植物應(yīng)答非生物脅迫的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑研究進(jìn)展

肖 暢,彭 婷

(1.湖北廣播電視大學(xué) 導(dǎo)學(xué)中心，湖北 武漢 430000；2.贛南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著全球氣候的惡劣變化，近年來(lái)干旱、低溫、高鹽等非生物脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的影響顯得尤為突出。為了應(yīng)對(duì)環(huán)境壓力帶來(lái)的影響，植物逐漸進(jìn)化出相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制或生長(zhǎng)習(xí)性來(lái)避免傷害。了解植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫的調(diào)控機(jī)制，對(duì)于有效提高其抗性至關(guān)重要[1]。

植物非生物脅迫應(yīng)答主要分為三個(gè)階段：一是植物對(duì)環(huán)境脅迫的感知，從而產(chǎn)生逆境信號(hào)；二是逆境信號(hào)在植物體內(nèi)傳導(dǎo)和逐級(jí)放大；三是受體細(xì)胞對(duì)逆境信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致逆境相關(guān)功能基因的表達(dá)，從而產(chǎn)生抗逆性[2]。目前研究表明，植物感知非生物脅迫刺激后，主要有三種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑：脫落酸(Abscisic acid，ABA)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、鈣離子(Ca2+)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、促分裂素原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK)級(jí)聯(lián)途徑[3,4]，但這三種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間又存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的交互關(guān)系。本文對(duì)這三種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑進(jìn)行了綜述和比較，推測(cè)出一條非生物脅迫環(huán)境下調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的Ca2+和MAPK介導(dǎo)的ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。以期理清其復(fù)雜的信號(hào)交叉關(guān)系，為植物抗逆研究提供一定理論依據(jù)。

1 ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

ABA在植物的生長(zhǎng)發(fā)育、脅迫應(yīng)答等許多生理過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。這些生物學(xué)過(guò)程受到復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的嚴(yán)格控制，包括ABA的穩(wěn)態(tài)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及與其它信號(hào)通路之間的交叉調(diào)控。ABA作為一種長(zhǎng)距離信號(hào)介導(dǎo)植物整個(gè)的逆境應(yīng)答過(guò)程，同時(shí)作為一種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子激活逆境相關(guān)基因的表達(dá)[4]。水分缺失和高鹽脅迫誘導(dǎo)植物ABA的積累，ABA的積累調(diào)控相關(guān)基因的表達(dá)以及氣孔的關(guān)閉[5]。最新研究表明，葉片可能是ABA生物合成的主要部位，干旱脅迫時(shí)在保護(hù)細(xì)胞中誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉[6]。

在ABA信號(hào)中起作用的分子元件中，蛋白激酶和磷酸酶在調(diào)解信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中起著中心作用。在擬南芥中ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)早期信號(hào)級(jí)聯(lián)的中心是由三個(gè)蛋白質(zhì)組成的中央信號(hào)模塊：其中PYR/PYL/RCAR(Pyrabactin Resistance/Pyrabactin resistance-like/Regulatory component of ABA Receptor)被認(rèn)為是ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的受體，PP2C(Protein Phosphatase 2C，蛋白磷酸酶2C)是負(fù)調(diào)控者， SnRK2s(SNF1-Related Protein Kinases type 2，蔗糖非酵解蛋白激酶2)是正調(diào)控者[7]。Romero等(2012)在柑橘基因組中鑒定了與擬南芥同源的6個(gè)PYR/PYL/RCAR、5個(gè)PP2Cs、2個(gè)SnRK2s，是ABA感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的核心元素[8]。葡萄ABA核心信號(hào)至少由7個(gè)ABA受體、6個(gè)PP2Cs和6個(gè)SnRK2s組成[9]。

1.1 ABA受體

ABA受體是ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要成分，受到泛素連接酶、硝酸酶和激酶的調(diào)節(jié)。擬南芥中的ABA受體激酶CARK1、CARK6通過(guò)與ABA受體相互作用正調(diào)控ABA信號(hào)調(diào)控因子[10,11]。此外，ABA信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)導(dǎo)受到蛋白質(zhì)翻譯后的泛素化修飾調(diào)控。如26S蛋白酶體能夠降解ABI1[12]，RING類型的泛素連接酶如擬南芥RING1A促進(jìn)ABA受體的降解，作為負(fù)調(diào)控因子參與ABA信號(hào)途徑的調(diào)控[13]。

被子植物PYL受體被分為三個(gè)亞族(I，II，III)。擬南芥基因組編碼14個(gè)RCARs，分為三個(gè)亞族，亞族I包括RCAR1-4，亞族II包括RCAR5-10, 亞族III包括RCAR11-14，雖然這些蛋白高度保守，但是基因表達(dá)模式存在顯著差異[14]。柑橘中與擬南芥ABA受體同源的六個(gè)基因分別命名為CsPYR1、CsPYL2、CsPYL4、CsPYL5、CsPYL8和CsPYL9，其中CsPYL8和CsPYL9屬于亞族I，CsPYL4和CsPYL5屬于亞族II，CsPYR1和CsPYL2屬于亞族III，聚集在同一亞族的蛋白質(zhì)具有更高的相似性[8]。

1.2 PP2Cs

PP2Cs是高等植物中最大的蛋白磷酸酶家族，主要有ABI1、ABI2、HAB1、AHG3/AtPP2CA、AHG1等，擬南芥PP2Cs家族基因的A亞族成員已經(jīng)被證實(shí)負(fù)調(diào)控ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[6]。例如，擬南芥中AtPP2CA以及水稻中OsPP2C50和OsPP2C55是氣孔關(guān)閉時(shí)ABA信號(hào)的主要負(fù)調(diào)控因子[15]。在柑橘脫水過(guò)程中，CsPP2C基因負(fù)調(diào)控ABA的變化，并且比ABA受體對(duì)ABA的調(diào)控更加敏感[8]。ABA可通過(guò)抑制RGLG1 E3連接酶的豆蔻?；蛊鋸馁|(zhì)膜轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，從而降解PP2CA，達(dá)到增強(qiáng)植株對(duì)外源ABA、鹽脅迫和滲透脅迫的響應(yīng)[16]。何紅紅等(2018)從葡萄基因組中鑒定克隆得到27個(gè)PP2C家族基因，根據(jù)進(jìn)化分析將其分為10個(gè)亞族，并且不同亞族在響應(yīng)逆境脅迫過(guò)程中作用也不一樣[17]。

1.3 SnRK2s激酶

SnRK2s激酶受到滲透脅迫的激活，是將ABA信號(hào)傳遞給整個(gè)植物細(xì)胞的主要蛋白激酶。擬南芥基因組中包含有十個(gè)SnRK2s成員，被分為三個(gè)亞族，其中III類SnRK2s主要通過(guò)ABA處理被激活，它們?cè)贏BA作用下使多種蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化反應(yīng)[15]。激活后的SnRK2s同時(shí)可磷酸化下游的膜通道蛋白和轉(zhuǎn)錄因子，如SLAC1(SLOW ANION CHANNEL1，慢陰離子通道1)、KAT1(POTASSIUM CHANNEL IN ARABIDOPSIS THALIANA 1，擬南芥鉀通道)等控制氣孔運(yùn)動(dòng)[7,15]。其中SnRK2.6，屬于OST1(Open Stomata 1)，在ABA調(diào)控氣孔開(kāi)閉過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[19]。SnRK2s已經(jīng)在多個(gè)物種中被證實(shí)具有保守的抗非生物脅迫功能[20]。在葡萄中VvSnRK2.1和VvSnRK2.6作為ABA信號(hào)通路中的重要因子，參與干旱條件下的氣孔調(diào)節(jié)[9]。SHAO(2014)在蘋果基因組中確定了14個(gè)假定的SnRK2序列，根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)表明，與單子葉植物水稻和玉米的蛋白質(zhì)相比，MpSnRK2與葡萄和擬南芥的SnRK2更為接近，且大部分家族成員在多種非生物脅迫中發(fā)揮作用[21]。從野生蘋果中克隆得到的MpSnRK2.10在擬南芥和蘋果中超表達(dá)表明其在干旱脅迫和ABA信號(hào)中的積極調(diào)節(jié)作用[20]。

(注：A圖是無(wú)ABA參與的，PP2Cs抑制SnRK2s活性，從而無(wú)法將信號(hào)傳導(dǎo)到下游靶基因。B圖是ABA參與之下，抑制PP2Cs，激活SnRK2s，活性SnRK2s激酶磷酸化下游靶基因，包括AREB/ABF轉(zhuǎn)錄因子、陰離子通道和NADPH氧化酶，從而誘導(dǎo)ABA反應(yīng)。)

如圖1所示，脅迫會(huì)促進(jìn)ABA與其受體PYR/PYLs/RCAR結(jié)合，接著與PP2C形成ABA-PYLs-PP2C三元復(fù)合體，導(dǎo)致PP2C與SnRK2二元復(fù)合體解體，恢復(fù)磷酸化活性的SnRK2激活響應(yīng)干旱脅迫的轉(zhuǎn)錄因子，如ABA應(yīng)答元件ABRE結(jié)合因子(ABFs)，促使其特異性誘導(dǎo)靶基因表達(dá)增強(qiáng)植株抗旱性的功能蛋白，如LEA蛋白、滲透調(diào)節(jié)蛋白和抗氧化酶等[22～25]。Boneh(2012)等采取酵母雙雜交系統(tǒng)在葡萄中鑒定了上述ABA核心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)成分之間48種不同的相互作用組合[9]。說(shuō)明植物在不同路徑之間的選擇能力能夠使其適應(yīng)特定的不良環(huán)境。

2 Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

Ca2+是真核生物中最通用的第二信使，幾乎參與了信息處理的各個(gè)方面[26][27]。細(xì)胞內(nèi)鈣水平在外界刺激下的波動(dòng)被稱為鈣波，由細(xì)胞內(nèi)的Ca2+感受蛋白感知，并將這些信號(hào)傳遞到下游反應(yīng)。目前已知鈣信號(hào)感受蛋白有鈣調(diào)素(Calmodulin, CaM)和類鈣調(diào)素(CaM-like protein, CML)、鈣調(diào)磷酸酶B蛋白(Calcineurin B like proteins ，CBLs)、鈣依賴蛋白激酶(Ca2+dependent protein Kinases , CDPKs)三大類，它們都含有與Ca2+結(jié)合的EF-手型結(jié)構(gòu)域，即螺旋-環(huán)-螺旋模體[28]。

2.1 Ca2+/CaM/CML途徑

CaM最早是在1967年美籍華人張槐耀在研究動(dòng)物細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)的[29]。CaM是一種小分子量單鏈可溶性球蛋白，含有一對(duì)EF-手性結(jié)構(gòu)域，參與低溫、水分和鹽等多種非生物脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[29,30]。CaM作為一種受體蛋白，在真核生物中高度保守，在擬南芥中，7個(gè)基因家族編碼4個(gè)CaM亞型，它們之間只有1-5個(gè)氨基酸差異[30]。李聞博等在水稻中證實(shí)了CaM的同源基因OsCaM1-1和 OsCaM1-2參與ABA在逆境脅迫中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[31]。玉米遭受水分脅迫時(shí)ABA的積累是CaM基因(CaM1、CaM2、CaM3)表達(dá)的關(guān)鍵因素，推測(cè)CaM基因在干旱脅迫信號(hào)路徑中可能屬于ABA依賴型[32]。

CML與CaM在結(jié)構(gòu)上相似，也由EF-手型結(jié)構(gòu)域組成，并且具有與Ca2+結(jié)合的能力，然而它們的序列相似性較低，CML在擬南芥中含有50個(gè)亞型[33]。根據(jù)前人研究，AtCML9 、AtCML37和AtCML42等CLMs參與生物或非生物脅迫，其中AtCML9突變體與正常植株相比對(duì)ABA敏感性增加，對(duì)鹽脅迫和水分虧缺的耐受性增強(qiáng)[34]。在番茄中，ShCML44的表達(dá)受到冷害、干旱、滲透脅迫和ABA等因素的誘導(dǎo)[35]。到目前為止，包括激酶、磷酸酶、離子轉(zhuǎn)運(yùn)體、代謝酶以及轉(zhuǎn)錄因子在內(nèi)的大量蛋白被確定為CaM/CML的靶點(diǎn)[36]。

2.2 Ca2+/CBL-CIPK途徑

CBLs是Ca2+的另外一個(gè)感受器，含有保守的4個(gè)EF手型結(jié)構(gòu)域，本身缺乏激酶結(jié)構(gòu)域，特異地與靶蛋白-CBL相互作用蛋白激酶(CBL Interacting Protein Kinases ，CIPKs)形成Ca2+-CBL-CIPK復(fù)合體調(diào)控相關(guān)生理學(xué)過(guò)程(圖2)[36]。研究表明CBL-CIPKs可通過(guò)參與ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控植物非生物脅迫應(yīng)答，如在擬南芥中過(guò)表達(dá)CBL1、CBL9、CIPK1和CIPK6能夠增加植株抗旱性[37-39]。在梨基因組中鑒定得到28個(gè)CIPK家族成員，大多數(shù)PbCIPKs在非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮重要作用，例如PbCIPK22, -19, -18, -15, -8, -6作為鹽和滲透脅迫的核心調(diào)控因子[40]。另外從梨基因組中克隆的PbCBL1可能參與ABA、GA等多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，在逆境脅迫下發(fā)揮作用[41]。

不同的CBL-CIPKs家族成員在ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。與野生型擬南芥相比，缺失突變體cbl9在脅迫處理下能過(guò)積累更多的ABA，說(shuō)明CBL9為ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的負(fù)調(diào)控者[42]。AtCBL9可特異性結(jié)合AtCIPK3，通過(guò)超表達(dá)AtCBL9/AtCIPK3復(fù)合物，證實(shí)該復(fù)合物負(fù)調(diào)控ABA介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。與CBL9高度同源的CBL1卻顯示出與CBL9完全不同的功能。盡管cbl1突變體表現(xiàn)出對(duì)非生物脅迫的高度敏感，但是CBL1可能通過(guò)不依賴于ABA的信號(hào)途徑響應(yīng)非生物脅迫。另外，擬南芥cbl1/cipk15雙突變體顯示出對(duì)外源ABA更加敏感，說(shuō)明 CBL1-CIPK15負(fù)調(diào)控ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[43]。Wang等(2018)證實(shí)在干旱脅迫下小麥TaCIPK27在轉(zhuǎn)基因擬南芥中參與ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，并且通過(guò)依賴于ABA的途徑提高植株抗性[43]。

2.3 Ca2+/CDPKs途徑

CDPKs 是一類鈣調(diào)素依賴型的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，CDPKs 家族成員具有4個(gè)主要的結(jié)構(gòu)域：N-末端可變區(qū)(N-terminal variable domain)，蛋白激酶結(jié)構(gòu)域(protein kinase domain)，自我抑制區(qū)(autoinhibitory)和鈣調(diào)素樣結(jié)構(gòu)域(calmodulin-like domain)，調(diào)控區(qū)是鈣結(jié)合區(qū)，共有4個(gè)與 Ca2+結(jié)合的 EF -手性結(jié)構(gòu)域(Ca2+結(jié)合位點(diǎn))[44]。CaMs 和CBLs 需與相應(yīng)的靶蛋白結(jié)合才能進(jìn)一步傳導(dǎo)信號(hào)，CDPKs 因本身具備蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，不需要與其它蛋白結(jié)合即可與底物發(fā)生作用[36](見(jiàn)圖2)。干旱、低溫、高鹽等非生物脅迫都會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi) Ca2+濃度升高，Ca2+濃度變化激活了特定部位的 CDPK，通過(guò)磷酸化相應(yīng)的底物，將鈣信號(hào)放大，并向下游傳遞，最終激活了類 LEA(胚胎后期豐富蛋白)基因及 DRE/CRT(Dehydration Responsive Element/C-repeat)類基因的表達(dá)[45][46]。

CDPKs 介導(dǎo)的ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在模式植物擬南芥中研究比較深入。非生物脅迫下CDPK介導(dǎo)的ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑非常復(fù)雜，CDPK家族成員可能在ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中形成了一個(gè)正向和負(fù)向調(diào)控的回路[48]。擬南芥中 CPK4、CPK11、CPK3和CPK6正調(diào)控ABA信號(hào)路徑，其中CPK3和CPK6對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道的調(diào)節(jié)起著重要作用[30]。而CPK12通過(guò)磷酸化ABF1、ABF4、ABI2，從而負(fù)調(diào)控ABA信號(hào)途徑[49]。CPK21和CPK23也是ABA信號(hào)的負(fù)調(diào)控因子。Wei等(2014)從水稻中克隆的OsCPK9能通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉和增強(qiáng)植株的滲透調(diào)節(jié)能力來(lái)提高植株抗旱性，并且過(guò)表達(dá)OsCPK9的植株相對(duì)于野生型表現(xiàn)出對(duì)ABA更敏感，耐鹽性更強(qiáng)[49]。另外，OsCPK12可以通過(guò)減少活性氧(reactive oxygen species, ROS)的積累來(lái)增加對(duì)ABA的敏感性并提高植株的耐鹽性[50]。

3 MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)途徑

MAPK通路是位于第二信使和激素下游的常見(jiàn)的信號(hào)元件，在植物對(duì)各種脅迫的反應(yīng)中起著中心作用[51]。MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)參與干旱、鹽、低溫等多種非生物脅迫響應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，其由促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶(mitogen-actived protein kinase kinase kinase，MAPKKK或MKKK或MEKK或MAP3K)、促分裂原活化蛋白激酶激酶(mitogen-actived protein kinase kinase ，MAPKK或MKK或MEK或MAP2K)和促分裂原活化蛋白激酶(mitogen-actived protein kinase， MAPK或MPK)三種蛋白激酶組成，這些蛋白激酶按時(shí)間順序依次被磷酸化激活并調(diào)控基因的表達(dá)，產(chǎn)生抗氧化類物質(zhì)及一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而對(duì)細(xì)胞起到保護(hù)和損傷修復(fù)的作用[46][52]，見(jiàn)圖3。擬南芥基因組編碼20個(gè)MAPKs，10個(gè)MAP2Ks和80個(gè)MAP3Ks[53]。這些基因家族成員的排列可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)千個(gè)不同的組合級(jí)聯(lián)，從而產(chǎn)生微小差別的刺激特異性反應(yīng)。

3.1 MAPKs

根據(jù)結(jié)構(gòu)和序列的相似性，擬南芥中MAPKs被分為四個(gè)組，其中一組含有T(蘇氨酸)-D(天冬氨酸)-Y(酪氨酸)磷酸化基序，其它三組含有T-E(谷氨酸)-Y基序。MAPKs、MPK3、MPK4和MPK6能被非生物脅迫和ABA激活。已經(jīng)在擬南芥、水稻、玉米、豌豆、小麥等植物中證實(shí)ABA能夠直接誘導(dǎo)MAPKs的表達(dá)，而且MAPKs參與ABA調(diào)控的抗氧化防護(hù)系統(tǒng)、氣孔關(guān)閉等信號(hào)途徑[54]。例如玉米ZmMPK7、ZmMPK17、ZmMPK3以及ZmSIMK1都受ABA誘導(dǎo)表達(dá)[4]。Danquah等(2014)證實(shí)ABA可以調(diào)控包括MAP3K17/18、MKK3和MPK1/2/7/14的整個(gè)MAPKs級(jí)聯(lián)[4]。

擬南芥MPK9和MPK12的雙突變體mpk9-1/12-1蒸騰失水量大，而且對(duì)ABA及H2O2介導(dǎo)的氣孔反應(yīng)不敏感，另外，ABA和Ca2+均不能激活mpk9-1/12-1保衛(wèi)細(xì)胞中的陰離子通道，說(shuō)明MPK9和MPK12在保衛(wèi)細(xì)胞ABA信號(hào)通路中作用于ROS的下游、陰離子通道的上游[55]。另外MAPK級(jí)聯(lián)基因MKK1和MPK6也被證實(shí)是ABA信號(hào)的正向調(diào)節(jié)因子[56]。蘋果中分別與擬南芥MPK6和MPK13高度同源的MdMPK1和MdMPK2是ABA信號(hào)的正向調(diào)節(jié)因子[57]。香蕉中克隆的MaMAPK1基因也在ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中參與脅迫應(yīng)答[58]。

3.2 MAP2Ks

擬南芥MAP2Ks同樣可以分為四組(A、B、C、D)，并且MAP2Ks是ABA誘導(dǎo)MAPK級(jí)聯(lián)的關(guān)鍵因素，其中A組的2名成員(MKK1和MKK2)在MPK4/MPK6上游對(duì)應(yīng)激反應(yīng)起作用[4,51]。B組中唯一的成員MKK3可能在擬南芥遭受損傷時(shí)作為MPK8的上游激活因子發(fā)揮作用，維持ROS的動(dòng)態(tài)平衡[59]。擬南芥原生質(zhì)體經(jīng)過(guò)低溫和鹽脅迫處理后特異地誘導(dǎo)MKK2，并且直接靶向MAPK4和MAPK6。MEKK1很可能作為MKK2的上游激活因子，形成MEKK1-MKK2-MPK6/MPK4級(jí)聯(lián)信號(hào)途徑在植物抗低溫和鹽脅迫中發(fā)揮作用[60]。豌豆中MAP2K抑制劑能同時(shí)抑制ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉以及脫水基因的表達(dá)[61]，說(shuō)明MAP2K可能參與ABA調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉。

3.3 MAP3Ks

相較于MAPKs和MAP2Ks，研究者對(duì)數(shù)量較多的MAP3Ks了解相對(duì)較少。擬南芥MAP3Ks可以分為MEKK亞族、Raf亞族和ZIK亞族[4]。其中MEKK亞族由20個(gè)成員組成，可以進(jìn)一步劃分為A1-A6六個(gè)亞群，A1由四個(gè)蛋白組成(MEKK1-MEKK4)。目前對(duì)MEKK1的研究最多，低溫、鹽、干旱、機(jī)械損傷均能誘導(dǎo)擬南芥中MEKK1的表達(dá)[62]。蘋果中克隆的MdRaf5在擬南芥中過(guò)表達(dá)可以明顯提高其抗旱性[63]。在水稻中過(guò)表達(dá)MAPKKK家族成員DSM1(Drought Hypersensitive Mutant1，干旱高度敏感突變體1)，能增強(qiáng)植株對(duì)干旱和氧化脅迫的抗性[64]。Li等(2017)第一次證實(shí)了MAPKKK家族成員MAPKKK18主要通過(guò)下游MAPKK3參與植物抗旱性。MAPKKK18能夠被滲透脅迫和ABA顯著誘導(dǎo)，并且過(guò)表達(dá)能夠快速誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，增強(qiáng)抗旱性[65]。這些研究結(jié)果都表明MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)在植物響應(yīng)非生物脅迫時(shí)具有重要的地位。

4 討論

氣孔是一種特殊的表皮結(jié)構(gòu)，由孔周圍的兩個(gè)保衛(wèi)細(xì)胞組成，它們能夠感知和整合來(lái)自內(nèi)外環(huán)境的各種信號(hào)。干旱、低溫、高CO2、黑暗、ABA、乙烯等都能誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉[66]。在調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)閉的信號(hào)傳遞中，受ABA激活的S型(slow-sustained)和R型(rapid-transient)細(xì)胞膜陰離子通道引起細(xì)胞膜極化，促使K+通過(guò)電壓依賴性K+通道流出胞外，從而降低了保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓，最終導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。在擬南芥中，S型和R型離子通道分別由SLAC1和ALMT12/QUAC1(ALUMINUM-ACTIVATED MALATE TRANSORTER12/QUICKLY ACTIVATING ANION CHANNEL 1)編碼，兩者都受ABA核心信號(hào)模塊PYR/PYL/RCAR-PP2C-SnRK2的調(diào)控[66]。

越來(lái)越多的研究表明ABA誘導(dǎo)的氣孔調(diào)節(jié)涉及到ROS、NO、Ca2+、MAPK等信號(hào)分子的參與。在穩(wěn)態(tài)條件下，植物的活性氧ROS處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。植物在應(yīng)激條件下的代謝失衡誘導(dǎo)ROS的積累，其可使ROS作為保護(hù)細(xì)胞中ABA信號(hào)的第二信使發(fā)揮作用，觸發(fā)防御機(jī)制[67]。遺傳學(xué)研究表明，呼吸爆發(fā)同源氧化酶(respiratory burst oxidase homolog，NADPH氧化酶)是ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中ROS生成的關(guān)鍵酶，而Rboh是編碼NADPH氧化酶的基因。Kwak(2003)證實(shí)擬南芥atrbohD/F雙突變阻斷了ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉、ROS的積累以及Ca2+濃度增加，而外源H2O2處理atrbohD/F雙突變株系能重新激活Ca2+通道并且誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，證實(shí)了RbohD和RbohF在保衛(wèi)細(xì)胞ABA信號(hào)傳導(dǎo)中的作用，同時(shí)也說(shuō)明ROS參與了氣孔關(guān)閉的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程[67]。進(jìn)一步研究表明ABA通過(guò)OST1的激活以及磷酸化NADPH氧化酶，從而導(dǎo)致ROS的積累[5]。另外，Drerup等(2013)研究證明RBOHF(RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG F)受Ca2+-CBL活化的激酶CIPK26磷酸化，產(chǎn)生ROS[68]。表明NADPH氧化酶可能通過(guò)ABA和Ca2+依賴的磷酸化機(jī)制雙重調(diào)控ROS的生成，從而影響氣孔的關(guān)閉。

當(dāng)ABA引起氣孔關(guān)閉時(shí)，常常引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加。研究表明ABA與Ca2+信號(hào)形成緊密的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，共同參與脅迫刺激下植物氣孔關(guān)閉的調(diào)控。保衛(wèi)細(xì)胞S型陰離子通道的活化是調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵因素，受到三種不同激酶系統(tǒng)的協(xié)同調(diào)控：SnRK2、CBL/CIPKs以及CDPKs[69]。在細(xì)胞中，ABA可以被ABA受體識(shí)別，從而抑制PP2Cs活性，在沒(méi)有ABA的情況下，這些PP2Cs不僅可以抑制SLAC1，還可以抑制磷酸化激酶CBL/CIPKs。Huang等認(rèn)為ABA調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉主要通過(guò)不依賴于Ca2+的蛋白激酶OST1途徑和依賴于Ca2+的CDPK途徑。通過(guò)使用細(xì)胞內(nèi)雙筒微電極技術(shù)，證實(shí)擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中ABA誘導(dǎo)的Ca2+信號(hào)少數(shù)產(chǎn)生于氣孔關(guān)閉之前，大多數(shù)發(fā)生在氣孔關(guān)閉期間，并且Ca2+信號(hào)加速了氣孔的關(guān)閉[70]。

另外CDPK功能缺失突變體的研究證明了鈣感受蛋白在ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中的功能。在cpk8、cpk10、cpk3/6雙突變體、cpk5/6/11/23四突變體中，ABA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉受損[71-73]，但是cpk4/5/6/11突變體中ABA仍可誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，CPK23的缺失反而增強(qiáng)了植株的抗旱性[74]。它們到底是如何相互作用調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的還需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

植物在長(zhǎng)期應(yīng)對(duì)非生物脅迫的過(guò)程中逐漸進(jìn)化出相應(yīng)的適應(yīng)機(jī)制，形成多通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，顯而易見(jiàn)的是應(yīng)對(duì)每種脅迫都沒(méi)有特定的線性信號(hào)途徑，而是形成一個(gè)相互連接的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，這要求我們從整體上來(lái)認(rèn)識(shí)各種脅迫信號(hào)的交叉關(guān)系。

結(jié)合以上分析，推測(cè)出一條可能的脅迫環(huán)境下調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉的Ca2+和MAPK介導(dǎo)的ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(圖4)： ABA結(jié)合受體PYR/PYL/RCAR，抑制PP2C活性，從而激活SnRK2蛋白激酶OST1以及CDPK，活化的OST1直接與SLAC1結(jié)合磷酸化，介導(dǎo)保護(hù)細(xì)胞的陰離子釋放，促進(jìn)氣孔關(guān)閉。OST1同時(shí)還磷酸化NADPH氧化酶，導(dǎo)致H2O2和NO積累。H2O2通過(guò)抑制PP2C活性，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的OST1，從而形成一個(gè)正向的反饋環(huán)，介導(dǎo)氣孔關(guān)閉。OST1和ROS激活鈣離子通道，引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，另一方面ROS激活胞內(nèi)蛋白激酶或蛋白磷酸酶系統(tǒng)，如MPK9和MPK12，這兩個(gè)MAPKs正向調(diào)節(jié)ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，但還需要進(jìn)一步研究來(lái)確定具體的調(diào)控機(jī)制。其中，Ca2+濃度的升高經(jīng)過(guò)一系列的蛋白激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，同時(shí)也促進(jìn)ABA的積累，而ABA又反饋性地促進(jìn)Ca2+濃度增加。鈣離子信號(hào)激活CBL/CIPKs和CDPKs，從而活化SLAC1，調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉。

筆者主要探討了脅迫環(huán)境下氣孔關(guān)閉涉及到的Ca2+和MAPK介導(dǎo)的ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，而各信號(hào)途徑如何共同作用調(diào)控脅迫基因的表達(dá)，在未來(lái)的研究中還需要進(jìn)一步將非生物應(yīng)激反應(yīng)的信號(hào)途徑整合到一個(gè)綜合的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中。此外，目前植物的非生物脅迫研究大多都是在無(wú)菌、單一脅迫條件下進(jìn)行的，而在實(shí)際的自然條件下脅迫環(huán)境更為復(fù)雜，并且植物與昆蟲(chóng)和微生物共存，關(guān)注植物對(duì)同時(shí)發(fā)生的多種非生物脅迫的反應(yīng)以及信號(hào)之間的相互作用是后續(xù)研究需要考慮的方向。