MAPKKK參與植物生長(zhǎng)發(fā)育及逆境脅迫調(diào)控的研究進(jìn)展

陳磊清，陳麗妃

(福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350117)

促分裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase，MAPK或MPK)是一種廣泛存在于真核生物中，在進(jìn)化過(guò)程中高度保守的生物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模塊，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育及抵抗逆境脅迫起著至關(guān)重要的作用。典型的MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)通路由MAPK激酶(Mitogen-activated protein kinasekinasekinase，MAP3K或MAPKKK或MKKK)、MAPK激酶(Mitogen-activated protein kinasekinase，MAP2K或MAPKK或MKK)和MAPK組成，該信號(hào)傳導(dǎo)途徑可將植物感受到的環(huán)境信號(hào)放大并傳遞，從而激活下游的酶及轉(zhuǎn)錄因子，最終激活靶基因表達(dá)，對(duì)外界信號(hào)做出應(yīng)答[1]。MAPKKK位于MAPK級(jí)聯(lián)通路的上游，可磷酸化激活MAPKK T環(huán)Thr/Ser基序中的兩個(gè)氨基酸，進(jìn)一步磷酸化激活MAPK(圖1)。MAPKKK基因家族成員通常數(shù)量龐大，且在植物的生長(zhǎng)發(fā)育及適應(yīng)逆境脅迫方面發(fā)揮極其重要的作用。盡管MAPK級(jí)聯(lián)通路中部分MAPKKK成員的功能已被闡明，但大多數(shù)MAPKKK成員的功能仍然未知。MAPKKK在真核生物中具有普遍性和高度保守性，探索MAPKKK在植物調(diào)節(jié)生長(zhǎng)發(fā)育以及響應(yīng)外界生物或非生物脅迫信號(hào)的分子機(jī)制，發(fā)掘MAPKKK逆境脅迫調(diào)控應(yīng)答功能基因并解析其分子調(diào)控通路，對(duì)提高作物抗逆性和培育具優(yōu)良抗性的作物品種具有重要的理論指導(dǎo)意義?；诖?，本文主要對(duì)MAPKKK參與調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育及響應(yīng)逆境脅迫的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，期望為MAPKKK的分子機(jī)制研究提供參考。

圖1 植物MAPKKK介導(dǎo)的MAPK級(jí)聯(lián)途徑作用模式圖

1 植物MAPKKK的組成及分類(lèi)

MAPKKK作用于MAPK級(jí)聯(lián)通路的頂端，是一類(lèi)蘇氨酸 (nr)/絲氨酸 (ser)激酶，能通過(guò)磷酸化中游MAPKK活化環(huán)S/T-XXXXX-S/T基序中S/T殘基來(lái)激活MAPKK，進(jìn)而磷酸化激活下游MAPK。1993年Banno等[2]從煙草中分離出來(lái)的第一個(gè)編碼MAP3K的基因NPK1，隨后越來(lái)越多的MAPKKK基因在植物中被鑒定出來(lái)[3]。與中游MAPKK和下游MAPK相比，MAPKKK數(shù)量最為龐大，也表現(xiàn)出更明顯的復(fù)雜性和序列多樣性，擁有更為多樣的初級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)。根據(jù)催化結(jié)構(gòu)域的氨基酸保守基因序列的不同，MAPKKK基因家族可細(xì)分為MEKK、Raf和ZIK這3個(gè)亞家族，MEKK和Raf是其中兩個(gè)較大的亞組，ZIK亞家族成員最少[4]，大多數(shù)植物都符合這一規(guī)律(表1)。MEKK亞族成員中YDA、ANP1、ANP2、和ANP3與細(xì)胞周期調(diào)控相關(guān)，Raf亞族成員中CTR1和EDR1與逆境脅迫相關(guān)。每類(lèi)成員含有必需的蛋白激酶區(qū)域以及其他的功能特區(qū)，MEKK大多數(shù)具有保守的G(T/S)Px(W/Y/F)MAPEV結(jié)構(gòu)域，Raf大多數(shù)具有保守的GTxx(W/Y)MAPE結(jié)構(gòu)域，ZIK大多數(shù)具有保守的GTPEFMAPE(L/V)Y結(jié)構(gòu)域[5]。值得注意的是，MEKK亞族的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保守性與ZIK亞族和Raf亞族相比相對(duì)較低，這也意味著MEKK亞族在植物生長(zhǎng)發(fā)育及逆境響應(yīng)的功能更為重要。

表1 26種植物的MAPKKK的分類(lèi)

2 MAPKKK在植物生長(zhǎng)發(fā)育中的調(diào)控應(yīng)答

植物的生長(zhǎng)發(fā)育受多種因素調(diào)控，是一個(gè)復(fù)雜且重要的生理過(guò)程。據(jù)大量文獻(xiàn)報(bào)道，MAPK級(jí)聯(lián)信號(hào)通路與植物生長(zhǎng)周期的基本發(fā)育過(guò)程相關(guān)，幾乎參與植物生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程，包括配子和胚胎發(fā)育、形成組織器官及形態(tài)建成等，而且在植物生長(zhǎng)發(fā)育中細(xì)胞增殖和細(xì)胞分化兩個(gè)重要的進(jìn)程都起著關(guān)鍵的作用，是植物生長(zhǎng)發(fā)育中不可或缺的信號(hào)傳導(dǎo)和調(diào)控途徑之一。MAPKKK作為MAPK級(jí)聯(lián)通路中上游成員，在植物胚胎發(fā)育、氣孔發(fā)育、根部發(fā)育、葉片和花結(jié)構(gòu)發(fā)育等過(guò)程中都起著不可或缺的調(diào)節(jié)作用(表2)。

表2 MAPKKK在植物非生物脅迫中的調(diào)控應(yīng)答

2.1 胚胎發(fā)育

MAPKKK參與調(diào)控植物胚胎發(fā)育在宏觀方面表現(xiàn)在影響植物組織、器官和胚胎的發(fā)育，在微觀方面可影響植物細(xì)胞分裂和分化。Chaiwongsar等[32]研究確定擬南芥MAP3Kε1和MAP3Kε2可在胚胎發(fā)育過(guò)程中表達(dá)，且MAPKKKε1或MAPKKKε2雙突變組合導(dǎo)致胚胎致死性。Xu等[33]研究表明OsMKKK10通過(guò)OsMKKK10-OsMKK4-OsMAPK6級(jí)聯(lián)通路正向調(diào)節(jié)水稻粒徑和重量，OsMKKK10功能缺失會(huì)導(dǎo)致小而輕的籽粒、短穗和半矮稈植株，而構(gòu)成活性O(shè)sMKKK10的過(guò)表達(dá)會(huì)導(dǎo)致大而重的籽粒、長(zhǎng)穗和高的植株。Tian等[34]研究發(fā)現(xiàn)水稻MAPKKK10-MAPKK4-MAPK6-WRKY53級(jí)聯(lián)通路在葉片角度和種子大小控制方面發(fā)揮作用。Liu等[35]研究指出水稻OsMKKK70介導(dǎo)的OsMKKK70-OsMKK4-OsMAPK6-OsWRKY53級(jí)聯(lián)通路在控制粒形和葉角中共同發(fā)揮作用，過(guò)表達(dá)OsMKKK70導(dǎo)致植物產(chǎn)生更長(zhǎng)的種子，且OsMKKK70、OsMKKK62和OsMKKK55在調(diào)節(jié)種子大小和葉角方面存在冗余功能。Na等[36]研究發(fā)現(xiàn)OsMAPKKK63過(guò)表達(dá)株系在水稻和擬南芥中均表現(xiàn)出胎生表型，表明OsMAPKKK63可能參與種子休眠控制。Liu等[37]發(fā)現(xiàn)水稻OsMAPKKK5的截短變體OstMAPKKK5通過(guò)影響細(xì)胞大小正向調(diào)控水稻株高和產(chǎn)量。Yin等[26]研究發(fā)現(xiàn)在陸地棉GhMEKK20和GhMEKK42主要在胚珠中表達(dá)，在其他測(cè)試組織中低表達(dá)，表明二者可能在胚珠特異性發(fā)育中發(fā)揮作用。

2.2 氣孔發(fā)育

氣孔作為植物表皮上的特化氣孔，主要作用是調(diào)節(jié)植物與外界環(huán)境的氣體交換和水分蒸發(fā)。已有的研究證實(shí)，擬南芥YODA (YDA或MAPKKK4)在氣孔發(fā)育中的作用至關(guān)重要。Samakovli等[38]發(fā)現(xiàn)YODA與熱休克蛋白HSP90相互作用，并通過(guò)調(diào)節(jié)下游MPK3/6激酶的磷酸化來(lái)調(diào)控氣孔發(fā)育，且YODA和HSP90之間的串?dāng)_導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子SPCH (SPEECHLESS)的不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)錄失活，從而影響氣孔發(fā)育。Lee等[39]研究表明YDA-MKK4/5-MPK3/6級(jí)聯(lián)通路通過(guò)作用于包含RLK ERECTA (ER)/ER-like 1 (ERL1)/ERL2和RLP Too Many mouth (TMM)的受體復(fù)合物下游來(lái)調(diào)控氣孔發(fā)育。此外，Guo等[40]研究證明YDA可被定位于細(xì)胞皮層的蛋白磷酸酶BSL1激活，從而進(jìn)一步提高M(jìn)PK3/6活性，抑制氣孔形成。

2.3 根部發(fā)育

根的作用主要體現(xiàn)在固定位置和為植株生長(zhǎng)提供養(yǎng)分，MAPKKK參與調(diào)控植物根部發(fā)育在部分植物中得到證實(shí)。在擬南芥中，MAP3K20通過(guò)磷酸化下游MKK3激酶和MPK18激酶調(diào)節(jié)根微管功能，MAP3K20突變體也存在微管組織缺陷。值得注意的是，MAP3K20突變體在正常生長(zhǎng)條件下與野生型植物相比發(fā)育無(wú)明顯缺陷，而經(jīng)二硝基苯胺除草劑(Oryzalin)處理后的MAP3K20突變體幼苗根明顯短于野生型[41-42]。擬南芥AtMEKK1可通過(guò)參與谷氨酸信號(hào)通路調(diào)控根系發(fā)育，AtMEKK1突變體與野生型相比，植株整體矮化，根毛短，側(cè)根少[43]。AtMAP3K4作為MAPK6的上游蛋白，在根的發(fā)育和有絲分裂過(guò)程中微管的調(diào)控中發(fā)揮重要作用，AtMAP3K4突變體中主根和側(cè)根的細(xì)胞分裂紊亂，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)分裂終止[44]。擬南芥MAP3Kε1和MAP3Kε2在根中均有表達(dá)，且MAP3Kε1均勻地分布在所有類(lèi)型的組織中，而MAP3Kε2的表達(dá)主要集中在根管組織區(qū)域[32]。麻風(fēng)樹(shù)JcMAPKKK64主要在根中表達(dá)，JcMAPKKK27在根中高表達(dá)，JcMAPKKK9/35/55/58/59在所有測(cè)試組織中都高表達(dá)，其中JcMAPKKK9在根中表現(xiàn)出更高的表達(dá)[16]。棉花GhMAP3K40在本氏煙草N.benthamiana中的過(guò)表達(dá)抑制了根的生長(zhǎng)[45]。

2.4 葉片和花結(jié)構(gòu)發(fā)育

已有的文獻(xiàn)報(bào)道，MAPKKK在調(diào)控植物葉片和花結(jié)構(gòu)發(fā)育發(fā)揮重要作用。麻風(fēng)樹(shù)JcMAPKKK51在葉片中高表達(dá)，JcMAPKKK56在葉片中特異性表達(dá)，JcMAPKKK59和JcMAPKKK65在葉片中具有更高的表達(dá)水平，表明其在葉片特異性發(fā)育中發(fā)揮作用[16]。GmMEKK在大豆葉片中的表達(dá)水平最高，其次是根、莖、花、莢，在種子中沒(méi)有表達(dá)，這表明GmMEKK在大豆中可能具有重要的生物學(xué)功能[46]。水稻中一個(gè)新MAPKKK基因OsCSL1的破壞導(dǎo)致含有積累的淀粉顆粒的葉綠體和脫氯幼苗的嚴(yán)重破壞，且OsCSL1的突變可導(dǎo)致能量缺乏和水稻幼苗過(guò)早死亡，表明OsCSL1對(duì)水稻葉綠體的發(fā)育至關(guān)重要[47]。水稻OsMKKK10介導(dǎo)的OsMKKK10-OsMKK4-OsMPK6級(jí)聯(lián)通路參與調(diào)控水稻花序結(jié)構(gòu)發(fā)育[48]。擬南芥YODA-MKK4/5-MPK3/6級(jí)聯(lián)通路在受體樣蛋白激酶ERECTA的下游調(diào)節(jié)局部細(xì)胞的增殖，從而使花序結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[49]。龍葵MAPKKK基因ScFRK1參與調(diào)控胚囊和花粉發(fā)育，ScFRK1的下調(diào)嚴(yán)重影響胚囊和花粉的發(fā)育，并導(dǎo)致授粉后產(chǎn)生部分孤雌果實(shí)[50]。MAP3Kε1、MAP3Kε2和MAP3K20在擬南芥不同組織中均有表達(dá)，尤其是在花粉粒中[42，51]。MAPKKKε1或MAPKKKε2純合子的植株沒(méi)有明顯的突變表型，而MAPKKKε1和MAPKKKε2雙突變組合引起花粉致死，在MAP3Kε1/2背景中使用誘導(dǎo)的MAP3Kε1結(jié)構(gòu)可挽救花粉活性，表明MAP3Kε1是擬南芥花粉發(fā)育過(guò)程中質(zhì)膜正常功能所必需的[52]。值得注意的是，MAP3Kε1和MAP3Kε2在參與花粉粒落在柱頭前的花粉萌發(fā)過(guò)程存在功能冗余，且MAP3Kε1/2與MOB1A/1B相互作用，可能通過(guò)茉莉酸 (JA)信號(hào)串?dāng)_影響擬南芥胼胝體積累，在限制花粉萌發(fā)中發(fā)揮重要作用[51]。

2.5 其他發(fā)育過(guò)程的調(diào)控

MAP3Ks除直接作用于生長(zhǎng)發(fā)育外，還影響植物的晝夜節(jié)律和一些代謝過(guò)程，間接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[3]。如擬南芥AtZIK4蛋白WNK1 (At3g04910)被證實(shí)在體外磷酸化假定的晝夜節(jié)律時(shí)鐘成分APRR3，并可能通過(guò)調(diào)節(jié)其生物活性參與調(diào)控晝夜節(jié)律[53]。過(guò)表達(dá)OsMKKK70水稻植株的粒徑和葉角增大情況類(lèi)似于增強(qiáng)的油菜素甾醇 (BR)信號(hào)突變體的表型，表明OsMKKK70可能在水稻BR信號(hào)傳導(dǎo)調(diào)控中發(fā)揮積極作用[35]。水稻OstMAPKKK5的過(guò)表達(dá)可導(dǎo)致各種形式的內(nèi)源性赤霉素(GA)含量增加，尤其是最常見(jiàn)的活性形式GA1、GA3、GA4，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞增大，并最終導(dǎo)致株高和產(chǎn)量增長(zhǎng)[37]。麻風(fēng)樹(shù)JcMAPKKK51和JcMAPKKK55與乙酰輔酶A羧化酶ACC1和ACC3相互作用，表明其可能在脂肪酸合成和延伸中發(fā)揮作用[16]。

3 MAPKKK在植物非生物脅迫中的調(diào)控應(yīng)答

植物作為固著生物難免面臨各種生物和非生物脅迫，并進(jìn)化出大量復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，以調(diào)節(jié)其發(fā)育并增強(qiáng)其對(duì)這些脅迫的抵抗力。植物已經(jīng)進(jìn)化出各種環(huán)境反應(yīng)機(jī)制，通過(guò)激活多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來(lái)適應(yīng)環(huán)境壓力，將自身?yè)p害降至最低。應(yīng)激激活的分子通路包括多個(gè)相互連接的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，如蛋白激酶信號(hào)級(jí)聯(lián)通路，可有效地將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的輸出。MAPK級(jí)聯(lián)途徑是植物響應(yīng)生物及非生物脅迫最常見(jiàn)的信號(hào)通路之一，MAPKKK作為該信號(hào)通路的第一接收者和傳遞者，負(fù)責(zé)將信號(hào)放大后依次傳遞給MAPKK和MAPK，最終介導(dǎo)植物對(duì)外界信號(hào)的應(yīng)答，在植物響應(yīng)非生物脅迫中起著不可或缺的調(diào)節(jié)作用，包括干旱脅迫、鹽脅迫、極端溫度脅迫、滲透脅迫等。

3.1 干旱脅迫

植物對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)，是一個(gè)非常復(fù)雜而精妙的過(guò)程。干旱脅迫是限制全球植物生產(chǎn)力和分布的主要環(huán)境因素之一，研究證實(shí)MAPKKK參與植物對(duì)干旱脅迫的防御反應(yīng)。Ning等[54]研究表明水稻Raf 亞家族的DSM1(DROUGHT-HYPERSENSITIVEMUTANT1)可通過(guò)清除活性氧(ROS)來(lái)調(diào)節(jié)水稻的耐旱性。Sun等[6]研究認(rèn)為過(guò)表達(dá)蘋(píng)果MAPKKK基因MdRaf5可導(dǎo)致葉片對(duì)干旱脅迫的敏感性降低，這與調(diào)控氣孔關(guān)閉和蒸騰速率有關(guān)。Jia等[55]運(yùn)用病毒誘導(dǎo)基因沉默 (VIGS)技術(shù)獲得GhRaf19轉(zhuǎn)基因棉花植株，發(fā)現(xiàn)其對(duì)干旱和鹽脅迫的耐受性增強(qiáng)，表明棉花GhRaf19可負(fù)向調(diào)節(jié)干旱和鹽脅迫。Lim等[56]認(rèn)為辣椒MEKK基因可能參與干旱脅迫反應(yīng)，研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下，除CaMEKK16和CaMEKK17外，辣椒CaMEKK基因表達(dá)量在處理2 h后顯著增加，并且CaMEKK20/21/22/23基因在6 h后持續(xù)高表達(dá)。Wang等[30]研究表明葡萄MAPKKK基因家族成員積極響應(yīng)干旱脅迫，葡萄VviMAPKKK基因在植株受到干旱脅迫時(shí)的表達(dá)水平幾乎都呈顯著增加的趨勢(shì)，許多VviMAPKKK轉(zhuǎn)錄物增加了10倍以上，其中有4個(gè)轉(zhuǎn)錄物(VviMAPKKK22/23/51/54)的表達(dá)增加了20倍以上。Sha等[46]發(fā)現(xiàn)大豆根中屬于MEKK1(STE11/BCK1)類(lèi)MAPKKK基因的GmMEKK受干旱脅迫后上調(diào)表達(dá)。Ye等[29]研究發(fā)現(xiàn)木薯中MeMAPKKK16/18/19/20/23/30/40在干旱處理2～14 d的表達(dá)明顯上調(diào)，表明它們可能在木薯響應(yīng)干旱脅迫中起作用。

3.2 鹽脅迫

鹽脅迫是植物在高鹽環(huán)境下面臨的一種生理壓力，可導(dǎo)致植物生長(zhǎng)不良、凋零甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn)，部分MAPKKK參與調(diào)控植物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)過(guò)程，Yang等[57]研究發(fā)現(xiàn)MAPKKK18在鹽脅迫期間持續(xù)上調(diào)，這表明它在耐鹽性中起著至關(guān)重要的作用。Kim等[41]研究表明擬南芥mkkk20突變體(SALK_124389)對(duì)高鹽脅迫表現(xiàn)出顯著的敏感性，進(jìn)一步試驗(yàn)表明MKKK20通過(guò)調(diào)節(jié)MPK6活性來(lái)參與響應(yīng)高鹽脅迫[41]。Na等[36]揭示了水稻OsMAPKKK63具有體外激酶活性，并且它與水稻MAPKK中鹽脅迫響應(yīng)的中介OsMKK1和OsMKK6相互作用，提示OsMAPKKK63可能參與了高鹽響應(yīng)。Chen等[45]研究發(fā)現(xiàn)棉花GhMAP3K40正向調(diào)節(jié)耐鹽性且可受鹽脅迫誘導(dǎo)，高鹽脅迫下過(guò)表達(dá)GhMAP3K40可提高植物發(fā)芽率。Jia等[55]研究表明棉花Raf19在鹽脅迫下抑制ROS相關(guān)抗氧化基因的表達(dá)，負(fù)調(diào)控棉花耐鹽性，導(dǎo)致ROS的積累。

3.3 極端溫度脅迫

極端溫度脅迫是限制植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要環(huán)境脅迫，主要包括高溫脅迫和低溫脅迫。隨著地球氣候環(huán)境的變化，高溫已成為影響主要糧食作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。擬南芥AtRaf8、AtRaf25和AtZIK4在高溫脅迫下表達(dá)水平上調(diào)[58]。擬南芥YODA與HSP90相互作用并通過(guò)激活下游MKK4/5-MPK3/6級(jí)聯(lián)通路來(lái)響應(yīng)熱脅迫[38]。棉花Raf亞族成員GhMAP3K65可受熱脅迫誘導(dǎo)，沉默GhMAP3K65可提高棉花植株的耐熱性，過(guò)表達(dá)GhMAP3K65使棉花對(duì)熱應(yīng)激的敏感性增強(qiáng)[59]。低溫脅迫對(duì)植物的正常生長(zhǎng)代謝產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時(shí)可造成凍害現(xiàn)象。棉花MAP3K基因GhRaf19正向調(diào)控低溫脅迫，過(guò)表達(dá)棉花GhRaf19可增加植株耐低溫能力，而GhRaf19的沉默使棉花植株抗寒能力下降[55]。在陸地棉中，GhRaf31/58/82僅在12 h的冷脅迫下高表達(dá)，GhRaf41和GhRaf91在冷脅迫下的表達(dá)水平較低，GhRaf11的表達(dá)水平在冷脅迫下增加[26]。在低溫脅迫下，百慕大草12個(gè)CdMAPKKKs和13個(gè)CdMAPKKKs分別顯著上調(diào)和下調(diào)；其中有6個(gè)CdMAPKKKs至少在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)受到低溫脅迫的顯著誘導(dǎo)[21]。在冷脅迫下，木薯MeMAPKKK20轉(zhuǎn)錄物在所有測(cè)試時(shí)間點(diǎn)都被顯著誘導(dǎo)[29]。麻風(fēng)樹(shù)在冷脅迫處理12、24、48 h后，有8個(gè)JcMAPKKKs(JcMAPKKK9/16/29/33/37/41/50/51)的表達(dá)均顯著上調(diào)，尤其是JcMAPKKK16和JcMAPKKK41在冷脅迫12 h后顯著上調(diào)，這表明二者在麻風(fēng)樹(shù)低溫反應(yīng)中具有潛在的重要功能[16]。

3.4 滲透脅迫

環(huán)境干旱和高鹽會(huì)造成滲透脅迫，抑制植物生長(zhǎng)和產(chǎn)量。植物對(duì)滲透脅迫有多種信號(hào)通路，其中植物激素脫落酸(ABA)起著重要作用[60]。Lim等[56]研究發(fā)現(xiàn)辣椒經(jīng)外源ABA處理后，CaMEKK15/24/25基因表現(xiàn)出不同程度的誘導(dǎo)，CaMEKK16/20/22基因表達(dá)量在處理6 h和12 h后均顯著增加。Katsuta等[61]研究證明擬南芥ABA和MAPKKK家族B3支的非生物脅迫應(yīng)答Raf-like激酶AtARKs在氣孔關(guān)閉應(yīng)對(duì)干旱的核心因子SnRK2介導(dǎo)的滲透脅迫應(yīng)答中起著關(guān)鍵作用。Choi等[62]研究指出擬南芥MAP3K16和MAP3K14/15/17/18參與ABA反應(yīng)，根據(jù)發(fā)育階段發(fā)揮負(fù)或正作用，并且MAP3K16可能通過(guò)MKK3和ABR1(ABA REPRESSOR1)發(fā)揮作用。Kim等[41]發(fā)現(xiàn)擬南芥MKKK20在NaCl、H2O2和冷處理下調(diào)控MPK6的活性，結(jié)果表明MKKK20可能通過(guò)調(diào)控MPK6活性參與了對(duì)各種非生物脅迫，特別是滲透脅迫的響應(yīng)。

3.5 其他脅迫

擬南芥Raf亞家族基因HT1(HIGHLEAFTEMPERATURE1)是CO2信號(hào)傳導(dǎo)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，HT1正向調(diào)節(jié)CO2反應(yīng)，并部分參與光誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放途徑[63]。H2O2是一種重要的ROS，也是導(dǎo)致植物對(duì)病原體和非生物脅迫因子反應(yīng)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的關(guān)鍵信號(hào)分子[64]。在木薯中，MeMAPKKK40經(jīng)H2O2處理后在所有時(shí)間點(diǎn)都表現(xiàn)出顯著的下調(diào)[29]。蕎麥15個(gè)MAPKKK基因在藍(lán)光處理下表達(dá)上調(diào)，其中FtMAPKKK53基因的表達(dá)上調(diào)最明顯[27]。毛葡萄幼葉暴露于外源或H2O2會(huì)增加VqMAPKKK38的表達(dá)，且VqMAPKKK38在毛葡萄葉片中的過(guò)表達(dá)可顯著增強(qiáng)水楊酸(SA)誘導(dǎo)的二苯乙烯的積累，同時(shí)強(qiáng)烈誘導(dǎo)STS(stilbene synthases)和MYB14的表達(dá)[65]。棉花GhRaf19的表達(dá)可被H2O2誘導(dǎo)，過(guò)表達(dá)GhRaf19可激活ROS相關(guān)抗氧化基因或酶的表達(dá)來(lái)增強(qiáng)棉花對(duì)冷脅迫的抗性，而沉默GhRaf19使棉花植株抗寒能力下降，產(chǎn)生更大的ROS積累[55]。麻風(fēng)樹(shù)JcMAPKKK41與ABI2(ABA insensitive 2)結(jié)合，通過(guò)抑制ABA信號(hào)通路，在調(diào)控氣孔關(guān)閉、高光脅迫、對(duì)葡萄糖的響應(yīng)、種子萌發(fā)、抑制營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)等方面發(fā)揮重要作用[16]。

4 MAPKKK在植物生物脅迫中的調(diào)控應(yīng)答

4.1 細(xì)菌、真菌和病毒侵害

植物有一個(gè)復(fù)雜的免疫系統(tǒng)，也稱(chēng)為效應(yīng)器，可以識(shí)別來(lái)自不同病原體的毒力蛋白，包括細(xì)菌、真菌、卵菌和病毒。MAPKKK作為MAPK級(jí)聯(lián)通路中最大的家族，在植物對(duì)細(xì)菌、真菌和病毒侵害的響應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。擬南芥Raf成員ILK5(INTEGRIN-LINKEDKINASE)突變體植株對(duì)丁香假單胞菌病原體感染表現(xiàn)出更高的易感性[70]。擬南芥MAPKKKδ-1(MKD1)是完全免疫抵御細(xì)菌和真菌感染所必需的，它參與了赤霉素的植物毒素應(yīng)答和對(duì)紫丁香假單胞菌的抗性[71]。擬南芥MAPKKK5基因敲除突變體破壞了幾丁質(zhì)誘導(dǎo)的MAPK激活和對(duì)油菜鏈格孢(Alternariabrassicicola)的抗病能力[72]。水稻Raf亞家族基因OsEDR1通過(guò)物理相互作用抑制OsMPKK10.2的活性，從而使植株對(duì)稻黃單胞菌致病變種Xoc(Xanthomonasoryzaepv.oryzicola)的抗性減弱[73]。水稻Raf亞族成員OsILA1通過(guò)抑制OsMAPKK4-OsMAPK6級(jí)聯(lián)通路，對(duì)白葉枯病(xanthomonasoryzaepv.oryzae)具有廣譜抗性[74]。蘋(píng)果MdMAPKKK1在調(diào)節(jié)對(duì)葡萄座腔菌(Botryosphaeriadothidea)的抗性中發(fā)揮正向調(diào)控作用，過(guò)表達(dá)MdMAPKKK1誘導(dǎo)病原體非依賴(lài)性細(xì)胞死亡，沉默MdMAPKKK1降低了蘋(píng)果愈傷組織和果實(shí)對(duì)葡萄座腔菌的抗性[75]。PbrMAPKKK基因與梨抗黑斑病的生命過(guò)程呈正相關(guān)，VIGS表明PbrMAPKKK82基因增強(qiáng)了梨對(duì)黑斑病的抗性，qRT-PCR結(jié)果表明梨PbrMAPKKK12/13/53/60/65/82/83/96與黑斑病抗性相關(guān)，PbrMAPKKK3/9/11/34/80/81/99/100與黑斑病易感性相關(guān)[10]。番茄SlMAPKKKε是與植物免疫相關(guān)的細(xì)胞死亡信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的正調(diào)節(jié)因子，SlMAPKKKε的沉默降低了番茄對(duì)油菜黃單胞菌和丁香假單胞菌的抗性，導(dǎo)致疾病癥狀的出現(xiàn)和細(xì)菌生長(zhǎng)的增強(qiáng)[76]。番茄SlM3Kα通過(guò)激活MAPK信號(hào)，導(dǎo)致與胞內(nèi)受體抗病蛋白(Nucleotide-binding leucine-rich repeat Receptor，NLR)觸發(fā)的免疫相關(guān)的程序性細(xì)胞死亡 (PCD)，且SlM3Kα與SlMai1在本氏煙草葉片中的共表達(dá)增強(qiáng)了MAPK的磷酸化，加速了PCD的發(fā)生[77]。

MAPK級(jí)聯(lián)通路是植物免疫信號(hào)網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)，通過(guò)傳輸來(lái)自不同刺激的信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)下游防御反應(yīng)，同時(shí)也受病原菌和植物因子的調(diào)控。Wan等[78]研究表明TaRaf46介導(dǎo)了條形柄銹菌小麥專(zhuān)化型Pst(Puccinastriiformisf.sp.tritici)中一種富含絲氨酸的效應(yīng)因子Pst27791的毒力，在小麥重要病原菌Pst感染過(guò)程中發(fā)揮負(fù)調(diào)節(jié)植物免疫的作用。Zhai等[59]研究認(rèn)為棉花GhMAP3K65可能通過(guò)SA、JA、ET (乙烯)和ROS信號(hào)通路響應(yīng)病原菌侵染，沉默GhMAP3K65可增強(qiáng)棉花對(duì)青枯病(R.solanacearum)的抗性，過(guò)表達(dá)GhMAP3K65可增強(qiáng)植株對(duì)青枯病的敏感性。Murphy等[79]報(bào)道了與馬鈴薯MAP3K StVIK與RXLR效應(yīng)子Pi17316互作，且StVIK作為一種易感性因子，可增強(qiáng)感染晚疫病菌(P.infestans)的定植。MAPKKKε與一種寄生菌RXLR-WY型效應(yīng)子PexRD2相互作用，并干擾依賴(lài)于該激酶的植物免疫相關(guān)信號(hào)通路[80]。最近，REN等[81]發(fā)現(xiàn)馬鈴薯StMAP3Kβ2與StMAP3Kε共享相同的下游MEK2-SIPK/WIPK級(jí)聯(lián)通路，且StMAP3Kβ2同源基因NbMAP3Kβ2的VIGS增強(qiáng)了馬鈴薯感染晚疫病菌的定植，并減輕了番茄抗性蛋白Cf4或黃枝孢無(wú)毒蛋白Avr4誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。除此之外，病原菌產(chǎn)生的MAPKKK也能誘導(dǎo)植物細(xì)胞死亡和ROS爆發(fā)。PbMAKKK7-PbMAKK3-PbMAK1/3級(jí)聯(lián)通路中的PbMAPKKK7是甘藍(lán)根腫菌(Plasmodiophorabrassicae)侵染植物的調(diào)控因子，可誘導(dǎo)ROS積累和細(xì)胞死亡，增強(qiáng)植物對(duì)煙草花葉病毒 (Tobacoomosaicvirus，TMV)和灰霉病(B.cinerea)的易感性[82-83]。至今，仍然有許多植物與病原菌相互作用的機(jī)制尚不清楚，需要投入更多的研究來(lái)探索MAPKKK在MAPK級(jí)聯(lián)通路中如何調(diào)控植物侵染期間宿主細(xì)胞的死亡。

4.2 植食性昆蟲(chóng)侵害

根據(jù)已有的研究，MAPK級(jí)聯(lián)通路中的部分MAPKKK成員參與了植物對(duì)植食性昆蟲(chóng)的防御反應(yīng)。Guo等[84]研究證明桃蚜(Myzuspersicae)半胱氨酸蛋白酶組織蛋白酶B3(CathB3)的propeptide domain與煙草EDR1-like蛋白互作，進(jìn)一步揭示了蚜蟲(chóng)唾液蛋白CathB3是通過(guò)穩(wěn)定EDR1激活維管束中ROS通路，從而抑制蚜蟲(chóng)對(duì)植物韌皮部的攝食，表明EDR1-like在介導(dǎo)煙草對(duì)蚜蟲(chóng)的有效防御中發(fā)揮作用。Li等[85]研究揭示了一種新型的植物敏感因子Raf36在MKK2的上游起作用并直接靶向MKK2，負(fù)向調(diào)節(jié)擬南芥對(duì)寄生蜂的抗性。Guo等[86]研究揭示了MAP4K4-Raf-MAP2K1-ERK、MAP4K4-MAP3K7-MAP2K4-JNK和MAP4K4-MAP3K7-MAP2K6-p38的3個(gè)潛在激活途徑，在克服蘇云金芽孢桿菌(Bacillusthuringiensis，Bt)的毒性中起著關(guān)鍵作用，從而使十字花科蔬菜作物“超級(jí)害蟲(chóng)”小菜蛾(PlutellaxylostellaL.)對(duì)BtCry1Ac殺蟲(chóng)蛋白產(chǎn)生高抗性。S?zen等[87]研究表明擬南芥AtMAP3K14-MKK3-MPK1/2/7信號(hào)模塊是植物基于JA激活從而抑制?；页岫?Spodopteralittoralis)生長(zhǎng)的一個(gè)緩慢過(guò)程，這一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的MAPK級(jí)聯(lián)通路對(duì)于保護(hù)植物不受植食性昆蟲(chóng)侵害具有重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

MAPKKK在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)過(guò)程中起著重要作用，這在許多植物中得到證實(shí)。盡管植物中越來(lái)越多MAPK級(jí)聯(lián)通路的作用機(jī)制被揭示，但MAPKKK在調(diào)控植物株高與產(chǎn)量、花粉發(fā)育、金屬離子脅迫、光脅迫、病原菌侵染、植食性害蟲(chóng)侵害等方面的分子機(jī)制有待進(jìn)一步闡明。利用基因編輯技術(shù)敲除或過(guò)表達(dá)作物中的關(guān)鍵MAPKKK來(lái)研究它們?cè)谥参锷L(zhǎng)發(fā)育與抗逆功能中的分子機(jī)制，運(yùn)用酵母雙雜交、融合蛋白沉降、免疫共沉淀等技術(shù)篩選驗(yàn)證MAPKKK互作蛋白并尋找MAPKKK上游的調(diào)控因子，鑒定MAPKKK介導(dǎo)的MAPK模塊下游靶標(biāo)將有助于更好地理解植物如何響應(yīng)逆境脅迫，同時(shí)培養(yǎng)農(nóng)藝性狀更好和抗逆性更強(qiáng)的作物也是未來(lái)工作的重點(diǎn)。因此，仍需要對(duì)更多植物MAPKKK基因的功能進(jìn)行分析，探究它們?cè)谡{(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和響應(yīng)逆境脅迫信號(hào)的分子機(jī)制，進(jìn)一步更新和完善MAPK級(jí)聯(lián)通路的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而優(yōu)化植物育種策略來(lái)提高作物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)能力，使病原體和宿主之間的協(xié)同進(jìn)化向有利于植物的方向傾斜。