植物和小麥SnRK2基因家族的研究進展

張洪映　賈宏昉　代曉燕

摘要 干旱、高鹽、極端溫度等逆境因子是限制作物產量和品質提高的重要因素。挖掘和利用逆境應答基因資源是改良其抗逆性的前提和基礎，對于研究植物抗逆機制具有重要意義。蔗糖非發酵相關蛋白激酶家族2（Sucrose nonfermenting1related protein kinase 2，SnRK2）是廣泛存在于植物中的一類Ser/Thr蛋白激酶，參與植物體內多種信號途徑的轉導，在植物的抗逆境生理過程中扮演了重要角色。為了促進小麥SnRK2基因家族的研究，該文對SnRK2基因的結構、抗逆功能、互作蛋白，以及小麥SnRK2基因家族的研究現狀進行了闡述。

關鍵詞 植物；小麥；SnRK2；抗逆性

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）13-03805-03

Abstract Drought， salinity and low temperatures are major factors limiting tobacco productivity and quality. To survive adverse stresses， plants have developed complex signaling networks to perceive external stimuli， and then manifest adaptive responses at molecular and physiological levels. Mining and deployment of these genetic resources are the foundations for improving the drought resistance in wheat （Triticum aestivum L.）. Sucrose nonfermenting1related protein kinase 2 （SnRK2） is a class of Ser/Thr protein kinase widely existing in plant and involved in a variety of signaling pathways， which play a pivotal role in plant stress physiology. To promote the study of SnRK2 kinase， the current plant and wheat SnRK2s studies， including sequence structure， function of stress resistance， and interacting proteins will be reviewed in this paper.

Key words Plant； Wheat； SnRK2； Stress resistance

蛋白質的可逆磷酸化是逆境條件下植物體內能量代謝和信號轉導的重要途徑，由蛋白激酶和蛋白磷酸酶和共同調控。其中，蛋白質的磷酸化是通過蛋白激酶催化完成的[1]。研究發現，許多蛋白激酶在植物新陳代謝和防御機制的信號轉遞中具有重要作用。其中，SNF1是一種被稱為蔗糖非發酵的蛋白激酶（surcrose nonfermenting1，SNF1），最初在酵母中分離出來，響應細胞內低葡萄糖信號。現在被廣泛研究的SNF1蛋白激酶超家族包括：酵母SNF1、哺乳動物AMPK（AMPactivated protein kinase，AMPK）和植物SnRK（SNF1related protein kinase）。根據結構和功能特點，可將SnRK超家族分為3個亞族：SnRK1、SnRK2和SnRK3，3個亞組的基因序列間有42%～46%的相似性，主要差異在C端調控區。其中，SnRK1與SNF1/AMPK序列相似度高，具有直接的功能同源性，SnRK2和SnRK3則不同于SnRKl家族，它們是植物特有的基因家族[2-4]。近年來研究發現，SnRK2廣泛參與了植物的非生物脅迫應答[5-7]。

小麥是重要的糧食作物，基因組龐大、序列復雜、基因轉化困難等原因，使小麥的結構基因組、功能基因組和蛋白質組研究遠落后于水稻、玉米等作物。小麥SnRK2蛋白激酶的功能及抗逆機理研究未形成完整體系。因此，筆者對小麥SnRK2激酶的研究進行綜述，以期為促進小麥抗逆基因資源的研究和利用。

1 SnRK2的序列結構

SnRK2是一個相對較小的植物專一性蛋白激酶家族，在擬南芥、水稻和玉米等的研究發現其成員約為10個，具有典型的N端和C端功能結構域，N端催化域高度保守，C端為調控區[5-7]。與SnRK1相比，SnRK2的C端缺少140～160個氨基酸，相對較短，該C端的顯著特征是具有一個富含谷氨酸或天冬氨酸（D/E）的酸性補丁結構。據此可將SnRK2分為SnRK2a（Subclass I和Subclass II）亞族和SnRK2b（Subclass III）亞族。其中SnRK2a的C端富含天冬氨酸，而SnRK2b中富含谷氨酸。研究發現，SnRK2的C端結構域和酶的激活、ABA信號傳遞及蛋白間的相互作用相關[8-9]。

2 小麥SnRK2基因的研究

植物應答逆境脅迫的過程非常復雜，涉及多種信號傳遞通路。根據是否有ABA（脫落酸）的參與，將脅迫應答分為ABA依賴途徑和非ABA依賴途徑。越來越多的研究表明，SnRK2家族成員以不同的調控方式廣泛參與植物的逆境脅迫信號傳遞，在植物的逆境應答中具有重要作用。

在植物中分離到的第1個SnRK2成員（PKABA1）來自經ABA處理的小麥胚胎cDNA文庫，研究發現PKABA1可以與ABA 反應元件結合因子ABF結合從而調節植物體內的脫落酸（abscisic acid，ABA）；受ABA、冷和滲透脅迫誘導表達[10]。研究者隨后對PKABA1高度同源基因TaPK3（相似性為97%）的研究發現，TaPK3基因在小麥新生幼芽中富集，不受非生物脅迫誘導表達。可見，SnRK2基因的功能并不局限在植物的脅迫抗性方面[11]。通過掃描干旱脅迫小麥幼苗的cDNA文庫，2個高度同源的SnRK2基因W55a和W55c（相似性為98.54%）被克隆，其屬于Subclass II亞族成員；位于小麥2BS染色體上；可以被干旱、高鹽、ABA和水楊酸等激活，但不受冷脅迫誘導[12]。從小麥根部cDNA差減文庫中分離到1個新的SnRK2基因TaSRK2C1；基因表達分析研究發現，其受干旱、高鹽、低溫和外源ABA誘導表達，在植物中過表達TaSRK2C1基因能顯著增強植株的抗逆能力[13]。小麥TaSnRK2.9基因的克隆與生物信息學分析發現，其與水稻SAPK9基因直系同源，同屬于Subclass II亞族；在小麥的根、莖、葉和花等器官均都有表達，且在葉片的表達量最高；目前還沒有對其功能的系統報道[14]。

筆者對小麥TaSnRK2.3、TaSnRK2.4、TaSnRK2.7和TaSnRK2.8的抗逆性研究發現，4個基因在植物的各組織均有表達，其中，TaSnRK2.3和TaSnRK2.4在新生組織中表達較高，而TaSnRK2.7和TaSnRK2.8在根部表達最高；TaSnRK2.7不能被ABA激活，而其他基因受ABA誘導表達；4個基因同時受干旱、冷和高鹽脅迫誘導；轉基因后均能顯著增強植物的非生物脅迫抗性[15-18]。通過對TaSnRK2.7基因組序列進行直接測序，研究其單核苷酸多態性（Single nucleotide polymorphisms，SNP）發現，一些SNP位點與抗逆相關；利用SNP將TaSnRK2.7精細定位于小麥2AL染色體WMC179.4 和WMC401標記之間，與磷素和可溶性糖高效積累的QTLs定位相近[19-20]。對TaSnRK2.8的SNP研究發現了一個與SNP與苗期生物量和可溶性糖顯著關聯的SNP [21]。這些研究結果顯示，SnRK2可能與其直系同源基因酵母SNF1相似，具有調節糖代謝功能。

3 SnRK2基因參與植物體內的糖代謝途徑

糖不僅能夠為植物的生長發育提供能量和代謝中間產物，同時還具有信號傳遞功能，調節逆境相關基因的表達。然而，由于糖信號轉導與植物體內的生長代謝過程及激素等信號轉導途徑等形成復雜的網絡聯系，其確切機制尚未清楚[22-24]。與SnRK2基因的SNP分析一致，轉基因功能研究發現，擬南芥AtSnRK2.6基因[25]和小麥TaSnRK2.8基因[18]在植物中過表達后，能顯著增加可溶性糖含量、降低細胞滲透勢從而增強植物的抗逆能力。可見，SnRK2基因同時參與了植物體內的糖代謝和逆境信號傳遞過程，關于其確切的分子調控機制尚待研究。

4 SnRK2參與逆境應答的一種調控機制

對SnRK2的上游激活因子和特異性底物的研究可以深入了解其功能。從目前的研究結果看，SnRK2可以被ABA及滲透脅迫等逆境因子激活，其活性調控是以自身磷酸化為基礎，但其調控機制并不清楚。早期對SnRK2上游活化因子的研究發現蛋白磷酸酶2C（PP2C）對OSTI/SnRK2.6基因起負調控作用[26]。前人在檢測SnRK2酶活及尋找靶蛋白的過程中發現其底物主要是堿性亮氨酸拉鏈類（Basic leucine zipper，bZIP）轉錄因子。例如在小麥、水稻和擬南芥里發現ABA下游應答轉錄因子ABF/AREB（ABA responsive transcription factots）可能是SnRK2家族基因的磷酸化底物[27-28]。美國和德國的2個實驗室分別報道了通過體外試驗研究ABA信號傳遞途徑的發現[29-31]：PYR/PYL/RCAR家族是ABA的受體，其與ABI1和ABI2等蛋白磷酸酶（PP2Cs）、SnRK2蛋白激酶共同調控ABA依賴型基因的表達。當植物體內缺乏ABA時，PP2C可以抑制SnRK2的自我磷酸化；在ABA存在條件下，ABA與受體PYR/PYL/RCAR形成的復合體可以捕獲PP2C，此時的SnRK2可以自我磷酸化，激活下游轉錄因子ABF，開啟ABA應答元件ABRE的轉錄，進而調控下游ABA依賴型基因的表達。植物體內的研究發現，擬南芥中受ABA誘導的SnRK2家族Subclass III亞族成員的信號傳遞途徑符合ABAPYRPP2CSnRK轉錄因子相偶聯的ABA信號通路[32-34]。

5 小結與展望

綜上所述，小麥SnRK2成員具有組織表達差異，以不同的調控方式廣泛參與了植物的逆境脅迫應答反應。根據前人的研究，SnRK2成員有其獨特的逆境信號傳遞功能，一些成員并不受ABA的誘導激活。據此，Shukla和Mattoo根據前人的研究結果提出，SnRK2的信號轉導途徑可能包括2個過程：首先，逆境脅迫信號引發植物內源ABA的釋放，進而激活SnRK2，活化后的SnRK2可以進一步磷酸化下游AREB，最終引發一系列基因的表達。另一條信號傳遞過程則不依賴于內源ABA的釋放，SnRK2可以直接作用于相關基因，引發逆境脅迫下一系列基因的應答反應[35]。因此，下一步的研究主要應該集中在SnRK2基因的非ABA依賴信號傳遞途徑方面。

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