全 文 ：生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN·综述与专论· 2009年第 1期
收稿日期：2008-06-23
基金项目：湖北省农业科技创新基金（2007-620-001-03）资助
作者简介：万丙良（1968-），男，农学博士，副研究员，主要从事水稻分子育种研究；Tel：027-87389224，E-mail：bingliangw@yahoo.com.cn
植物钙依赖的蛋白激酶（calcium-dependent pro
tein kinases，CDPKs）的全称是钙依赖而钙调素不依
赖的蛋白激酶（calcium-dependent / calmodulin-indep
endent protein kinase），广泛存在于植物中 ，并由多
基因编码，如拟南芥和水稻中分别具有 34 和 31 个
CDPKs 基因 [ 1 ，2]。 在植物细胞中 ，CDPKs 作为胞质
Ca2+受体广泛参与植物生长、 发育和逆境胁迫的分
子响应等生理代谢活动的 Ca2+信号转导。 近年来，
随着全球气候环境的恶化，高温、干旱及病虫害等
不良环境条件对农作物生产的影响越来越严重 ，
CDPKs 在植物抗逆反应中的功能研究逐渐成为生
物学家们研究热点之一。
1 CDPKs的基本结构和活性调控
尽管 CDPKs 基因在数量上具有丰富性，但 CD
PKs 蛋白在结构上具有保守性。 CDPKs 为单肽链，
从 N 端到 C 端存在 4 个功能区 （结构域 ），依次为
可变区、催化区、连接区和调控区。催化区具有典型
的 Ser/Thr 蛋白激酶的催化保守序列 。 连接区由
20~30 个氨基酸残基组成，紧靠催化区以拟底物的
方式与催化区结合起自抑制作用，所以该区又称自
抑制区。 调控区是 Ca2+结合区，有一段结构和功能
类似于钙调素（CaM）的氨基酸序列，一般有 4 个与
Ca2+结合的 EF 手性结构， 这是 CDPKs 对 Ca2+高度
亲和而不依赖于 CaM 的原因。
CDPKs 的激活严格依赖于自由 Ca2+的存在，而
不依赖于 CaM。 在以 Histone III-S 为底物的体外磷
酸化系统中 ，SwCDPK 使底物 Histone III-S 发生磷
酸化的激酶活性在 Ca2+存在条件下可以提高 80~
钙依赖的蛋白激酶与植物抗逆性
万丙良 查中萍 戚华雄
（湖北省农业科学院粮食作物研究所，武汉 430064）
摘 要： 植物钙依赖的蛋白激酶（Calcium-dependent protein kinases，CDPKs）是细胞 Ca2+信号的受体，同时具有
Ca2+受体蛋白和 Ser/Thr蛋白激酶的功能。 许多植物 CDPKs 基因受环境胁迫刺激发生表达水平的改变，这些基因在植物
逆境胁迫的 Ca2+信号转导中起着十分重要的作用，为植物 CDPKs抗逆功能的研究和植物的抗逆遗传改良提供了理论基
础和基因资源。
关键词： 钙依赖的蛋白激酶 环境胁迫 Ca2+信号转导 抗逆性
Calcium-dependent Protein Kinases（CDPKs） and Plant Tolerance
to Environmental Stresses
Wan Bingliang Zha Zhongping Qi Huaxiong
（Food Crops Resarch Insititute，Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064）
Abstract： Plant calcium-dependent protein kinases （CDPKs） are unique receptor proteins of cytoplasm Ca2+，and
also feature sort of functions as the Ser/Thr kinases. These CDPKs play key roles in Ca2+ signal transduction which
involves in responses of plant cells to environmental stresses. The research of CDPKs’ function could illuminate the
molecular mechanism of plant tolerance to environmental stresses and supply stress-tolerance genes for crop genetic
improvement.
Key words： Calcium-dependent protein kinses（CDPKs） Environmental stresses Ca2+ signal transduction
Tolerance to environmental stresses
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 1期
100 倍。 当系统中加入 Ca2+螯合剂 W-7 或 W-5 后，
随着螯合剂浓度的增加，自由 Ca2+浓度减小，SwCD-
PK的激酶活性也随之降低；而 Ca M对 SwCDPK的激
酶活性没有影响 [3]。
CDPKs 依赖自由 Ca2+，而不依赖 CaM 的活性特
点是由其结构特征决定的。 拟南芥 CDPKs 同系物
AK1 在 Ca2+存在时 ，CDPKs 激酶活性可以提高 127
倍。 当调控区的 CaM 结构域缺失时，Ca2+对缺失突
变体失去激活作用，突变体只表现出很低的本底活
性；而当进一步缺失连接区时，缺失突变体表现出
组成性激酶活性。 这表明连接区起着自抑制的作
用 ，CaM 结构域对 CDPKs 酶活性的激活是不可少
的 [4]。 CDPKs 的 CaM 结构域的 EF 手性结构均含有
2 个球形 Ca2+结合结构（N-lobe 和 C-lobe）。 在胞质
Ca2+浓度很低的情况下，Ca2+只能结合到 C-lobe，尽
管此时 C-lobe 与连接区作用，但仍不能解除连接区
对催化区的抑制状态 。 随着 Ca2＋浓度增加， 当 N-
lobe 里的弱结合点充满 Ca2＋时，CaM 结构域发生构
型改变，导致连接区从催化区释放出来，使激酶活
性增强 [5]。植物细胞在正常条件下，胞质中自由 Ca2+
浓度很低 ，CDPKs 调控区不能完全与 Ca2+结合 ，也
就不能完全解除连接区对激酶区的抑制 ， 因此
CDPKs 的本底活性很低 。 但当植物受到胁迫刺激
后 ，细胞内大量 Ca2+由储藏处 （液泡 、质体等 ）向胞
质流动，Ca2+与 CDPKs 调控区结合，引起构型变化，
使激酶区从与自抑制区的结合中释放出来，激酶活
性被激活。
2 CDPKs基因在环境胁迫下的表达调控
基因的表达是基因行使其功能的基础 。 许多
CDPKs 基因受不同环境胁迫信号的刺激发生表达
水平的改变，这些环境胁迫包括干旱、高盐、低温、
机械伤害和光等非生物胁迫，病、虫害等生物胁迫
以及植物激素等。 Ray 等 [2]研究发现，在低温、干旱、
盐胁迫条件下 ，31 个水稻 CDPKs 基因中有 6 个基
因受胁迫诱导表达量上升，1 个基因受胁迫刺激表
达量下降 [2]。Wan 等 [6]对 11 个水稻 CDPKs 基因在干
旱、低温、高盐和稻瘟病菌浸染等胁迫和激发子处
理条件下的转录表达分析表明，每个基因至少受 2
种胁迫诱导而产生 2 倍以上水平的表达变化 [6]。 水
稻 OsCDPK7 基因在正常环境条件下转录水平很
低， 在 10 d 龄的水稻小苗中检测不到 mRNA 的积
累 ， 但当经过低温或盐胁迫处理 8~24 h 后 ，Os-
CDPK7 基因 mRNA 表达量大量增加 [7]。 OsCDPK13
基因受低温诱导表达上升，并且在耐低温品种中的
表达量高于在低温敏感品种中的表达量 [8]。 苜蓿 C
DPKs MsCK1 和 MsCK2 基因的转录都受低温调控，
MsCK1 基因受诱导表达量上升， 而 MsCK2 基因却
呈下降表达 [9]。 蚕豆 CDPKs VfCPK1 基因受干旱和
ABA 诱导 mRNA 和蛋白水平增加 [10]。
机械伤害也会诱导 CDPKs 基因的表达。 当番
茄叶片受到伤害后，在受伤部位和受伤部位叶远端
的其它叶片中均检测到 LeCDPK1 基因 mRNA 的积
累，但远端叶片 mRNA 水平的增加在时间上要迟于
受伤害部位 [11]。 这种表现类似于植物抗病反应中的
系统性获得抗性。同样受机械伤害诱导的还有玉米
ZmCDPK11 基因 [12]。
CDPKs 基因的表达不仅受非生物胁迫诱导，而
且也受生物胁迫诱导。植物与病原菌间的互作是产
生在基因对基因互作基础之上的。 番茄 Cf-9 抗性
基因对 Avr-9 基因特异小种具有抗性作用 。 在转
Cf-9 基因烟草中 ，NtCDPK2 和 NtCDPK3 基因均受
Avr-9 特异激发子诱导表达量上升 [13]。 在水稻中，C
DPKs OsCPK20 基因受激发子诱导转录水平上升达
30倍，OsCPK2基因受稻瘟病菌侵染诱导表达上升 13
倍 [6]。 此外受病原菌和激发子诱导的还有 LeCDPK1、
ZmCDPK10、OsCPK9等 CDPKs基因 [11，14，15]。
在植物光反应中也涉及到了 CDPKs 的作用 。
水稻 OsCDPK2 基因的表达与光密切相关。 在光照
条件下的绿色叶片中几乎检测不到 OsCDPK2 蛋白
质的存在， 但当植物转入黑暗中后，OsCDPK2 基因
mRNA 和蛋白质的水平急剧增加。 由此可以推测，
光对 OsCDPK2 基因的表达是一个抑制性条件 [16]。
植物激素 ABA、GA、JA 等本身是细胞信号分
子， 对植物施用外源激素同样影响植物 CDPKs 基
因的表达。水稻 OsCDPK13 基因受 GA3 诱导转录水
平上升，受 ABA 刺激表达量下降 [8]；马铃薯 StCDPK2
基因受 JA 诱导表达量下降 [17]；在葡萄果实发育过
程中 CDPKs ACPK1 基因的表达和酶活性随着内源
ABA 浓度的变化而相应变化，外源 ABA 能够在 15
min 内迅速诱导 ACPK1 基因的积累 [18]。
8
2009年第 1期
3 CDPKs在植物胁迫信号转导中的作用
CDPKs 作为胞质 Ca2+受体蛋白激酶，在植物细
胞 Ca2+信号转导中起着十分重要的作用。 干旱、低
温、高盐 、病和虫等环境胁迫均能刺激植物细胞内
产生 Ca2+信号，CDPKs 识别、接收 Ca2+信号后，通过
磷酸化级联形式将信号传递给下游胁迫响应基因，
调控这些基因的表达和产物活性，以减轻或避免胁
迫对植物造成伤害。
在水稻中，OsCDPK7 基因超表达使转基因水稻
对低温 、干旱和盐胁迫的耐性增强，并且胁迫耐性
的程度与 OsCDPK7 基因的表达水平密切相关，Os-
CDPK7 基因表达量越高转基因水稻对胁迫的耐性
就越强。同时，OsCDPK7 基因的超表达增强了 salT、
rab16A 等胁迫响应基因在盐胁迫条件下的诱导。这
表明 OsCDPK7 基因可能就是调控 salT、rab16A 等
下游胁迫响应基因来参与水稻对盐胁迫的耐性反
应。 但在低温胁迫下不能诱导这些基因的表达。 这
些结果表明 OsCDPK7 基因同时参与了水稻低温和
盐胁迫反应的信号转导，但水稻对低温胁迫与盐胁
迫的响应是两条不同的信号途径 [7]。 在拟南芥中，
CDPKs AtCPK23 基因参与对干旱和盐胁迫响应的
信号调控，同野生型相比，AtCPK23 基因 T-DNA 插
入突变体对干旱和盐胁迫的耐性明显增强 ，而
AtCPK23 超表达转基因植株对干旱和盐胁迫更敏
感。与突变体和 AtCPK23 基因超表达转基因植株对
干旱和盐胁迫的耐性改变相一致，突变体的气孔变
小 ，AtCPK23 基因超表达转基因植株的气孔增大 。
AtCPK23 基因可能通过某种机制调控气孔的开闭
对干旱和盐胁迫作出响应 [19]。
ABA 信号系统与植物的抗逆反应密切相关 ，
CDPKs 在 ABA 信号转导中起着重要的作用。 拟南
芥 CDPKs CPK4 和 CPK11 基因受 ABA 刺激表达量
上升 ，CPK4 和 CPK11 功能丧失突变体在种子萌
发、植株生长和气孔运动等方面表现出 ABA 钝感，
并且在幼苗期对盐胁迫的耐性降低 ， 而 CPK4 和
CPK11 基因超表达转基因植株对 ABA 和盐胁迫的
反应正好与突变体相反。在突变体和表达转基因植
株中一些 ABA 响应基因的表达发生了改变。 在体
外系统中 CPK4 和 CPK11 均能磷酸化 ABA 响应的
转录因子 ABF1 和 ABF4， 表明 CPK4 和 CPK11 可
能通过调控这些转录因子而参与 ABA信号转导[20]。
气孔是植物与外界进行气体交换的孔道和控
制蒸腾的结构。 气孔周围环绕的保卫细胞对光、干
旱、 病原菌侵染、CO2 和 ABA 等环境信号刺激均能
作出反应。保卫细胞通过质膜和液泡膜上的离子通
道和质子泵控制胞质中的离子浓度以调节细胞膨
压，从而调控气孔的关闭。 CDPKs 参与了保卫细胞
离子通道的调控。 在体外系统中，一种蚕豆 CDPKs
能够磷酸化在保卫细胞中表达的 K+通道 KAT1 蛋
白 [21]；重组拟南芥 CDPKs 能够激活液泡膜上的 Cl-
通道[22]；在非洲爪蟾卵母细胞中表达重组大豆 CDPKs
和 KAT1 能够改变 K+流的动力学特征和流量 [23]。 在
拟南芥保卫细胞中 ，CDPKs CPK3 和 CPK6 基因功
能丧失导致 S-型阴离子通道和 Ca2+通透性通道的
功能削弱，Ca2+作用的气孔关闭较野生型显著减少[24]。
在植物抗病基因 Cf-9 和无毒基因 Avr-9 的特
异性互作中 CDPKs 起着重要作用。 在转 Cf-9 基因
烟草中，NtCDPK2 基因受到 Cf-9/Avr-9 特异性防御
诱导时，其转录产物增加，并且叶片中相应地出现
过敏性坏死斑， 而 NtCDPK2 基因沉默会则导致烟
草对 Cf-9/Avr-9 特异性作用的过敏性反应降低和
延迟，过敏性枯死斑减少 [13]。Ludwig[25]通过缺失连接
区和 C 端调控区构建了 NtCDPK2 基因的显性组成
性表达载体并转化烟草获得转基因植株，转基因植
株叶片在受到胁迫刺激后能产生胁迫响应，包括活
性氧类的合成， 防御基因的诱导和 SGT1 依赖的细
胞死亡。 这些研究表明 NtCDPK2 基因在植物防御
反应的信号传递过程中起着重要作用。
活性氧类物质（active oxygen species，AOS）与植
物病原防卫反应有关，调节氧爆发的一个重要酶是
质膜 NADPH 氧化酶 。 在番茄中异位表达拟南芥
CDPKs（Akl-6H）能够提高 NADPH 氧化酶活性，并能
诱导番茄原生质体中 AOS的产生[26]。 马铃薯 NADPH
氧化酶 St RBOHB 存在 2 个磷酸化位点 Ser-82 和
Ser-97， 这两个位点能被马铃薯 St CDPK4 和 St
CDPK5 以钙依赖的方式磷酸化。 烟草中异位表达
St CDPK5 组成性活性突变体 St CDPK5VK 能够激
发转基因烟草叶片产生 AOS。 当敲除转 St CDPK5VK
基因烟草中的 NADPH 氧化酶 NbRBOHB 基因后 ，
叶片中不再产生 AOS，但当野生型 St RBOHB 在丧
万丙良等：钙依赖的蛋白激酶与植物抗逆性 9
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2009年第 1期
失产生 AOS 功能的烟草中表达后， 叶片又恢复产
生 AOS。 而 Ser-82和 Ser-97发生突变后的 St RBOHB
没有这种恢复功能。 这些结果表明，St CDPK5 通过
诱导 St RBOHB 的磷酸化调控 AOS 的产生 [27]。
4 CDPKs 在植物抗逆遗传改良中的前景展
望
近年来，干旱、高温等不良气候环境和病、虫害
等对农作物的不利影响日益频繁，培育抗逆性强的
农作物新品种是保证农作物高产 、 稳产的有效途
径。 对植物 CDPKs 抗逆功能的研究，一方面有利于
了解植物的抗逆分子机理，为植物抗逆遗传改良提
供理论基础； 另一方面大量抗逆 CDPKs 基因的发
现为改良植物的抗逆性提供了基因资源。在 CDPKs
介导的 Ca2+信号转导途径中 ，CDPKs 处于中心环
节，上游为 Ca2+信号 ，下游为转录因子 、代谢酶类 、
离子通道蛋白、细胞骨架蛋白和抗菌蛋白等与生长
发育以及抗逆反应有关的蛋白，最终调节植物的生
长发育和胁迫反应。 一个 CDPK 可以同时调控一系
列相关基因的表达， 改变一个甚至多个代谢途径。
因此， 利用 CDPKs 的基因工程技术改良植物抗逆
性具有其它下游单一功能基因所不具有的高效性
和有效性。 另外，CDPKs 的活性不仅受自身表达水
平的控制 ， 而且还受胞质 Ca2+信号的控制 ， 因此
CDPKs 的基因工程技术的负面效应相对较小，即使
CDPKs 基因在植物中高水平表达，如果没有能够识
别、接受的 Ca2+信号，其活性仍处于抑制状态。
迄今为止，已鉴定出大量参与植物抗逆反应的
CDPKs 基因，为农作物的抗逆遗传改良提供了丰富
的基因资源，随着对其功能研究的不断深入 ，它们
介导的抗逆信号途径会越来越明确，其基因工程技
术在植物抗逆遗传改良中的应用也将逐渐成熟、广
泛。
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