70%，與大豆的同源性為67%，與琴葉擬南芥（）的同源性為67%，與高粱（）的同源性為63%，與玉米的同源性為61%，均在60%以上[18]．從擬南芥中克隆了編碼鈣依賴、鈣調(diào)蛋白非依賴蛋白激酶的2個(gè)cDNA克隆，顯示出與大豆CDPKs的顯著相似性分別為51%和73%[19]．從煙草（）中分離出一個(gè)編碼鈣依賴蛋白激酶的cDNA與胡蘿卜（）的CDPKs蛋白質(zhì)DcCPK1高度同源，同源性為76.5%．煙草NtCDPK1與胡蘿卜的CDPKs種DcCPK1高度同源，顯示76.5%的氨基酸序列同一性[20]．

3　鈣依賴蛋白激酶基因?qū)χ参矬w生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程的階段影響和生理響應(yīng)

CDPKs參與細(xì)胞中多種亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的生命活動(dòng)，包括細(xì)胞核膜、細(xì)胞骨架等，由其磷酸化作用控制的信號(hào)傳導(dǎo)途徑控制著植物體不同生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，尤其是在遭受不同環(huán)境脅迫時(shí)使植物體做出快速的生理響應(yīng)[21]．從美國(guó)紅心芭蕉（）克隆出6個(gè)CDPKs基因，分別為MaCDPK1，MaCDPK2，MaCDPK3，MaCDPK4，MaCDPK5，MaCDPK6，這6個(gè)基因在幼苗的發(fā)育和適應(yīng)非生物或者生物脅迫中發(fā)揮作用．其中，在各種脅迫下，6個(gè)MaCDPK反應(yīng)不同，如MaCDPK3，MaCDPK5，MaCDPK6對(duì)低溫有反應(yīng)，MaCDPK6對(duì)鹽脅迫有反應(yīng)，而MaCDPK3，MaCDPK6對(duì)干旱有反應(yīng)，并且MaCDPK3對(duì)生物和非生物脅迫敏感[22]．從鐵皮石斛（）中分離出3個(gè)鈣依賴蛋白激酶基因（DoCDPK1，DoCDPK2，DoCDPK6），并證明這3個(gè)基因在低溫和高鹽脅迫條件下，其表達(dá)量均呈現(xiàn)不同程度的上調(diào)，該結(jié)果表明CDPKs基因可能參與蘭科植物菌根共生、生物和非生物脅迫響應(yīng)等生理活動(dòng)[23]．?dāng)M南芥CPK10基因表現(xiàn)出對(duì)干旱脅迫更加敏感的表型，而CPK10過(guò)表達(dá)系表現(xiàn)出增強(qiáng)的對(duì)干旱脅迫的耐受性．CPK6在擬南芥對(duì)鹽/干旱脅迫的反應(yīng)中起著積極的調(diào)節(jié)作用[24]．過(guò)表達(dá)OsCPK4在水稻植株中顯著增強(qiáng)了對(duì)鹽和干旱的耐受性壓力，數(shù)據(jù)表明OsCPK4通過(guò)保護(hù)細(xì)胞膜免受鹽脅迫和干旱脅迫的影響，在水稻鹽脅迫和干旱脅迫反應(yīng)中起到正向的調(diào)節(jié)作用來(lái)應(yīng)激誘導(dǎo)的氧化損傷．這些研究表明，CDPKs在植物適應(yīng)逆境過(guò)程中起到重要作用[25]．番茄（）LeCPK2在植物的熱脅迫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用，能夠有效保護(hù)植株免受高溫脅迫的損害，是優(yōu)秀的耐熱（光）基因[26]．

鈣依賴蛋白激酶可隨植物細(xì)胞內(nèi)的鈣濃度變化而變化，并在抗病和各種脅迫反應(yīng)的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中發(fā)揮重要作用．小麥中對(duì)10個(gè)CDPKs進(jìn)行干旱、鹽度和脫落酸處理，被證明參與多種非生物脅迫．系統(tǒng)發(fā)育分析表明，這些基因與其它物種中的CDPKs關(guān)系密切，水稻CDPKs的過(guò)表達(dá)基因OsCDPK7為植物提供耐寒、耐鹽和耐旱能力[27]654．

已有研究表明，擬南芥CDPKs家族成員參與了激素應(yīng)答及非生物學(xué)脅迫誘導(dǎo)的多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，如CPK4，CPK11通過(guò)調(diào)控ABA信號(hào)途徑參與了植物對(duì)鹽和干旱脅迫的反應(yīng)，CPK6，CPK10，CPK21，CPK23通過(guò)調(diào)控保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上的陰離子通道介導(dǎo)了植物的抗旱反應(yīng)[28]．

4　參與胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

CDPKs是一個(gè)多基因家族，其功能涉及植物，生物和非生物脅迫各種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促成CDPKs活動(dòng)的一個(gè)因素是膜結(jié)合，磷脂是在壓力下參與植物細(xì)胞信號(hào)通路迅速產(chǎn)生的．隨后新合成的脂質(zhì)可以通過(guò)將酶募集到膜位點(diǎn)來(lái)激活酶通過(guò)增加局部酶濃度促進(jìn)監(jiān)管互動(dòng)[29]，鈣在植物細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)中起著重要作用，并已經(jīng)被證明其是參與脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要第二信使[30]．鈣依賴性蛋白激酶是植物和原生動(dòng)物中絲氨酸/蘇氨酸激酶的一個(gè)大家族．從煙草中分離出2個(gè)相關(guān)的CDPKs基因，這些CDPKs轉(zhuǎn)錄本在種族特異性防御引發(fā)和低滲透應(yīng)激后升高[7]5556．面包小麥中CDPKs基因的首次全面研究，小麥CDPKs基因?qū)Ω鞣N生物和非生物刺激有反應(yīng)，包括冷、過(guò)氧化氫、鹽、干旱、白粉?。˙lumeriagraministritici，Bgt）、植物激素脫落酸（abscisic acid，ABA），表明小麥CDPKs是多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的匯合點(diǎn)，并為小麥中這個(gè)重要基因家族的進(jìn)一步功能研究奠定了基礎(chǔ)[27]654．

5　參與氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)

植物受到ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，K+從細(xì)胞流出，有研究結(jié)果表明，刺激誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中的鈣通量可以激活CDPKs參與氣孔運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，開(kāi)放過(guò)程使離子達(dá)到平衡狀態(tài)，CDPKs介導(dǎo)的Ca2+參與反應(yīng)[3]475．此外，各種刺激，如脫落酸、CO2和氧化應(yīng)激可以快速誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中細(xì)胞溶質(zhì)鈣離子濃度的增加，CDPKs在蠶豆（）保衛(wèi)細(xì)胞原生質(zhì)體中，細(xì)胞溶質(zhì)Ca2+濃度增加在抑制氣孔開(kāi)放中起關(guān)鍵作用，而CDPKs自磷酸化和催化活性都依賴于Ca2+[31]．?dāng)M南芥AtCPK21已被證實(shí)參與植物滲透脅迫應(yīng)答和氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)控，AtCPK23被證實(shí)參與干旱和高鹽脅迫應(yīng)答、氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)控[2]1536．

6　展望

近10多年來(lái)，各國(guó)的研究者對(duì)CDPKs進(jìn)行了深入的研究，獲得了一些成果和成就．蛋白質(zhì)的可逆磷酸化是生物體中普遍存在的一種調(diào)節(jié)機(jī)制，在細(xì)胞對(duì)各種植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境信號(hào)的識(shí)別與轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中發(fā)揮重要作用．隨著越來(lái)越多蛋白激酶分離和功能的研究，揭示了CDPKs等蛋白激酶所催化的蛋白磷酸化作用，在植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有重要地位．植物CDPKs的研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快，作為細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的重要組成部分，越來(lái)越多的CDPKs基因正在從不同的植物中被克隆鑒定．對(duì)于CDPKs的生理功能和作用機(jī)理，現(xiàn)有的研究大都停留在表面階段，還存在大量的難題．因此，加強(qiáng)對(duì)CDPKs內(nèi)源底物和對(duì)CDPKs下游事件的研究將有助于清楚CDPKs的生理功能和作用機(jī)制．

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Research progress of calcium-dependent protein kinase in plants

Liu Moxuan1，2，Sha Wei1，2，Zhang Meijuan1，2，Ma Tianyi1，2

（1. School of Life Sciences，Agriculture and Forestry，2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Resistance Gene Engineering and Protection of Biodiversity in Cold Areas，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Ca2+is an important second messenger in plant growth and development，and almost mediates the entire process of plant growth and development．Calcium-dependent protein kinases（CDPKs）are important calcium sensor proteins in plants．Calcium-dependent protein kinases are a large family of protein kinases，which are typical threonine/serine protein kinases．CDPKs exist in a wide range of protozoa and plants and are involved in the regulation of various life activities．CDPKs combine with calcium sensor proteins to transmit downstream calcium signals and cascade amplification，thereby regulating the growth and development of plants and stress responses．In this review，structure，classification and physiological functions of plant CDPKs were introduced，which might provide theoretical foundation for further research of CDPKs．

calcium-dependent protein kinase；plant signal transduction；plant development regulation

Q946.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.11.014

1007-9831（2020）11-0067-05

2020-07-20

黑龍江省省屬高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目（135309364）；黑龍江省省屬高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)科研項(xiàng)目植物性食品加工技術(shù)特色學(xué)科專項(xiàng)（YSTSXK201876）；黑龍江省人力資源和社會(huì)保障廳2018年省級(jí)留學(xué)回國(guó)人員擇優(yōu)資助項(xiàng)目

劉默璇（1996-），女，黑龍江北安人，在讀碩士研究生，從事植物分子遺傳學(xué)研究．E-mail：2489398945@qq.com

馬天意（1989-），男，黑龍江齊齊哈爾人，講師，博士，從事植物逆境分子遺傳學(xué)研究．E-mail：tyma8902@hotmail.com