MAPK 在植物響應逆境脅迫中的作用

張鑫苗，伍國強，魏明

（蘭州理工大學生命科學與工程學院，甘肅 蘭州 730050）

植物在生長發育周期中，經常遭受非生物脅迫（低溫、干旱、鹽漬等）的侵害，通常這些逆境脅迫會對植物細胞造成一定程度的傷害，進而對植物生長發育、產量和品質造成不利影響［1］。因此，研究植物在逆境脅迫下造成的傷害及應答機制對于提高植物的抗逆性具有重要意義。在長期的進化過程中，植物逐漸形成了復雜而精確的系統，以適應多變的環境條件［2］。其中，絲氨酸/蘇氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶網絡可以使植物感知環境、激素等外部因素刺激，并將其轉化為適當的輸出，如代謝、基因表達、細胞生長和分裂變化等［3］。絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）屬于一類Ser/Thr 蛋白激酶，活化的MAPK 可靶向特定的下游底物，如激酶、酶和轉錄因子（transcription factor，TF）磷酸化多種底物等［4］。蛋白質磷酸化是調控包括植物在內的所有生物體內許多基本細胞過程最重要的機制，一般通過級聯網絡發揮作用。

MAPK 級聯由Ser/Thr 蛋白激酶的3 部分組成，包括MAP3Ks/MAPKKKs/MEKKs/MKKKs、MAP2Ks/MAPKKs/MEKs/MKKs 和MAPKs/MPKs，它們通過磷酸化順序激活，以在外部信號和細胞反應之間傳遞和整合信息［5］。MAPK 級聯的特異性信號轉導依賴于MKK 與MAPK 的對接相互作用，以及MAPK 與底物的特異性相互作用［6］。目前，在植物中鑒定出各類蛋白激酶，其中最大和最重要的一類是MAPK。作為植物最重要的信號分子，MAPK 在傳感器或受體下游發揮作用，以協調細胞反應［7］。研究表明，在外界各種逆境因子的刺激下，MAPK 級聯途徑在調控植物響應逆境脅迫反應中發揮著重要作用。本研究對植物MAPK 的發現、分類與結構、調控機制及其響應逆境脅迫等方面的研究成果加以綜述，并對其未來研究方向進行展望，以期為農作物抗逆性遺傳改良提供理論依據和基因資源。

1 植物MAPK 的發現

MAPK 在真核生物中具有重要作用，可介導多種外部信號在適當的細胞反應中發揮作用，在植物中，MAPK途徑有著更廣泛的刺激［8］。植物MAPKs 是一類高度保守的Ser/Thr 類蛋白激酶。Stafstrom 等［9］在豌豆（Pisum sativum）中克隆出第一個高等植物MAPK 蛋白激酶編碼基因D5，該基因與酵母（Saccharomyces cerevisiae）和脊椎動物調節細胞周期MAPK 激酶約有50%的同源性，與植物細胞周期調節因子cdc2 激酶約有41%的同源性。隨后，相繼在擬南芥（Arabidopsis thaliana）［10］、萵苣（Lactuca sativa）［11］、水稻（Oryza sativa）［12］等植物中鑒定到MAPKs家族成員（表1）。不同植物MAPK編碼氨基酸數量為330～792 aa，分子質量為38.21～90.12 kDa，等電點為4.93～9.28。

表1 不同植物MAPK 基因Table 1 The MAPK genes in various plant species

2 MAPK 的結構與分類

MAPKs 是一類復雜的Ser/Thr 蛋白激酶，位于MAPK 級聯信號系統的下游，可以磷酸化多種底物，包括其他激酶和/或TFs［25］。MAPK 具有相對保守的11 個亞結構域（Ⅰ～Ⅺ），均為Ser/Thr 蛋白激酶發揮其催化作用所必要的元件。MAPK 在Ⅶ和Ⅷ亞結構域之間含有一個高度保守的“T-X-Y”活化環，“T-X-Y”基序也稱“T 環（Tloop）”，為MAP2K 磷酸化的保守基序，是決定MAPK 活性的關鍵部位［26］。根據“T-X-Y”基序，可將其分為TEY（Thr-Glu-Tyr）和TDY（Thr-Asp-Tyr）2 個磷酸化基序。其中，TEY 可進一步分為A、B 和C 3 個亞簇，TDY 型的MAPK 成員單獨形成一個親緣關系較遠的D 簇，也是植物所特有的。目前對D 簇TDY 的功能研究較少但其成員數量較多［27］。另外，一些MAPK 成員還含有CD（common docking）結構域，其保守基序為（LH）DXXDE（P）X［28］。此外，MAPK 底物蛋白上有一串帶正電荷的氨基酸殘基，由疏水性氨基酸殘基包裹，是MAPK 的停靠位點。CD 結構域是存在于MAPK 一級結構中C 端與其他蛋白識別的位點，由一簇帶有負電荷的氨基酸殘基組成，與MAPK 活性中心對立。由于CD 結構域帶負電荷而與MAPK 互作的蛋白停靠位點帶有正電荷，因此兩者之間的靜電作用可能是互作發生的重要原因［29］。

為進一步分析進化關系，本研究采用MEGA 11 軟件對來自擬南芥、山茶樹、煙草、甜瓜、甜菜（Beta vulgaris）和萵苣等6 個物種94 個MAPK 氨基酸序列進行多重比對并構建系統發育樹（圖1）。結果表明，MAPK 成員可分為4 個亞簇，A、B、C 和D 簇分別含有17、22、14 和36 個成員。山茶樹、煙草、甜瓜和萵苣MAPK 在D 簇中成員最多，而甜菜MAPK 在B 簇的成員最多，在C 簇的成員最少。此外，處于同一簇的成員具有更高的同源性、基本結構和功能相似性。由此表明，同一簇MAPK 的成員可能在不同植物中發揮相同的功能。A 簇MAPK 成員廣泛參與環境脅迫和激素響應，B 簇成員主要參與環境脅迫響應和細胞分裂，C 簇成員則參與細胞周期調控，而D 簇成員的功能尚不清楚［30］。

圖1 高等植物MAPKs 系統進化樹Fig.1 Phylogenetic tree of the higher plant MAPKs

3 MAPK 的表達調控機制

3.1 MAPK 級聯受信號分子的激活

3.1.1 MAPK 受活性氧的調控 在穩態條件下，植物在活性氧（reactive oxygen species，ROS）產生和淬滅之間保持著平衡，但當植物遭受到生物或非生物脅迫時，ROS 的生成會加快［31］。逆境脅迫導致植物ROS，如過氧化氫（H2O2）和超氧陰離子（O2·-）等過量積累［32］，造成氧化應激狀態，從而損害細胞和亞細胞結構。鹽脅迫不僅對植物造成滲透和離子脅迫，而且還會造成氧化脅迫，從而抑制植物光合作用、養分吸收、蛋白質合成和酶活性［33］。因此，高濃度ROS 對植物細胞是有毒害作用的。然而，應激期間產生低濃度的ROS 被認為是激活應激反應通路的信號分子［34］，從而控制各種生理代謝和細胞過程。眾多研究表明，在植物中ROS 信號傳導和MAPK 激活有著強烈的交織。

H2O2是關鍵的植物信號分子并可誘導MAPK 級聯響應逆境脅迫。植物在鹽、低溫、干旱等非生物因素刺激下產生的ROS 導致MEKK1-MKK4/5-MPK3/6 激活以響應逆境脅迫［35］。在玉米根中，鎘（Cd）脅迫通過ROS 誘導激活ZmMPK3-1 和ZmMPK6-1［36］。外源添加H2O2可激活擬南芥中的2 個A 亞簇成員（AtMPK6 和AtMPK3）［37］。H2O2還可激活煙草水楊酸誘導蛋白激酶（salicylic acid-induced protein kinase，SIPK）［38］、水稻OsMPK3、OsMPK6 和OsMPK1［39］。在OsMPK3 和OsMPK6 中鑒定的6 個保守半胱氨酸（Cys）殘基位于蛋白激酶亞結構域Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ和Ⅺ或其附近。Xie 等［40］利用定點突變技術，將Cys 替換成Ser，發現OsMPK3 和OsMPK6 的第4 個Cys 殘基分別為Cys179 和Cys210，可能是一個氧化還原敏感殘基，參與調節這兩個激酶的活性。Zhang 等［41］利用凝膠內激酶法，用5 mmol·L-1H2O2處理作為底物的重組甘藍型油菜MKS1（擬南芥中鑒定的特定MPK4 底物的同源物）凝膠，在44 kDa 的BnMPK4 的預測位置觀察到單個放射自顯影帶，從而確定BnMPK4對H2O2有反應。進一步研究表明，BnMPK4 的激活機制是激活環中的Thr201 和Tyr203 殘基被磷酸化。MAPK不僅通過上游激酶高度保守的TEY 殘基的翻譯后磷酸化而被激活，轉錄控制也是植物MAPK 信號級聯的重要機制。Wang 等［42］通過免疫沉淀和凝膠內激酶法測定證實，10 mmol·L-1H2O2能夠介導ZmMPK3 的激活。冷馴化誘導的番茄（Solanum lycopersicum）耐冷性主要歸因于凋亡細胞中呼吸爆發氧化酶（respiratory burst oxidase homologue，RBOH）依賴性H2O2的產生，隨后激活MPK1/2 以誘導應激反應［43］。這些結果表明，逆境脅迫下植物產生的ROS 分子和外源施用H2O2可激活MAPK 途徑。

3.1.2 MAPK 受一氧化氮的調控 一氧化氮（nitric oxide， NO）被認為是一種信號分子，高度參與植物的各種生理事件。NO 在O2存在下形成不同的重要氧化物，如NO2，其可與細胞胺和硫醇反應，還可與O2·-反應，產生的離子會對細胞結構造成嚴重傷害，這些分子也稱為活性氮物（reactive nitrogen species，RNS）。ROS 在植物細胞對生物和非生物脅迫反應中的作用已被充分證明［44］。然而，對RNS 及其在植物中的作用知之甚少［45］。大量研究已經揭示暴露于不利條件下植物中NO 介導的保護機制［46-48］。

NO 能夠賦予植物對重金屬、低溫、H2O2、高鹽等非生物脅迫的耐受性［49-50］。植物由于其固著性，在其生命周期中暴露于金屬和類金屬環境中［51］。許多重金屬都是植物必需的微量元素，對植物的生長發育起著十分重要的作用。但是，當環境中的重金屬數量超過某一臨界閾值時，就會迅速變成毒性物質，其通過干擾植物生理代謝，阻礙植物生長和發育并導致氧化應激的發生［52］。研究表明，重金屬誘導MAPK3/6 活化是由NO 介導［53］。在擬南芥中，NO 通過促進MPK6 介導的caspase-3-like 激活來促進Cd2+誘導的程序性細胞死亡（programmed cell death，PCD）［54］。冷馴化誘導的番茄耐寒性與硝酸鹽還原酶（nitrate reductase，NR）依賴的NO 產生和MPK1/2 的激活密切相關［55］。NR 是植物中NO 生成的關鍵因素，而NR 功能缺失則降低MPK1/2 和S-亞硝基化谷胱甘肽還原酶（S-nitrosylated glutathione reductase，GSNOR）活性，MPK1 和MPK2 功能缺失減弱NR 依賴的NO 產生和冷馴化誘導的低溫耐受性。相比之下，GSNOR 功能缺失則導致NR 活性降低，NO 積累量和MPK1/2 活性增加，增強對冷脅迫的耐受性。H2O2可誘導NO 的生物合成，導致MAPK 激活和基因上調，從而促進抗氧化酶合成［56］。H2O2也可誘導玉米葉肉細胞中NO 生成增加，用NO-特異性熒光染料DAF-2DA 處理葉片后，采用共聚焦激光掃描顯微鏡（confocal laser scanning microscopy，CLSM）技術觀察到H2O2處理的玉米葉肉細胞中的DAF-2DA 熒光快速增加［57］。進一步研究表明，NO 激活的MAPK 參與NO 誘導的玉米葉片抗氧化防御系統上調。用PD98059 和U0126（MAPKK 特異性抑制劑）預處理后，暴露于NO 供體硝普酸鈉（sodium nitroprusside，SNP），發現SNP 誘導的轉錄水平增加和抗氧化酶的活性幾乎被MAPKK 抑制劑預處理完全阻斷［57］。鹽誘導的應激改變保護細胞的信號分子（如ROS、NO）。NO 通過調控乙烯（ethylene，ETH）生成和脫落酸（abscisic acid，ABA）信號途徑MKK2-MEK1-MAPK5 中的各種蛋白的轉錄水平，從而降低ABA 水平和ETH 生物合成，進而緩解高鹽對植物的毒害作用［58］。由此表明，NO 可能是通過自身或在其他信使的幫助下激活MAPK 信號通路，從而對逆境脅迫作出應答響應。

3.1.3 MAPK 受激素的調控 植物激素是一種重要的信號分子，其生物合成或轉運經常在細胞受到外界刺激時發生。植物對內源刺激和外部刺激（如環境條件變化和病原體入侵）的感知，往往在短時間內觸發MAPK 級聯反應的快速激活［59］。這種快速的反應可使其調節激素的生物合成或運輸。植物激素的生物合成、運輸和信號轉導與MAPK 信號有著錯綜復雜的關系，有些MAPKs 成員作為上游調控因子來控制激素的生物合成或運輸［60］。然而，另外一些MAPKs 成員則位于下游，調控激素信號轉導，MAPK 也可被水楊酸（salicylic acid，SA）、茉莉酸（jasmonic acid，JA）和ETH 激活。

在擬南芥中，MAPKs 參與JA、ETH 和SA 的合成，以及ETH、SA、ABA 和JA 的信號轉導［61-62］。Novikova等［63］研究表明，用ETH 處理過的擬南芥蛋白質提取物中含有MAPK 活性，與野生型（wild type，WT）相比，該激酶在ctrl突變體中增加，而在etr1（對ETH 不敏感）突變體中降低。在鹽脅迫下，SlMAPK3過表達植株的鮮重、株高、根長均大于WT 和SlMAPK3-敲除植株。此外，轉基因植株ETH 信號通路基因（SlACS2、SlEIN2和SlERF2）的表達增加，從而對鹽脅迫作出積極反應［64］。研究表明，JA 調節MAPK 活性和MAPK基因表達。甲基茉莉酸（methyl jasmonic acid，MeJA）是JA 的衍生物。研究表明，MeJA 可以通過提高抗氧化酶活性來增強植物對非生物脅迫的抵抗力［65］。MeJA 強烈誘導甜瓜中14 個CmMAPKs［24］。用0.5 mmol·L-1MeJA 處理后，PtMAPK3-1的表達顯著上調，在12 h 達到最大值。進一步研究發現，毛果楊（Populus trichocarpa）轉基因植株和野生型植株過氧化氫酶（catalase，CAT）和過氧化物酶（peroxidase，POD）活性在MeJA 處理后12 h 均顯著增加，但過表達植株的水平高于野生型［25］。在SA 處理6 h 后，甘蔗（Saccharum officinarum）ShMAPK5轉錄水平上調［66］。SA 和JA 可顯著誘導丹參（Salvia miltiorrhiza）SmMAPK3的表達水平［67］。

另外，MAPK 級聯反應被褪黑素（melatonin，MT）觸發誘導轉錄因子，激活下游抗性基因的表達，從而提高燕麥（Avena sativa）對Cd 脅迫的耐受性［68］。在鹽脅迫下，外源MT 顯著增加了黃瓜（Cucumis sativus）CsMAPK3、CsMAPK4和CsMAPK6的表達水平［69］。在干旱條件下，外源乙酸（acetic acid，AA）激活蘋果（Malus domestica）ABA 信號通路ABA-PYR/PYL-PP2C-SnRK-MAPKK17/18-MKK3-MPK1/2 和JA 信號通路JA-MKK3-MPK6-MYC，使下游靶基因ERF和CHIB表達水平增加，從而提高蘋果的抗旱性［70］。這些結果表明，植物激素通過翻譯后修飾、激活TFs 和其他植物激素相互作用誘導MAPK 或MAPK 信號通路。

3.2 MAPK 級聯磷酸化轉錄因子

植物MAPK 位于整個MAPK 級聯途徑的最下游，MAPKK 通過磷酸化的方式將信號傳遞給MAPK，被磷酸化的MAPK 在細胞質中磷酸化蛋白激酶或其他功能蛋白，或者進入到細胞核中與TFs 相互作用進而調控基因的表達。在MAPK 的諸多底物中，TFs 數量最多。TFs 也稱為反式作用因子，是一種能夠與基因啟動子區域中的順式作用元件發生特異性結合的蛋白質分子［71］。當植物受到非生物脅迫時，受激發的TFs 能夠與相應啟動子的順式作用元件結合，以啟動應答基因的激活或抑制，對非生物脅迫信號作出調節反應，從而提高植物的抗逆性［72-74］。

目前，已發現與MAPK 級聯相關的轉錄因子有WRKY、bZIP、ERF 和ICE 等。 鹽脅迫下，水稻OsMAPKKK6-OsMAPKK4-OsMAPK5 級聯調控轉錄因子OsSERF1，該轉錄因子功能缺失會削弱MAPK 級聯和鹽耐受介導TFs 成員的基因表達。OsSERF1 是OsMAPK5 的磷酸化靶點，導致OsSERF1 對其下游靶基因的轉錄活性增強。OsSERF1 不僅激活下游轉錄因子OsDREB2A和OsZFP179表達，還能增強自身以及激活上游靶標基因OsMAPK5和OsMAPK6表達［75］。MPK3 可將AT3（a C-terminal fragment of OXS2）磷酸化，磷酸化誘導的OXS2（oxidative stress 2）核定位對鹽脅迫反應有積極作用［76］。MYC2 是一個堿性螺旋-環-螺旋（basic helixloop-helix，bHLH）轉錄因子成員，鹽脅迫下AtMKK3-AtMAPK6 級聯磷酸化AtMYC2。通過酵母單雜交（yeast one hybrid，Y1H）和電泳遷移率轉移測定（electrophoretic mobility shift assay，EMSA）證實MYC2 與脯氨酸（proline，Pro）合成酶基因AtP5CS1（delta1-pyrroline-5-carboxylate synthase1）的5′-UTR 結合，抑制Pro 生物合成，從而調節鹽脅迫響應［77］。

AtMPK3/AtMPK6 是低溫信號通路中重要的蛋白激酶，它們與轉錄因子ICE1（inducer of CBF expression 1）相互作用并使其磷酸化，降低CBF（c-repeat-binding factor）表達誘導因子ICE1 的穩定性和轉錄活性，負向調控下游靶標基因CBFs和COR（cold-responsive）表達，從而影響植物對低溫的耐受能力［78］。在氧化脅迫下，ERF6 的Ser266 和Ser269 被AtMPK6 磷酸化后，結合ROS 響應基因啟動子中的順式作用元件ROSE7/GCC box，從而調控ROS 響應基因的轉錄［79］。過量表達棉花（Gossypium hirsutum）GhMPK4使轉基因擬南芥植株對干旱和鹽脅迫的耐受性減弱［80］。進一步研究發現，GhMAP3K15-GhMKK4-GhMPK6 磷酸化轉錄因子GhWRKY59，該轉錄因子調控GhDREB2表達，以ABA 非依賴型的方式響應干旱脅迫［81］。Chen 等［82］采用酵母雙雜交（yeast two hybrid，Y2H）技術研究證實，棉花中存在核和膜定位MAPK 級聯通路GhMAP3K62-GhMKK16-GhMPK32，其靶向并磷酸化核定位GhEDT1，以激活下游基因GhNCED3，介導ABA 誘導的氣孔關閉和干旱反應。另外，玉米ZmMPK6 磷酸化與ZmWRKY104 相互作用并被其磷酸化。利用液相色譜-串聯質譜法（liquid chromatographytandem mass spectrometry，LC-MS/MS）分析表明，Thr59 是ZmMPK6 對ZmWRKY104 的主要磷酸化位點。Thr59 的磷酸化對ZmWRK104 在ABA 誘導的抗氧化防御中起至關重要的作用，ZmWRKY104過量表達可顯著增強轉基因植株的抗旱性并減輕干旱誘導的氧化脅迫［83］。此外，過量表達小金蘋果（Malus xiaojinensis）MxMPK6-2可顯著增強轉基因蘋果愈傷組織對鐵（Fe）虧缺的耐受性［84］。進一步研究發現，MxbHLH104 可被MxMPK6-2 磷酸化，其磷酸化可增強蘋果愈傷組織在缺Fe 條件下對Fe 的吸收能力，ROS 存在也可促進這一過程的發生［84］。水稻WRKY45 的活性受泛素蛋白酶體系的調節，其活性通過MAPK 介導的磷酸化來調節［85］。這些結果表明，MAPK 與下游轉錄因子相互作用激活脅迫應答基因來響應逆境。

4 MAPK 級聯在植物響應逆境脅迫中的作用

4.1 MAPK 級聯參與鹽脅迫響應

鹽脅迫是制約作物生長和產量的主要非生物因素之一［86］。鹽分會對植物造成氧化應激，離子毒性和營養失衡等不利影響［87］。相應地，植物進化出各種機制來抵御鹽脅迫。大量研究表明，MAPK 及其級聯途徑參與植物響應鹽脅迫應答（圖2）。毛果楊PtMAPK3-1［25］、野生大麥（Hordeum spontaneum）HsMPK8/11［88］、黃瓜CsMAPK3/4/6/9［89］、馬鈴薯（Solanum tuberosum）StMAPK3［90］、山丹花（Lilium pumilum）LpMAPK［91］等信號通路均受鹽脅迫誘導。研究發現，高鹽環境反應至少由兩個MAPK 級聯信號傳遞。Verma 等［77］發現鹽脅迫下MKK3-MPK6-MYC2 級聯激活和調節途徑，其中MPK6 在MKK3 下游起作用，MKK3 和MYC2 均是鹽脅迫誘導的MPK6 活化所必需的。鹽脅迫激活擬南芥MKK5-MPK3/6-ARR1/10/12 信號模塊，以提高耐鹽性。用 LC-MS/MS 技術對體外MPK3/6 磷酸化的ARR1/10/12 His 重組蛋白進行分析，確定Thr553/Ser383/Ser323 分別是被MPK3/6 磷酸化的ARR1/10/12 的主要殘基［92］。Zhou 等［93］發現配體-受體對PAMP 誘導的分泌肽3（PAMPinduced secreted peptide 3，PIP3）和受體樣激酶7（receptor-like kinase 7，RLK7）在擬南芥植株耐鹽性中發揮重要作用。高鹽脅迫誘導prePIP3的表達，其編碼PIP3 肽配體的前體。PIP3 是植物耐鹽性的正調節因子，其功能依賴于RLK7。此外，RLK7 對PIP3 的感測導致MPK3 和MPK6 的激活。在prepip3 或rlk7突變體中，鹽誘導的MPK3/MPK6 激活減弱。因此，MPK3/MPK6 在PIP3-RLK7 配體-受體對下游的植物鹽脅迫反應信號傳導中發揮作用。在鹽脅迫處理下，擬南芥愈傷組織中的MKK9-MPK3/6 級聯替代呼吸中的作用［94］。OsMPK4 與IPA1（ideal plant architecture 1）相互作用，并在Thr180 磷酸化IPA1，使IPA1 降解，從而對鹽脅迫作出應答反應［95］。體外激酶活性測定和蛋白質互作發現，OsMAPKKK63 具有體外激酶活性，并且其激酶結構域可與OsMKK1 結合，表明OsMAPKKK63 位于水稻MKK1-MPK4 級聯反應上游，該級聯可通過調節鹽脅迫相關轉錄因子的表達，從而參與水稻的鹽信號［96］。對鹽脅迫下野生大麥的轉錄組數據分析表明，一個富集的MEKK1 模塊，如MEKK1-MKK2-MPK4/6、MEKK17/18-MKK3-MPK1/2/7/14 和-MKK3-MPK8 可有效調控植物對鹽脅迫的耐受性［88］。這些結果表明，MAPK 在作物耐鹽性抗逆遺傳改良中具有潛在的應用價值。

圖2 MAPK 級聯響應非生物脅迫Fig.2 MAPK cascade response to abiotic stress

4.2 MAPK 級聯參與干旱脅迫響應

干旱是制約植物生長和發育的另一個主要環境因素。長期的干旱脅迫會導致植物光合速率下降，CO2吸收減少，生物量及產量降低。近年來，MAPK 在植物抗旱性中的作用備受學術界關注。在干旱脅迫下，燕山葡萄（Vitis yeshanesis）VyMAPK3表達水平顯著增加［97］。花生（Arachis hypogaea）AhMAPK13［98］、玉米ZmMPK3、ZmMPK5和ZmSIMK1［99］受干旱脅迫的誘導。研究表明，植物通過MAPK 級聯響應干旱脅迫（圖2）。例如，棉花中存在一個典型的MAPK 級聯通路GhMAsP3K14-GhMKK11-GhMPK31，可對干旱脅迫作出響應［100］。在另外一個MAPK 級聯通路GhMAP3K62-GhMKK16-GhMPK32 中，其靶向并磷酸化核定位轉錄因子GhEDT1，以激活下游GhNCED3，介導干旱反應。過量表達GhMKK16可促進轉基因植株ABA 積累，并通過在干旱脅迫下調節氣孔關閉來增強耐旱性；而RNAi 則抑制ABA 積累，并降低了敲除植株的耐旱性［82］。在干旱條件下，過量表達GhMPK3使得轉基因擬南芥植株葉片相對含水量、離體葉片水分損失、葉綠素含量和離子泄漏等生理生化指標優于野生型植株［101］。在擬南芥中，通過MPK6-DCP1-DCP5 途徑脫帽的mRNA 活性來增強植物對干旱的耐受性［102］。MdMEK2-MdMPK6-MdWRKY17-MdSUFB 途徑在中度干旱脅迫下可穩定蘋果葉綠素水平［103］。過量表達OsMPK17則使水稻幼苗的失水率下降，耐旱性增強［104］。另外，過量表達馬鈴薯StMAPK11使轉基因植株超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、CAT、POD 活性和Pro 含量增加，H2O2和丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量降低，抗旱性顯著增強［105］。然而，并非所有的MAPK 正向調節植物對干旱的耐受性。在擬南芥中過量表達高粱（Sorghum bicolor）SbMPK14后，發現SbMPK14 通過抑制轉錄因子ERF 和WRKY 活性提高了轉基因植株對干旱的敏感性［106］。可見SbMPK14 在干旱脅迫反應中起負調節作用。MPKL（MAPK-Like）是一個含有MAPK 標記TxY 基序的激酶，在干旱條件下，過量表達玉米ZmMPKL1使轉基因植株表現出氣孔孔徑增加、水分損失和葉片萎蔫加重等情況［107］。這些結果表明，MAPK 級聯途徑在正向或負向調控植物響應干旱脅迫中發揮著重要作用。

4.3 MAPK 級聯參與極端溫度響應

4.3.1 對低溫脅迫的響應 低溫脅迫是限制植物生長和生產力的主要環境因素之一。大量研究表明，MAPK參與調控植物對低溫脅迫的響應（圖2）。在擬南芥中，MAPKKK 蛋白AtANP1 在低溫脅迫下啟動與AtMPK3 的磷酸化級聯［108］。Chen 等［109］采用STRING 數據庫對荷花（Nelumbo nucifera）中MAPK 級聯蛋白進行蛋白質相互作用網絡分析，預測NnMAPK 級聯NnMAP3K57-NnMKK5-NnMPK1/13 模塊與擬南芥MAPK 級聯模塊MEKK1-MKK2-MPK4 同源，與冷脅迫相關。可見MPK6 在介導MYB15 調控冷脅迫信號傳導中起重要作用。MKK4/5-MPK3/6 級聯組成型活性導致CBF表達量減少以及對低溫表現出超敏反應；另外，MKK4/5-MPK3/6磷酸化ICE1，而ICE1 的降解則負向調控低溫耐受性［110］。MEKK1-MEK2-MPK4/MPK6 級聯參與植物對低溫的響應，MKK2過表達使得MPK4 和MPK6 保持較高活性，以及使脅迫相關基因表達上調，從而增強植物對凍害脅迫的耐受性［111］。這些結果表明，MPK3、MPK4 和MPK6 蛋白協同調控植物對低溫脅迫的響應。

研究表明，水稻OsPP2C72 可以與OsMPK3 和OsbHLH2 相互作用，使OsMAPK3 和OsbHLH2 脫磷酸化，以防止OsMPK3-OsbHLH002-OsTPP1 模塊在冷應激下的積極作用［112］。MnMPK5 正調節香蕉（Musa nana）的冷脅迫耐受性，MnMPK5的表達對多種脅迫條件有響應。過表達MnMPK5的轉基因香蕉植株，在冷脅迫條件下Pro增加和MDA 降低，抗寒能力顯著增強［113］。棉花低溫脅迫響應聯級GhMEKK3/GhMEKK24/GhMEKK11-GhMAPKK16-GhMAPK10/GhMAPK11 也參與鹽和干旱脅迫響應［114］。AtMPK4 是參與緩解冷應激的H2S 重要下游組分。NaHS（H2S 供體）處理之后，AtMPK4 活性增加近10 倍［115］。H2S 通過過硫化修飾AtMPK4 和增加AtMPK4 活性直接減輕冷應激，這一過程也需要MPK4 參與調控冷響應基因的上調表達和抑制氣孔打開來完成。過量表達ZmMPK17使轉基因煙草發芽率提高、Pro 和可溶性糖含量增加，抗寒性顯著增強［17］。這些結果表明，不同物種在低溫脅迫反應中MAPK 信號通路和調節網絡之間存在一定的差異。

4.3.2 對高溫脅迫的響應 在高溫環境下，植物正常生理機能會受到影響，從而加速細胞成熟老化。在農業生產中，高溫會對作物產量造成重大損失。MAPK 信號通路除了參與低溫脅迫應答外，也調控高溫脅迫響應。在菊花（Chrysanthemum morifolium）中，葉片的CmMPK4.1、CmMPK6和CmMPK13表達受高溫脅迫快速誘導并顯著上調［116］。在熱脅迫下，StMAPK1、StMAPK2、StMAPK6和StMAPK19表達水平被誘導上調［117］。在萵苣中，大多數LsMAPKs對高溫脅迫有反應，特別是LsMAPK4表達水平顯著上調［11］。在熱脅迫下，LsMAPK4功能缺失突變體植株莖長顯著低于WT 植株，花芽分化時間相應延遲，抽薹速度變緩。可見LsMAPK4 在萵苣抽薹過程中起正向調節作用。在40 ℃高溫處理后，苦蕎（Fagopyrum tataricum）MAPK 家族成員FtMAPK1、FtMAPK5和FtMAPK8顯著上調，說明FtMAPK 級聯途徑積極參與高溫脅迫響應［118］（圖2）。進一步研究發現，當遭受高溫脅迫時，FtMAPKKK4-FtMAPKK1-FtMAPK6 途徑被激活，與MYB 結合以增加類黃酮合成，從而減輕逆境脅迫對植物造成的傷害。番茄SlMPK1沉默致使RNAi 植株對高溫的耐受性增強，而過表達該基因導致轉基因植株的耐受性降低，H2O2和MDA 積累量增加，抗氧化酶活性下降［119］。進一步采用酵母雙雜交篩選，鑒定了一種富含Ser-Pro 的蛋白質同源物SlSPRH1，通過雙分子熒光互補（bimolecular fluorescence complementation，BiFC）技術證實SlMPK1 可以直接磷酸化SlSPRH1，在高溫脅迫下激活的SlMPK1 靶標的關鍵磷酸化位點是SlSPRH1 的Ser44［119］。可見，SlMPK1 在番茄植物耐熱性中起負調節作用。在熱應激下，小麥TaMAPK 通過ROS 激活的信號傳感器調節熱應激反應［120］。這些結果表明，MAPK 在植物應答高溫脅迫中起重要作用。

4.4 MAPK 級聯參與重金屬脅迫響應

在自然界中，重金屬脅迫是對植物最具破壞性的環境因素之一。重金屬通過植物細胞中的靶向關鍵分子和重要過程產生毒性。MAPK 級聯通過磷酸化和去磷酸化將細胞膜表面受體感知的信號傳遞給細胞，并靶向各種效應蛋白或TFs，從而導致應激反應。大量研究表明，MAPK 參與重金屬（如Cu、Cd 等）響應。

銅（Cu）是參與植物許多生理過程的必需微量元素。在Cu2+處理下，擬南芥幼苗根中的AtMPK3在處理2 h時被顯著上調，而AtMPK6轉錄水平在處理6 h 時短暫升高［121］。然而，過量Cu2+對植物是有毒的，其可激活細胞內信號對細胞造成傷害。在玉米中，過多Cu2+使細胞內H2O2水平快速升高，從而導致ZmMPK3 以及抗氧化酶（SOD、CAT 和APX）活性顯著增加［122］。進一步研究發現，二甲基硫脲（dimethyl thiourea，DMTU）通過阻滯Cu2+-H2O2-ZmMPK3-抗氧化酶信號通路，可有效抑制Cu2+引起的H2O2水平和ZmMPK3 以及抗氧化酶活性的增加。

Cd 是一種非必需元素，具有很強的毒性，其被植物根部吸收并轉運至地上部，阻礙植物正常生長發育。為了抵御Cd 脅迫，植物進化出復雜的防御系統［123］。近年來，MAPK 參與調控不同植物Cd 脅迫響應的研究引起學術界關注。在玉米中，Cd 脅迫通過誘導ROS，從而激活ZmMPK3-1 和ZmMPK6-1［36］。在桑樹（Morus alba）中，MAPK 信號通路被激素（如ABA、JA 和ETH）激活，從而提高其對Cd 的耐受性［124］。在Cd 處理下，青蒿（Artemisia annua）AaMAPK3和AaMAPK10表達水平下調，而AaMAPK7、AaMAPK9和AaMAPK12表達水平上調［125］。在水稻中的研究發現，分別有7 個上調和3 個下調的MAPK 信號相關基因轉錄變化，同時Cd 會引起水稻根系生長抑制，這與OsMAPK 負向調節相關基因表達來抑制細胞周期有關［126-127］。在Cd2+脅迫下，構樹（Broussonetia papyrifera）根中的BpMAPK轉錄本在3 h 時下調，而在6 h 時上調［128］。另外，在煙草中過量表達湖北海棠（Malus hupehensis）MhMAPK4后發現，MhMAPK4 通過限制轉基因煙草根部對Cd2+的吸收來降低植物體內Cd2+積累，并通過調節液泡加工酶（vacuolar processing enzyme，VPE）活性來控制Cd2+引起的細胞程序化死亡［129］。在Cd 處理下，番茄SlMAPK3被顯著誘導，過量表達該基因則顯著提高轉基因植株種子發芽率和改善幼苗生長狀況，增加葉綠素含量、根系生物量和根系活性［130］。另外，在擬南芥中，Cd2+還能快速刺激AtMPK6 活性，減輕氧化應激反應，增強植物對Cd2+的耐受性［131］。此外，在鉻（Cr6+）處理下，水稻根系有1 個OsMAPK基因上調［132］；而在砷（As）處理下，過量表達OsMPK3和OsMPK16的細胞通過上調SOD、APX、谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase，GS）和醛氧化酶編碼基因的轉錄水平，增強對As 的應激反應［133］。這些結果表明，MAPK級聯參與重金屬激活的信號傳導。

5 展望

MAPK 級聯途徑在不同植物以及其生長發育的不同時期中對多種逆境都發揮了極其重要的作用。目前已有越來越多的MAPK 級聯途徑基因被發現和鑒定，且研究方向主要集中于響應環境信號的MAPK 級聯的鑒定及級聯途徑基因的分離和功能分析上。然而，逆境脅迫下MAPK 所介導的信號轉導通路及其精準調控機制研究得較少。因此，該領域未來研究可從以下3 個方面著手：1）深入探究MAPK 級聯途徑如何響應外界刺激，及其與其他信號（ETH、ABA 和JA 等）途徑的交互作用機制；2）挖掘和鑒定MAPK 作用于下游的靶標底物（其他蛋白激酶和TFs 等）及其磷酸化位點；3）深入解析MAPK 級聯調控逆境脅迫響應相關基因表達的作用機制。隨著基因工程技術（過量表達、RNAi、miRNA 和基因編輯）的發展，逆境脅迫下MAPK 所介導的信號轉導通路和作用機制將會被揭示，為農作物抗逆性育種提供理論依據。