植物鈣依賴蛋白激酶CDPK基因功能綜述

費小鈺+李紅麗+王俊皓

摘要：CDPK是一類Ser/Thr型蛋白激酶，存在于植物的各個器官和原生生物中，直接被Ca2+信號激活，通過對底物的調節，調控多個下游支路，將信號放大，從而完成傳遞信號的作用，廣泛參與干旱、鹽堿等非生物脅迫。本文對植物鈣依賴蛋白激酶CDPK基因功能的研究進行綜述。

關鍵詞：鈣依賴蛋白激酶（CDPK）；信號轉導；生物學功能

中圖分類號： TS201.2 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.09.064

植物對于外部刺激，細胞常表現為綜合性的反應，產生的變化在基因表達、酶活性、細胞骨架、通透性等都有體現，然而這些變化并不是全都由于一種信號所引起的，常為幾種不同信號通過復雜反應引起的組合反應，這些多種信號途徑，包括ABA通路、鈣信號轉導，MAPK信號通路等，各信號相互交錯，協同調控，共同完成植物對逆境的抗性，Ca2+是各個通路的交叉點。細胞內信號通常被稱為第二信使，Ca2+作為第二信使在植物受到刺激時，細胞感受刺激并改變胞質內Ca2+濃度，通過濃度的變化植物做出相應的反應，引發一系列信號轉導，通過靶蛋白傳感信號，結合其他靶蛋白質分子（如各種蛋白激酶）啟動基因表達，導致植物應急反應，形成鈣信號的復雜系統。當植物感受到外界環境諸如鹽堿干旱等脅迫時，胞內的多條信號條件傳遞信息到下游，信號被逐級放大傳遞，下游基因得到誘導進行表達，植物生理生化性狀被改變，抵御逆境信號影響。當植物細胞感受到脅迫環境，感受逆境信號的受體感知原生質膜變化，傳遞信號給G蛋白和磷脂酶受體，膜上的Ca2+通道在磷酸化反應中被激活，釋放細胞內鈣庫中的Ca2+，胞內游離鈣離子濃度迅速上升，逆境信號的傳遞過程就此完成[1]。

CDPK是一類Ser/Thr型蛋白激酶，是多基因家族，廣泛存在于植物和原生生物中，其直接被Ca2+信號激活，而不通過鈣調素的作用。CDPK家族有四種類型，分別是CDPK關聯蛋白激酶家族（CRKs）、鈣調素與鈣依賴蛋白激酶家族（SnRKs）、依賴鈣調素蛋白激酶家族（CaMKs）和鈣依賴蛋白激酶家族（CDPKs）[2]。CDPK的活性只表現在與鈣離子結合之后，其通過底物磷酸化向下游傳遞信號。植物細胞中，已經發現有如下幾種可能的與CDPK相關的底物：結瘤素、質膜質子泵、K+/Cl-內流通道、Ca2+-ATPase、水孔蛋白等。Milla等[3]在2006年獲得擬南芥AtCPK4、ATCPK11的作用底物AtDi19，AtDi19只與這兩種蛋白結合，是AtDi家族蛋白之一，與植物脅迫相關，其在與其他AtCPK家族成員的結合中表現很弱甚至不結合。由此可見，CDPK主要通過對底物的調節，形成多個下游支路，將信號放大，從而完成傳遞信號的作用。

1 CDPK的理化特性及結構特點

CDPK純化后是一種單體酶，其分子量在40kDa到90kDa之間，鎂離子是其主要的輔助因子。CDPKs的結構域有四個，N端至C端分別為可變、催化、連接和調控4個區域[4]。N末端的可變區中氨基酸長度一般在20～200個不等，且長短不固定，氨基酸水平的同源性不高，保守性差，多數CDPK的N端含有豆蔻?；稽c，可被豆蔻?；蜃貦磅；？勺儏^比鄰區域為催化區，又叫蛋白激酶結構域，含有300多個氨基酸殘基，Ser/Thr蛋白激酶基因的催化保守序列非常典型，不同種屬間有較高同源性。連接區緊鄰蛋白激酶結構域，富含堿性氨基酸，氨基酸殘基僅有20～30個，有CDPK自抑制片段，具有自我抑制的特點，是CDPK功能區中相對穩定的，可作為假底物，因此又稱自抑制區。自抑區由于其含有雙元保守區，與蛋白質的核定位相關。催化區在Ca2+的濃度明顯降低時會結合連接區，激酶活性受到抑制。Ca2+的結合區即為調控區，含有一段與CaM相似的氨基酸序列，包括4個EF手型結構，能夠與Ca2+結合，引起蛋白結構變化，自抑制解除，CDPK被激活[5]。

2 CDPK生物學功能

CDPK的生物學功能已被廣泛研究，主要功能如下。

2.1參與激素信號調節

激素的變化可導致細胞內Ca2+濃度發生改變，在激素向下游傳遞信號時，CDPK的重要作用得以凸顯。研究表明，赤霉素、脫落酸、油菜素內脂、吲哚-3-乙酸和細胞分裂素可以誘導CDPK的轉錄水平。經赤霉素處理過的水稻種子，其CDPK活性提高10倍。被油菜素內酯處理的水稻幼苗，其CDPK活性明顯提高。

2.2參與植株生長和發育的調控

Ca2+在植物生長發育中具有明顯調節作用。在BY-2細胞中，滲透脅迫和氧化應激可以增加細胞內鈣的水平，這導致細胞周期的延遲。大量實驗表明，CDPK真正參與早期發育階段，在檀香體細胞，胚乳和幼苗中CDPK均有積累。在研究蒺藜苜蓿的實驗中，通過RNAi沉默技術使CDPK1低表達，導致植物根細胞長度降低，說明CDPK1參與到根系的發育。在種子發育過程中，水稻的OsCDPK11和OsCDPK2表達模式不同。OsCDPK11在早期水稻種子中發育水平高，受精后的10天表達水平降低，相反，OsCDPK2在水稻種子發育初期表達量較低，種子發育中期表達量不斷增加，種子發育后期表達量達到最高[6]。

2.3參與脅迫應答和抗逆性

通過對水稻、擬南芥和其他植物的研究顯示，27個水稻CDPK成員和34個擬南芥CDPK成員，其多數與應激信號轉導相關。在鹽脅迫和干旱脅迫條件下，擬南芥AtCDPK1和AtCDPK2的表達增加顯著。10天左右的水稻幼苗OsCPK7的表達量低，經鹽處理后轉錄水平增加。CPK7表達量特別高的轉基因水稻，對于逆境環境的適應能力也較高。在擬南芥中AtCPK10和AtCPK30參與脫落酸以及非生物脅迫的信號轉導。 Urao等研究發現，高鹽環境、干旱環境，AtCDPK1與AtCDPK2基因轉錄水平均顯著上調[7]。

2.4參與氣孔運動的調節

當植物受到ABA誘導時葉片氣孔關閉，鈣離子會對質膜前導鉀通道活性進行抑制，導致鉀離子流出量增加。開放過程使離子達到平衡狀態，CDPK介導的Ca2+參與反應。其中，干旱條件下，ABA濃度增加，導致細胞膜上的Ca2+濃度增加，激活了CDPK，CDPK進而抑制脂膜上內向K+通道，并且作用液泡膜上的K+通道，使K+向胞外流出，從而達到離子平衡。例如，當有Ca2+時，擬南芥的CDPK成員AtCPK1可以激活蠶豆保衛細胞質膜上的Cl-通道[8]。

2.5調節植物細胞骨架

保持組織和細胞的結構是植物細胞骨架的主要功能。 Putnam-Evans 等[9]的研究表明，CDPK參與肌動蛋白合成的聚合體影響植物節間和花粉管快速生長，部分CDPK成分可以組合形成聚合物和肌動蛋白微原纖維。 Moutinho 等[10]發現當花粉管快速生長時，頂端活躍生長細胞中CDPK濃度更高。當花粉管開始伸長時，擁有較高濃度的CDPK使其伸長速度也更快。 研究發現，CDPK對細胞器的運動和調控胞質環流均有重大影響。

2.6參與離子調節和水分跨膜轉運

關于水分跨膜轉運和離子調節的報告已有很多，參與CDPK調節的蛋白有很多種，包括液泡膜表面水通道蛋白、質膜K+通道、H + -ATPase 、液泡膜上的陰離子通道、玉米根尖部位質膜的33kD和58kD蛋白和內質網膜上的ACA2Ca2+-ATPase[11]。因此，水通道蛋白以及離子通道蛋白在數量，活性和分布上都能夠被CDPK調節。CDPK在植物正常生長和逆境環境中離子和水分運輸上意義重大。

2.7參與植株碳氮代謝

在低滲脅迫過程中，蔗糖磷酸合成酶（SPS）可以被CDPK激活，使得胞內蔗糖濃度增加，降低細胞水勢，從而提升細胞的保水能力。黑暗中CDPK也能夠抑制SPS磷酸化，說明由CDPK介導的Ca2+參與到了磷酸化的抑制過程。研究表明CDPK在對植物碳氮代謝上影響重大。

2.8參與應對病原微生物侵害的響應與防御過程

在不同植物/病原體系統的研究中，已知細胞質鈣的流入在由病原體誘導的信號轉導級聯的激活中特別重要。 Avr9的病原體可影響編碼蛋白的重要過程，編碼相應蛋白Cf-9不僅誘導信號通路，而且激活NtCDPK2，Cf-9在轉基因煙草中過表達，可以大大提高 NtCDPK2基因的轉錄[12]，充分證實CDPK在Cf-9/Avr9誘導情況下產生的超敏反應中起重要作用。

3 展望

CDPK廣泛分布在植物中、藻類和原生動物中，研究表明，根、莖、葉、花、種子等植物器官上均存在CDPK基因，在細胞水平上，花粉、保衛、分生、胚細胞和木質部也都證明了CDPK的存在。亞細胞水平如液泡膜、質膜、線粒體外膜等也都發現其存在跡象。自1982年CDPK第一次在豌豆莖中發現，其抗逆機制深深吸引人們來探索，研究人員對CDPK基因的研究也隨之深入，目前已知擬南芥有34個CDPK成員，其中AtCPK10、AtCPK11參與鹽堿、干旱脅迫應答，AtCPK8、AtCPK10的超表達能夠顯著提高植物抗旱性，AtCPK27在鹽堿脅迫應答中發揮作用。CDPK在水稻中有31個成員，其中OsCPK7與水稻耐鹽性和耐冷性正相關，OsCPK21使水稻耐鹽堿性增強，OsCPK12正向調控水稻耐鹽性，參與ABA信號途徑，與此同時，與水稻瘟病抗性負相關[13]。陳飛[14]等推測出蘋果26個CDPK成員，分為4個亞家族，其亞家族分類與擬南芥亞家族分類一致。張進[15]等推測出楊樹32個CDPK基因和10個CRK基因成員。目前由于生態環境破壞非常嚴重，土地鹽堿化、沙漠化日益擴大，人們希望通過培育抗逆性強的植物來解決上述問題。伴隨著基因遺傳轉化技術的發展，CDPK參與干旱、鹽堿等非生物脅迫，參與基因信號轉導均已被證實，超表達的CDPK通過對轉基因植物下游基因的誘導表達，提高植物在應對鹽堿、干旱、低溫等環境中擁有更強抵御能力。CDPK基因在植物抗逆基因工程中的應用必將更廣泛。

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作者簡介：費小鈺，碩士，研究方向：植物生物化學與分子生物學。