植物調(diào)控鹽脅迫下離子動態(tài)平衡

陳鵬程　顧志敏

摘要 在鹽脅迫下，植物在細胞質(zhì)溶膠中維持高濃度的K+和低濃度的Na+。植物通過調(diào)控K+和Na+轉(zhuǎn)運蛋白和為這些轉(zhuǎn)運蛋白提供轉(zhuǎn)運動力的H+泵蛋白活性及其表達量來維持。盡管鹽脅迫感受器蛋白仍不清楚，但是已明確鑒定其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的一些中介化合物。跡象表明，一類蛋白激酶化合物SOS3和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SOS2能夠被鹽脅迫引起的鈣信號激活。其CBL/CIPK復(fù)合物隨后磷酸化和激活多種離子轉(zhuǎn)運蛋白，例如位于細胞膜上的Na+/H+反轉(zhuǎn)運蛋白SOS1。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)運蛋白；絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶；鈣信號；SOS1

中圖分類號 S188+.1；Q945.78 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-016-03

Abstract Under salt stress，plants maintain a high concentration of K+ and a low concentration of Na+ in the cytosol.They do this by regulating the expression and activity of K+ and Na+ transporters and of H+ pumps that generate the driving force for transport.Although saltstress sensors remain elusive，some of the intermediary signaling components have been identified.Evidence suggests that a protein kinase complex consisting of the myristoylated calciumbinding protein SOS3 and the serine/threonine protein kinase SOS2 is activated by a saltstress elicited calcium signal.The protein kinase complex then phosphorylates and activates various ion transporters，such as the plasma membrane Na+/H+ antiporter SOS1.

Key words Transporters； Serine/threonine protein kinase； Calcium singal； SOS1

細胞內(nèi)離子濃度動態(tài)平衡對活細胞發(fā)揮正常生理功能非常重要。適當(dāng)?shù)恼{(diào)控進出細胞的離子流量對細胞維持低濃度具有毒害作用離子和積累必須離子十分重要。植物細胞采用H+ATPases調(diào)控的初級主動運輸?shù)鞍缀碗x子通道和共轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)的次級轉(zhuǎn)運蛋白來維持細胞質(zhì)中典型的高濃度的K+和低濃度的Na+。細胞內(nèi)K+和Na+的動態(tài)平衡對細胞質(zhì)中多種酶活性非常重要，并且對維持細胞膜電勢和一個適宜的滲透壓從而調(diào)控細胞體積也非常重要。

在鹽脅迫下，維持K+和Na+動態(tài)平衡顯得更加重要。因而，調(diào)控鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的離子轉(zhuǎn)運蛋白來理解植物細胞整體水平調(diào)控離子動態(tài)平衡提供一個模型案例。Na+脅迫阻斷根K+吸收[1]。當(dāng)Na+進入細胞且積累到較高濃度，它將對細胞質(zhì)中的酶產(chǎn)生毒害作用。為了預(yù)防生長中止或細胞死亡，多余的Na+將被擠出細胞或隔離進入液泡中。不像動物細胞，植物細胞沒有Na+ATPases或Na+/K+ATPases，并且植物細胞僅依賴H+ATPases和H+焦磷酸酶產(chǎn)生質(zhì)子動力。它能夠推動離子運輸和新陳代謝[1]。許多H+、Na+和K+轉(zhuǎn)運蛋白被鑒定出來。控制轉(zhuǎn)運蛋白表達和活性的調(diào)控機制開始被闡明。筆者綜述了植物調(diào)控鹽脅迫下離子動態(tài)平衡，以期了解細胞通過鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控植物Na+轉(zhuǎn)運。

1 植物感受鹽脅迫

植物細胞可以感受到高滲透壓和鹽脅迫的特定離子信號。雖然在Na+轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)中特定離子信號比高滲透壓更重要，但是滲透脅迫也起一定作用（圖1）。滲透脅迫激活A(yù)BA的合成，使得編碼液泡Na+/H+交換器的AtNHX1轉(zhuǎn)錄上調(diào)[2]。伸展激活的通道和跨膜蛋白激酶如組氨酸激酶[3]和細胞壁相關(guān)激酶[4]可以部分感受到鹽脅迫。目前，尚缺乏這些蛋白在植物鹽脅迫響應(yīng)中作用的遺傳學(xué)證據(jù)。

對于Na+在細胞中被感知的報道很少，理論上Na+在進入細胞前后都可以被感受到。細胞膜受體可以感受到細胞外的Na+，而細胞內(nèi)的Na+則可以被細胞膜蛋白或細胞質(zhì)內(nèi)的許多對Na+敏感的酶。質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白SOS1（Salt overly sensitive 1）可能是一個Na+感受器[5]。SOS1蛋白有10～12個跨膜結(jié)構(gòu)域和一個推測位于細胞質(zhì)中的超過700個氨基酸的長尾巴[5]。SOS1 有Na+/H+交換器活性。這些轉(zhuǎn)運活性對擬南芥細胞的Na+外排是必要的[6-7]。SOS1的長的細胞質(zhì)尾巴表明這個蛋白并不是僅僅轉(zhuǎn)運Na+，還可以感受Na+。許多帶有長的細胞質(zhì)尾巴或環(huán)的轉(zhuǎn)運蛋白都被證明是Na+感受器。例如，酵母中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白Snf3（Sucrose nonfermenting 3）和Rgt2 （Regulator of glucose transporter 2）分別作為低濃度和高濃度的葡萄糖感受器[8]。雖然酵母蛋白Snf3和Rgt2沒有明顯的葡萄糖轉(zhuǎn)運活性。對其他蛋白的研究表明，感受和轉(zhuǎn)運沒有相互獨立的功能。例如，大腸桿菌中的糖通透酶BglF既可以感受又可以轉(zhuǎn)運β糖苷[9]。酵母中的銨基轉(zhuǎn)運器Mep2p既可以感受銨基，又可以將它轉(zhuǎn)運進細胞，起始調(diào)節(jié)纖維生長的營養(yǎng)信號[10-11]。所以，SOS1也可能是Na+的感受器和轉(zhuǎn)運器。

2 Na+進入植物細胞

植物細胞質(zhì)膜巨大的負電位有利于Na+進入細胞的主動轉(zhuǎn)運。Na+細胞通過高度親和性的K+轉(zhuǎn)運子HKT1[12-13] 和非選擇性陽離子通道[14]進入細胞。此外，在一些植物種類中如水稻，通過非質(zhì)體排入蒸騰流的Na+為進入細胞Na+的主要部分[15]。通過非質(zhì)體途徑攝取Na+受到植物根發(fā)育和細胞壁上二氧化硅沉積的影響。控制這個非選擇性陽離子通道的細胞特性還不明確。非選擇性陽離子通道介導(dǎo)的Na+流對Ca2+部分敏感。這個特性與植物根中Ca2+抑制Na+進入細胞有著 一一對應(yīng)的關(guān)系[16] 。Ca2+是直接地還是不直接地通過細胞內(nèi)調(diào)節(jié)蛋白調(diào)控非選擇性陽離子通道的活性還尚不清楚。

擬南芥中的AtHKT1蛋白在異源系統(tǒng)如非洲爪產(chǎn)出卵母細胞和酵母中的表達可以介導(dǎo)Na+流動[17]。在對鹽高度敏感的擬南芥突變sos3的抑制突變中，鑒定出AtHKT1的等位基因[12]。sos3突變體中athkt1的抑制表達是由Na+積累減少造成的。在小麥中，K+Na+共轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運子HKT1在高鹽條件下也可以發(fā)揮Na+流動的功能[18]。在野生型細胞中，AtHKT1對Na+流動活性可能受到SOS3（鈣結(jié)合蛋白）和SOS調(diào)控途徑的其他組成部分的負調(diào)控（圖1）。或者，SOS途徑可能不調(diào)控AtHKT1。athkt1的抑制作用可能僅僅是由于Na+進入細胞減少而產(chǎn)生的。為什么像AtHKT1之類對Na+進入細胞具有毒性的Na+流轉(zhuǎn)運子在進化過程中被保留下來是一個有趣的問題。athkt1突變體沒有明顯的生長發(fā)育缺陷。在組織培養(yǎng)基中，它們比野生型有對Na+更強的耐受性，但是在土壤中生長條件下更加敏感。AtHKT1在鹽堿地中的基本特征可能可以用它潛在的對Na+從根和莖之間的長距離轉(zhuǎn)運功能來解釋[13]。

3 植物細胞Na+外排作用

由于Na+從一個細胞轉(zhuǎn)運出去會對相鄰細胞造成影響，多細胞植物的Na+溢出不明顯，Na+排出的作用在特定組織和整株植物都有存在。在擬南芥中，Na+溢出是由于質(zhì)膜上SOS1編碼的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白催化而成[6-7，19]。在鹽脅迫植株中才可以檢測到SOS1活性[6]。電中性的Na+/H+轉(zhuǎn)換器特異性轉(zhuǎn)運Na+，而不能轉(zhuǎn)運Li+或K+[6.20]。在所有組織中都能檢測到SOS1啟動子的活性，但是根表皮細胞特別是根尖表皮細胞和植株維管組織細胞中活性最高[19]。SOS1表達模式和sos1突變體植株離子分析結(jié)果表明，SOS1有多重作用，是Na+排出進入根的介質(zhì)，降低細胞質(zhì)中Na+積累速率，從而延長積累時間，控制從木質(zhì)部和韌皮部卸載Na+，并載入根到葉中的Na+轉(zhuǎn)運。SOS1在長途轉(zhuǎn)運中的作用對于調(diào)節(jié)Na+溢出和葉中Na+液泡隔離有重要意義。擬南芥轉(zhuǎn)基因植株SOS1表達的增加會提升植株對鹽的耐受性[21]。

在鹽脅迫下，SOS1的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)[5]。這個上調(diào)是轉(zhuǎn)錄后水平的。由于在鹽脅迫下SOS1啟動子活性沒有上調(diào)，但是花椰菜花葉病毒35S啟動子啟動的SOS1的表達上調(diào)[21]。SOS1部分在SOS2 和SOS3的控制下表現(xiàn)鹽脅迫上調(diào)[5]。質(zhì)膜細胞膜上的H+ATP酶為SOS1Na+轉(zhuǎn)運提供驅(qū)動力。在擬南芥AHA4突變體中，根部-內(nèi)皮層-特定等離子體-細胞膜H+ATP酶的破壞導(dǎo)致鹽敏感性上升[22]。在鹽脅迫下，H+ATP酶的轉(zhuǎn)錄水平上升[23]。擬南芥H+磷酸化酶AVP1過表達可以提高植株對鹽和干旱的耐受力[24]。SOS3和SOS2是否參與這個調(diào)節(jié)過程不得而知。

鹽脅迫下，SOS1激活Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運蛋白的活性是由SOS3和SOS2控制的[6-7]（圖1）。SOS3是一個豆蔻酰化鈣結(jié)合蛋白，在鹽脅迫下可以感受細胞內(nèi)釋放的鈣信號[25-26]。SOS2是一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。它有一個特殊的C端調(diào)控結(jié)構(gòu)域和一個和酵母蛋白SNF1、哺乳動物AMPK類似的N端催化結(jié)構(gòu)域[27]。SOS2的N端激酶催化結(jié)構(gòu)域與C端調(diào)控結(jié)構(gòu)域互作[28]。SOS2的C端調(diào)控結(jié)構(gòu)域與SOS3互作，并且這個互作是由于FISL基序的21個氨基酸序列調(diào)節(jié)的[28]。在鈣存在的情況下，SOS3會激活底物SOS2的磷酸化[29]。FISL基序是自抑制。它的缺失會導(dǎo)致SOS2激活[30-31]。

4 植物細胞Na+隔離作用

Na+的液泡隔離作用不僅降低細胞質(zhì)中Na+濃度，而且有助于滲透調(diào)校，從而維持植物高鹽溶液下水分的吸收。其他細胞器如原質(zhì)體和線粒體也可能積累一些Na+，因此總體上有助于Na+的隔離作用。在擬南芥中，AtNHX家族的Na+/H+反轉(zhuǎn)運蛋白具有隔離Na+的功能[31]。AtNHX1和AtNHX2都位于液泡膜上，并且它們的轉(zhuǎn)錄量能夠被ABA和滲透脅迫上調(diào)[32]。在鹽脅迫下H+ATPases復(fù)合物的轉(zhuǎn)錄量也上調(diào)[33]。AtNHX1在多種植物[34]中過量表達都被報道能夠在很大程度上增強植物的鹽耐受能力。

擬南芥sos1、sos2和sos3突變體都不損害鹽脅迫調(diào)控的AtNHX1的表達[35]。然而，導(dǎo)致ABA合成缺陷或abi1（不包括abi2）突變體在鹽脅迫下部分損害AtNHX1的表達[32，36]。這意味著一種SOS非依賴性的但依賴ABA的途徑調(diào)控著鹽脅迫下液泡反轉(zhuǎn)運蛋白的表達（圖1）。然而，SOS途徑可能調(diào)控液泡Na+/H+方轉(zhuǎn)運蛋白的活性[37]。

5 細胞中K+動態(tài)平衡

細胞質(zhì)高K+/ Na+比對維持細胞代謝是至關(guān)重要的。在鹽脅迫下，Na+ 和K+以互相競爭的方式進入根部細胞。在鹽脅迫下，K+轉(zhuǎn)運器基因的表達水平下調(diào)或上調(diào)，可能反映在鹽脅迫下不同植物對K+吸收能力的差異。鹽脅迫增加了擬南芥根部K+轉(zhuǎn)運器基因AtKC1的轉(zhuǎn)錄水平[38]。在冰葉日中花植物中，KMT1 （1個 AKT/KAT家族成員）和不同的HAK/KUP（高親和力K+轉(zhuǎn)運器或K+吸收轉(zhuǎn)運器）類型基因表達上調(diào)，然而MKT1（另外一個AKT/KAT家族成員）的表達下調(diào)[39-40]。由于轉(zhuǎn)運器特點和體內(nèi)轉(zhuǎn)運器的角色不清楚，這種轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)的重要性很難確定。蛋白激酶[41]和磷酸化酶[42]調(diào)節(jié)K+通道的活性。然而，鹽脅迫通過這些或其他的蛋白激酶和磷酸化酶來調(diào)節(jié)K+吸收轉(zhuǎn)運器的活性還不得而知。利用來自赤桉的2個HKT1的同系物，發(fā)現(xiàn)一個新穎的活性調(diào)節(jié)模式[43]。這些Na+/K+共轉(zhuǎn)運器在爪蟾卵母細胞中表達，有內(nèi)在的滲透感受能力。Na+ 和 K+轉(zhuǎn)運器活性由于降低細胞外的滲透液濃度而得到提高。

擬南芥sos突變體在低K+限制條件下表現(xiàn)生長缺陷[44]。Athkt1突變體抑制了鹽超敏，sos3突變體K+獲得缺陷[12]。SOS信號途徑可能是間接的。sos突變體Na+溢出缺陷可能導(dǎo)致細胞質(zhì)Na+過多，從而抑制K+吸收轉(zhuǎn)換器如AKT1的活性（圖1）。在低K+限制條件下，盡管生長在有足夠NaCl的介質(zhì)中，sos突變體細胞質(zhì)Na+的抑制水平上調(diào)。

6 結(jié)論

在許多植物中，發(fā)現(xiàn)多種H+、K+和Na+轉(zhuǎn)運蛋白。現(xiàn)已明確了鹽脅迫調(diào)控這些轉(zhuǎn)運蛋白的表達和活性。有證據(jù)表明，SOS途徑在脅迫一些轉(zhuǎn)運系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。未來的工作應(yīng)針對那些還沒有確定的鹽脅迫感受器蛋白的發(fā)現(xiàn)方面和鑒定額外的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)化合物。它調(diào)控著鹽脅迫下離子轉(zhuǎn)運蛋白的表達和活性。

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