全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2013, 48 (4): 447–460, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2013.00447
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收稿日期: 2012-12-07; 接受日期: 2013-02-04
基金项目: 国家自然科学基金(No.31170204)、广东省自然科学基金(No.S2011020002167)和羊城学者项目(No.12A001G)
∗ 通讯作者。E-mail: changentian@yahoo.com.cn
植物具IQ基序的钙调素结合蛋白的研究进展
田长恩*, 周玉萍
广州大学生命科学学院植物抗逆基因功能研究广州市重点实验室, 广州 510006
摘要 钙调素作为细胞内主要的Ca2+传感蛋白, 通过与不同的钙调素结合蛋白的结合传递钙信号, 调控细胞生理和生长发
育过程。IQ基序(IQxxxRGxxxR, Pfam 00612)是少数几个钙调素与钙调素结合蛋白结合的结构域之一。植物具IQ基序的钙
调素结合蛋白包括IQM、IQD、CAMTA、CNGC和myosin 5个家族及少数其它蛋白。该文综述了植物具IQ基序的钙调素结
合蛋白的类型、结构特点和功能等方面的研究进展, 并对今后的研究进行了展望。
关键词 IQ基序, 钙调素结合蛋白, 钙调素, 植物, IQM, IQD, CAMTA, CNGC, myosin
田长恩, 周玉萍 (2013). 植物具IQ基序的钙调素结合蛋白的研究进展. 植物学报 48, 447─460.
作为一种重要的第二信使, Ca2+在植物细胞对体
内外刺激所产生的特定生理反应中起着重要作用
(Yang and Poovaiah, 2003)。各种刺激引起细胞内
Ca2+浓度的变化, 继而通过Ca2+传感蛋白及其靶蛋
白来调节多种生化和细胞反应。Ca2+传感蛋白主要包
括钙调素 (calmodulin, CaM) 、钙调素类似蛋白
(calmodulin-like protein, CML)、其它有EF-hand结构
的钙离子结合蛋白和钙离子依赖型蛋白激酶(Zhang
and Lu, 2003)以及无EF-hand结构的钙离子结合蛋
白(毛国红等, 2004)。
CaM广泛存在于真核细胞内, 是高度保守的、最
重要的一类钙离子受体, 通过其靶标——钙调素结合
蛋白(calmodulin-binding protein, CaMBP)来调节细
胞生理(Rhoads and Friedberg, 1997; Snedden and
Fromm, 1998; Reddy and Day, 2001)。晶体结构研
究表明, CaM的N端和C端为2个球形结构域, 中间通
过α螺旋相连, 每个球形区含有1对由EF-hand基序组
成的Ca2+结合域; 1个CaM分子可以与4个Ca2+结合。
Ca2+与CaM结合后形成Ca2+-CaM复合体, 使CaM的
构象发生变化, 暴露出球形区带负电荷的疏水性表
面, 并在CaM与靶蛋白互作中发挥作用(Bähler and
Rhoads, 2002)。将未与钙离子结合的CaM称为
ApoCaM, 能在低浓度或无Ca2+条件下, 通过与Ca2+
不依赖性CaMBPs结合而传递信号 (Jurado et al.,
1999; 韦慧彦等, 2007)。可见, 对CaMBP的鉴定和
分析有助于阐明CaM信号转导途径的特异性、复杂性
和多样性。
钙调素结合蛋白(CaMBP)是指能与CaM结合的
蛋白, 包括已确定活性直接受CaM调控的各种酶及
在体外或体内能和CaM结合的蛋白。在细胞或组织
中 , CaM的功能取决于其中CaMBP的存在状况。
CaMBP与CaM的结合可分为Ca2+依赖和Ca2+不依赖
2种类型(O’Day, 2003)。IQ基序是第1个被发现的最
主要的Ca2+不依赖型CaM结合域。完整IQ基序的氨基
酸序列为IQxxxRGxxxR, 通常第1位的I也可以是L、V
或M, 第6位和11位的R也可以是K或H, 第7位的G同
样缺乏保守性(Rhoads and Friedberg, 1997)。有关
动物(包括人类)含IQ基序的钙调素结合蛋白的研究已
取得不少成果(Bähler and Rhoads, 2002; 韦慧彦等,
2007), 且一直是细胞骨架调控(Briggs and Sacks,
2003)、肌球蛋白运动机理(Trybus, 2008)、肿瘤诱发
(White et al., 2009)以及免疫反应(Malarkannan et
al., 2012)等领域的研究热点。早在1993年, Knight和
Kendrick-Jones(1993) 就 在 拟 南 芥 (Arabidopsis
thaliana)中鉴定出含IQ基序的CaMBP。尽管对植物
含IQ基序蛋白的研究不如对动物的研究进展快, 但
近年来相关的研究报道逐年增多, 拓展了人们对于这
类蛋白在结构和功能上的认识。本文将主要论述该领
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域所取得的研究进展。
1 植物具IQ基序的钙调素结合蛋白的类型
植物含有IQ基序的蛋白质包括myosin家族、CAMTA
(calmodulin-binding transcription activator)家族、
CNGC(cyclic nucleotide-gated channel)家族、IQD
(IQ67-domain containing protein)家族、 IQM(IQ-
motif containing protein)家族以及其它含有IQ基序的
蛋白质(Zhou et al., 2010)。各家族成员在分子大小、
所含IQ基序的数量和分布以及其它重要结构域等方
面各不相同(图1)。在拟南芥中, myosin、CAMTA、
CNGC、 IQD和 IQM分别由17个 (Reddy and Day,
2001)、6个(Bouché et al., 2002)、20个(Talke et al.,
2003)、33个(Able et al., 2005)和6个(Zhou et al.,
2010)成员组成。
2 植物具IQ基序的钙调素结合蛋白的结
构特点和功能
2.1 IQM家族
拟南芥IQM家族包括IQM1─6共6个成员, 其N-端均
具有1段与豌豆重金属诱导蛋白6A(pea heavy-metal
induced protein 6A, PHMIP 6A)同源的序列, IQ基序
位于其中; 其C-端具有1个与核糖体失活蛋白——天
花 粉 素 (trichosantin) 同 源 的 片 段 (Zhou et al.,
2010)(图1)。实验数据(未发表资料)显示, 水稻(Oryza
sativa)有7个IQM家族成员。与上述结构特点相适应,
用重金属盐CdCl2和Pb(NO3)2处理拟南芥幼苗, 引起
该家族所有基因的表达上调(Zhou et al., 2010)。酵母
双杂交和双分子荧光互补实验显示, IQM1能在酵母
和植物细胞中与CaM5结合。钙调素覆盖实验证实,
IQM1与CaM5在体外结合不依赖于Ca2+。说明, IQM1
是1个不依赖于Ca2+的钙调素结合蛋白(Zhou et al.,
2007, 2012)。本实验室实验数据(未发表资料)显示,
IQM2与CaM5的结合性质与IQM1相同。
IQM家族成员在根、茎、叶(莲座叶和花序叶)、
花和果等器官以及光照、盐胁迫和渗透胁迫等不同外
界条件下的表达情况不尽相同, 提示各成员在植物不
同生长发育阶段和对不同环境的反应中可能起着不
同的作用(Zhou et al., 2010)。
与IQM1在气孔和根皮层表达较强的组织特异性
表达模式相一致, 其T-DNA插入突变体呈现出气孔
开度小和短根的表型, 且突变体气孔开度不受外因
(如光、暗、脱落酸等)诱导而变大或变小(Zhou et al.,
2010, 2012)。当转入野生型基因后, 突变表型恢复正
常(Zhou et al., 2012)。究其分子机理, 可能与突变体
保卫细胞具有较高的活性氧水平以及较强的活性氧
信号接受和转导基因表达有关, 而较高的活性氧水平
又可能与较强的活性氧生成酶基因的表达有关(Zhou
et al., 2012)。
IQM家族其它成员的功能未见详细报道。本研究
组进行过一些初步的工作(周玉萍等, 2009; 陈羽中
等, 2010; 王小兰等, 2011)。前期, 我们发现IQM2的
突变体表现出蓝光和白光下长下胚轴, 即蓝光不敏感
的表型(Zhou et al., 2010)。本实验室的后续研究结果
(未发表数据)显示, 该突变体是一个由IQM2突变体
和蓝光受体——隐花色素1(cryptochrome 1, CRY1)
突变体所组成的双突变体, 其蓝光不敏感表型源于
CRY1的突变。最近 , 本实验室的研究结果显示 ,
IQM2突变体成花推迟, IQM4是植物生长发育的正调
控因子。
2.2 IQD家族
Levy等(2004)首先报道了AtIQD1的结构和功能。在拟
南芥和水稻基因组中分别发现了33个和29个同源基
因(Abe et al., 2005), 是迄今在这2种模式植物中鉴
定出的最大的含IQ基序的家族。该家族均具有植物特
有的、由67个氨基酸残基组成的、被称为IQ67的结构
域(IQ67 domain)。该结构域包括3个IQ基序, 分别被
11个和15个氨基酸残基分隔, 每个IQ基序又分别与
依赖Ca2+的1-5-10和1-8-14基序依次重叠并顺序排
列, 且每个IQ基序的旁侧序列中还包含保守的疏水
和碱性氨基酸残基(Levy et al., 2004; Abel et al.,
2005)(图1)。
十分有趣的是, AtIQD1与CaM在体外的结合依
赖于Ca2+(Levy et al., 2004); 而AtIQD20与CaM在体
外的结合却不依赖于Ca2+(Abel et al., 2005)。韦慧彦
等(2008)发现AtIQD26的钙调素结合活性与AtIQD20
相同。说明不同的IQD与钙调素的结合存在着不同的
方式, 可能与IQ67中的IQ、1-5-10和1-8-14等的数量
和组成有关。
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图1 植物含IQ基序的蛋白质家族
PHMIP 6A: 豌豆重金属诱导蛋白6A; Trichosantin: 天花粉素; Motor domain: 马达结构域; Coiled-coil domain: 卷曲螺旋结构域;
CG-1 domain: GC结构域; TIG domain: 免疫球蛋白类转录因子结构域; ANK repeat: 锚蛋白重复序列; 6 x TM domain: 6个跨膜结
构域; CNBD: 环核苷酸结合域

Figure 1 The families of IQ-containing proteins in plants
PHMIP 6A: Pea heavy-metal induced protein 6A; Trichosantin; Motor domain; Coiled-coil domain; CG-1 domain; TIG domain:
Transcription factor immunoglobulin-like domain; ANK repeat: Ankyrin repeat; 6 x TM domain: 6 x transmembrane domain;
CNBD: Cyclic nucleotide binding domain


在IQD家族的功能方面, Levy等(2004)研究发现,
AtIQD1受机械刺激而表达增强; IQD1-GFP定位于细
胞核; AtIQD1的功能获得突变体和功能缺失突变体分
别表现出硫代葡萄糖甙(glucosinolate)含量上升和下
降的表型。进一步研究发现, IQD1的组织特异性表达
与硫代葡萄糖甙的积累水平和部位十分吻合。硫代葡
萄糖甙是一类植物次生代谢物, 参与植物对病、虫的
防御反应。基于此, 该研究小组进行了昆虫啃噬实验,
发现超表达IQD1能减少粉纹夜蛾(Trichoplusia ni)的
危害, 包括植物被啃噬的部分减少以及若虫体长和体
重下降等。因此, Abel等(2005)认为, IQD1作为正调
节因子, 在植物对生物胁迫的响应中, 将细胞间的钙
信号整合于精细调节的次生代谢物——硫代葡萄糖
甙的积累中。
此外, 韦慧彦等(2008)对AtIQM26的功能进行了
初步研究。用AtIQM26启动子驱动GUS转基因植株,
组织特异性表达分析表明, 该基因在根、茎、叶和花
等器官中均有表达, 尤其是在新生的组织中表达更
强。融合荧光蛋白定位显示, AtIQD26分布在细胞核
与质膜附近, 与钙调素空间分布相似, 预示着它们在
植物生长发育过程中可能共同发挥作用。
在 番 茄 (Solanum lycopersicum) 中 , Xiao 等
(2008)利用图位克隆法克隆了1个控制果实伸长的基
因, 并定名为SUN, 该基因编码的蛋白含有IQ67结
构域。他们发现, 由反转录转座子Rider的作用而引起
SUN基因所在的基因组序列重排, 进而导致该基因
的表达增强, 最终使果实停止伸长。以上研究结果说
明IQD家族蛋白在植物对环境的反应和自身的生长发
育中起着重要作用。
2.3 CAMTA家族
CAMTA是一类能与钙调素结合并具有转录激活作用
的蛋白。早在 2000年 , Yang和Poovaiah从烟草
(Nicotiana tabacum)幼苗中分离获得1个CaMBP, 因
其受乙烯诱导表达快速升高而被命名为ethylene
response 1(NtER1), 其实质是1个CAMTA蛋白。
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Bouché等(2002)发现了1个油菜CAMTA蛋白, 并揭
示拟南芥、果蝇(Drosophila melanogaster)和人类
(Homo sapiens)等多细胞生物中分别存在6、1和2个
CAMTA蛋白。由于发现AtCAMTAs具有对多种信号
分子的特点, Yang和Poovaiah(2002)又将它们称为
AtSRs(Arabidopsis thaliana signal-responsive
genes)。Choi等(2005)在水稻中鉴定出1个CAMTA蛋
白, 称之为OsCBT(Oryza sativa CaM-binding trans-
cription factor), 还发现了其它6个OsCBT的同源蛋
白。Yang等(2012)在番茄果实发育与成熟期又成功克
隆到7个SlSR/CAMTA基因。
在蛋白质水平, 所有CAMTA都具有结构相似的
特点, 从N-端到C-端分别有GC-1结构域、TIG结构
域、ANK重复序列和数量不等的IQ基序(Bouchè et
al., 2002; Choi et al., 2005; Finkler et al., 2007)(图
1)。CG-1结构域的名称源于西芹的部分cDNA, 其编
码序列专一性地与GCGC基序结合(da Costa e Silva,
1994)。进一步研究发现CG-1结构域是一种真核多细
胞生物特有的、由大约130个氨基酸残基组成的结构
域, 含有1个双向核定位信号(bipartite NSL), 引导蛋
白定位于细胞核(Bouchè et al., 2002; Yang and
Poovaiah, 2002)。TIG结构域存在于许多转录因子中,
能与DNA发生非专一性结合, 引发蛋白质的二聚化
(Müller et al., 1995; Bouché et al., 2002)。ANK重复
序列由大约30个氨基酸残基组成, 在大多数生物中
重复2次(Bouché et al., 2002), 在水稻中重复3次,
该区段介导蛋白-蛋白相互作用。
值得注意的是 , 作为转录激活因子 , 拟南芥
AtCAMTA1的转录激活区段位于GC-1和TIG之间 ;
且与钙调素的结合依赖于Ca2+(Bouchè et al., 2002;
Yang and Poovaiah, 2002)。该钙调素结合域由35个
氨基酸残基组成, 定位于IQ基序的C-端, 并不包括IQ
基序(Bouché et al., 2002)。番茄的CAMTA与此相似
(Yang et al., 2012)。在水稻的OsCBT中, 钙调素结合
域1(CaMBD1, 即IQ基序)在Ca2+缺乏时能与CaM结
合, 而Ca2+存在时不能与之结合; 另1个CaMBD2钙
调素结合域(VGIVEKAILRWRKKRKALRG)被发现在
Ca2+存在时与CaM结合, Ca2+缺乏时则不能结合。
Zegzouti等 (1999)报道 , 番茄ER66(即SlCAM-
TA1/SR1)受乙烯诱导表达 (Yang and Poovaiah,
2000; Reddy et al., 2000), 且在果实红熟期比绿熟
期表达水平高。前文已提及, NtER1/SR1本身就是在
分析乙烯反应机理时被克隆的, 它在乙烯处理时被快
速诱导而高水平表达, 并且在衰老的叶片和花瓣中强
烈表达(Yang and Poovaiah, 2000)。随后, 从拟南芥
中鉴定出 6 个 NtER1 类似蛋白基因 , 即 AtCAM-
TA/SR1─6, 这些基因的表达均能被激素(如乙烯和
脱落酸)、环境信号(如极端温度、紫外线、盐和伤害)
以及其它信号分子(如H2O2、茉莉酸甲酯和水杨酸)快
速、差异性地诱导(Yang and Poovaiah, 2002)。说明
CAMTA蛋白在植物对内外刺激的反应中起着重要
作用。
Mitsuda等(2003)发现, AtCAMTA5定位于细胞
核, 能专一性地结合到AVP1(Arabidopsis VPPase:
Arabidopsis vacuolar H+-translocating inorganic
pyrophosphatase, 拟南芥液泡H+转位焦磷酸酶)基
因启动子的1个38 bp的花粉特异顺式作用元件上,
并激活后者的表达, 表明AVP1涉及花粉发育。AVP1
和AtCAMTA1在花粉中表达, 尤其是后者只在花粉中
表达。与AtCAMTA5一样 , AtCAMTA1也能够激活
AVP1的转录, 这种激活作用依赖于38 bp花粉特异
顺式作用元件中GC-1序列的存在。说明AtCAMTA1
和AtCAMTA5在花粉发育中起转录激活作用。
水稻的1个CAMTA蛋白——OsCBT能激活转录,
但这种激活作用受到CaM结合的抑制, 说明OsCBT
是一个受CaM调控的转录激活因子 (Choi et al.,
2005)。其确切的生物学功能还有待于通过突变体分
析来验证。
AtCAMTA3的 T-DNA插入突变体 camta3-1和
camta3-2均表现出生长缓慢、植株矮小、莲座叶黄萎
的表型。基因芯片分析结果显示, 突变体中有6个基
因表达下调, 但有99个基因表达上调。值得注意的是,
上调基因中有 32个基因与植物抗病性有关 , 如
WRKY33、PR1和几丁质酶基因等。感染实验表明,
camta3-1和camta3-2对细菌 (Pseudomonas syrin-
gae pv. tomato (DC3000))和真菌(Botrytis cinerea)
的抗性比野生型强。与此一致, 突变体H2O2的含量比
野生型高。可见, AtCAMTA3参与调控植物的防卫反
应 (Galon et al., 2008)。Du等 (2009)研究发现 ,
AtSR1/CAMTA3的突变导致水杨酸 (salicylic acid,
SA)含量增加, 继而增强植物的抗病性。SA能够下调
ACC合成酶基因的表达进而影响乙烯的生物合成
田长恩等: 植物具 IQ 基序的钙调素结合蛋白的研究进展 451
(Lee et al., 2009)。Doherty等(2009)发现AtSR1/CAM-
TA3和AtSR2/CAMTA1在植物耐低温中起着重要作
用。突变体camta1中冷诱导的CBF1、CBF2、ZAT12
和GOLS3的表达水平远低于野生型; 双突变体cam-
ta1 camta3 对低温的耐受性显著低于野生型。
SR/CAMTAs作用的靶序列为CGCG, 是主要的
Ca2+(Kaplan et al., 2006)和快速伤害反应的顺式作
用元件(Walley et al., 2007)。因此, SR/CAMTAs可能
是乙烯、Ca2+、SA、伤害和冷信号转导的关键连接
点, 而这些信号又对果实成熟和质量产生重大影响。
据此, Yang等(2012)从成熟番茄果实中克隆和鉴定了
7个SR/CAMTA蛋白的编码基因, 并发现这些基因的
表达主要受乙烯和发育信号的调控。尤为重要的是,
他们发现SlSR/CAMTA的表达受到RIN(ripening in-
hibitor, 编码1个SEPALLATA的MADS-box蛋白)基
因突变的影响, 说明这些基因在RIN的下游活动, 是
果实发育和成熟与乙烯、Ca2+等信号的关键连接分
子。当然, SlSR/CAMTA的确切生物学功能有待用突
变体进行表征验证。
2.4 CNGC家族
植物CNGCs首先在大麦(Hordeum vulgare)中被鉴定
(Schuurink et al., 1998)。Köhler等(1999)从拟南芥中
克隆了AtCNGC1─6。Arazi等(1999, 2000)在烟草中
克隆了NtCBP4和NtCBP7。在拟南芥和水稻中分别有
20和28个CNGC基因(Mäser et al., 2001; Zelman et
al., 2012)。另外, 在菜豆(Phaseolus vulgaris)、卷柏
(Selaginella moellendorffii)等植物中也存在许多
CNGC(Talke et al., 2003; Zelman et al., 2012)。
从结构来看, 植物CNGCs蛋白与Shaker类K+通
道具有高度的序列相似性 , 包括6个跨膜结构域
(S1─S6), 在S5和S6之间是由20─30个氨基酸残基
组成的离子传导孔区, 即P结构域(pore loop), 也称P
环, 其C端存在1个钙调素结合(CaMBD)和环核苷酸
结合(CNBD)重叠的结构域。P环是CNGCs通道的离
子选择过滤器(Demidchik et al., 2002)。与Shaker类
K+通道不同, CNGC的P结构域没有K+高度选择性基
序(Flynn and Zagotta, 2003)。Köhler等(1999)根据序
列推测CaMBD与CNBD重叠, 能与环核苷酸和钙调
素结合。实验证明AtCNGC1的C端的CaMBD由14个
氨基酸残基(F602─Y617)组成, 推测定位于CNBD的
最后1个α螺旋内。当CNGCs与环核苷酸结合后, 激
活打开通道, 胞外Ca2+内流, 胞内Ca2+增多, 并激活
Ca2+依赖蛋白激酶(calcium-dependent protein kin-
ases, CDPKs), 引起下游靶蛋白的磷酸化。受Ca2+
激活的CaM与CNGCs结合, 阻止CNGCs与环核苷酸
结合 , 抑制通道活性 , 减少Ca2+内流 (Köhler and
Neuhaus, 2000)。因此, CNGC被认为是连接环核苷
酸与Ca2+信号转导之间的纽带。
植物CNGC作为质膜上的非选择性配体阳离子
门控通道, 是细胞信号转导级联反应系统的组分, 通
过级联反应, 将胞外信号转变为跨膜的阳离子流而起
作用(Flynn and Zagotta, 2003)。植物CNGC家族成
员数量多, 其生物学功能主要体现在3个方面。
其一, CNGC家族成员参与植物细胞的离子转
运。迄今, 所有已验证功能的拟南芥CNGCs都被证明
能转运K+, 其中, CNGC1、2、11、12和18还能转运
Ca2+(Leng et al., 1999; Ali et al., 2005; Frietsch et
al., 2007; Urquhart et al., 2007)。并且, CNGC1、2、
3、11、12和18均定位在细胞质膜上, 提示它们能从
质外体向胞内运送阳离子(Mercier et al., 2004; Ma
et al., 2006; Gobert et al., 2006; Frietsch et al.,
2007; Urquhart et al., 2007)。这些数据证明拟南芥
CNGC在吸收K+和Ca2+以及维持细胞内的平衡中发
挥重要作用。Sunkar等(2000)的研究表明, 当进行
Pb2+处理时, NtCBP4(1个烟草CNGC基因)的超表达
植株比野生型植株能积累更多Pb2+, 并产生Pb2+过敏
反应。而删除C-端的NtCBP4ΔC(包括CaMBD和部分
CNBD结合域), 突变体植株则比野生型积累较少的
Pb2+, 因而表现出很强的耐Pb2+性, 说明NtCBP4参
与Pb2+的运输。
其二, CNGC家族成员参与植物对病原体的防御
应答。既然离子流的改变是植物识别病原微生物和激
活防卫反应的一个早期事件, 由此认为CNGCs因涉
及此类离子流的改变而参与植物的防御应答(Moeder
et al., 2011)。AtCNGC2的突变植株cngc2-1/dnd1在
病原体侵染时产生组成性激活的防卫反应, 如升高水
杨酸水平、组成性病程反应基因表达和增强对致病菌
的抗性等(Genger et al., 2008), 但不产生超敏反应
(hypersensitive response, HR)且不致死, 因此被称
为dnd1(defence no death)。AtCNGC4的T-DNA插入
突 变 体 hlm1(hypersensitive-response-like lesion
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mimic 1)也具有相似的表型, 故被称为dnd2(Balague
et al., 2003)。不过, dnd1表现出完整的基因对基因的
病原体抗性, 而hlm1/dnd2只表现出对某些病原体的
抗性(Talke et al., 2003)。
有趣的是, cpr22(constitutive expresser of PR
gene 22)是由CNGC11的前半部分和CNGC12的后
半部分嵌合而成的CNGC功能获得突变体, 组成性地
表达病程反应基因 22(PR gene 22), 呈现出与
cngc2-1/dnd1和cngc4/dnd2相似的表型。与上述发现
一致, 敲除AtCNGC11和AtCNGC12可降低植物对卵
菌病原灰霉病(Hyaloperonospora arabidopsidis)和
假单胞杆菌(Pseudomonas syringae)无毒株系的抵
抗能力, 但不改变致病株系的感染力。表明这2个通
道在植物对病原体的防御中起着专一性作用
(Yoshioka et al., 2001, 2006; Moeder et al., 2011)。
当用触发水杨酸积累的方法处理时, cpr22中的
AtCNGC19和AtCNGC20的表达水平显著增强(Mosher
et al., 2010); 与AtCNGC11和CNGC12功能缺失突
变体相似, AtCNGC19和AtCNGC20的T-DNA插入突
变体对无毒株系的抵抗力降低(Urquhart et al., 2011)。
其三, CNGC家族成员参与植物的生长发育和对
胁迫的反应。在Ca2+胁迫条件下, AtCNGC2突变植株
的成体较矮, 且育性降低(Chan et al., 2003, 2008;
Chaiwongsar et al., 2009)。同时, AtCNGC2敲除突
变体cngc2-1和cngc2-2都表现对Ca2+敏感性增强的
表型; 且cngc2-2的表达谱与高Ca2+条件下生长的野
生型的表达谱相似度高。这表明cngc2对Ca2+的感知
异常(Chan et al., 2008)。小立碗藓(Physcomitrella
patens)的PaCNGCb与拟南芥AtCNGC2直接同源 ,
破坏PaCNGCb和AtCNGC2导致植物在中等热度初
处理条件下发生超热敏反应、热休克反应和获得性耐
热性, PaCNGCb的功能缺失突变体还显示出超热敏
Ca2+内流以及改变的Ca2+信号转导。说明PaCNGCb
与AtCNGC2是陆地植物的主要热传感器(Finka et
al., 2012)。另外, 还发现AtCNGC2参与植物的衰老
调控(Ma et al., 2010)。
拟南芥CNGC1敲除突变体cngc1幼苗的根生长
对Ca2+胁迫不敏感, 且在高Ca2+条件下具有较低的
内源Ca2+水平, 提示在植物发育期间, CNGC1在维
持适当的Ca2+稳态中起着重要作用(Ma et al., 2006)。
另外还发现, cngc1和AtCNGC10反义株系的向地性
生长减弱, 说明AtCNGC1和AtCNGC10在根的重力
反应中扮演重要角色(Ma et al., 2006; Borsics et al.,
2007)。在K+通道突变体akt1-1中超表达AtCNGC10,
能提高低K+胁迫下akt1-1的生长速率。在低K+胁迫时,
转AtCNGC10的酵母却表现出很高的Na+和Cs+耐受
性(Li et al., 2005)。
拟南芥CNGC3缺失突变体cngc3在NaCl胁迫时
萌发率低于野生型; 而在KCl胁迫时与野生型差异不
大。其幼苗对两种胁迫均表现出一定程度的抗性
(Gobert et al., 2006)。
除了在植物免疫反应中起作用外, AtCNGC11和
AtCNGC12在植物生长发育和重力反应中起着正调
节因子的作用。其T-DNA插入突变体呈现出发育滞缓
和根向地性减弱的表型(Urquhart et al., 2011)。
AtCNGC18主要分布在伸长的花粉管尖端, 其功
能缺失突变体cngc18表现出花粉管短小而瘦弱、生长
无方向且爆裂过早的表型(Frietsch et al., 2007)。其
超表达突变体的花粉管短而粗, 胞外高浓度的Ca2+增
强其花粉管的去极化生长, 胞外低浓度Ca2+则抑制其
花粉管的去极化生长(Chang et al., 2008)。
当用75 mmol·L─1盐处理时, 尽管AtCNGC19和
AtCNGC20的T-DNA插入突变体在生长发育方面与
野生型相似, 但是它们的地上部表达却显著增强, 提
示这2个离子通道蛋白参与了植物对盐胁迫的反应
(Kugler et al., 2009)。
2.5 Myosin家族
有关动物(包括人类)含IQ基序的钙调素结合蛋白的研
究取得了不少成果 (韦慧彦等 , 2007), 主要涉及
myosin参与细胞骨架调控和肌球蛋白运动的机理。有
关植物含 IQ基序的钙调素结合蛋白研究最多的是
myosin。模式植物拟南芥和水稻分别有17个和14个
myosin家族成员(Reddy and Day, 2001; Jiang and
Ramachandran, 2004)。迄今为止, 在藻类的新月藻
(Chlamydomonas reinhardtii)(Hamada et al., 2006)
和轮藻(Chara corallina)(Kimura et al., 2003), 苔藓
类的小立碗藓(Vidali et al., 2010), 蕨类的铁线蕨
(Adiantum capillus-veneris) 和 乌 毛 蕨 (Blechnum
orientale)(Bezanilla et al., 2003), 裸子植物湿地松
(Pinus elliottii)(Chaffey and Barlow, 2002), 被子植
物向日葵(Helianthus annuus)(Vugrek and Moepps,
田长恩等: 植物具 IQ 基序的钙调素结合蛋白的研究进展 453
2002) 、 欧 洲 七 叶 树 (Aesculus hippocastanum)
(Chaffey and Barlow, 2002)、烟草(Holweg et al.,
2003)、玉米、新麦草(Psathyrostachys juncea)、大
麦(Hordeum vulgare)(Bezanilla et al., 2003)、火球
花(Haemanthus albixos)(Lenartowska and Michal-
ska, 2008) 和短柄草 (Brachypodium distachyon)
(Peremyslov et al., 2011)等植物中分别鉴定出相应
的myosin。
myosin在结构上较保守, 不同生物中所含该家
族成员不尽相同, 可分为37类(Foth et al., 2006)。在
植物中只鉴定出VIII和XI两类(Bezanilla et al., 2003;
Sparkes, 2011)。拟南芥和水稻的上述两类myosin,
分别为4个和13个以及2个和12个成员 (Jiang and
Ramachandran, 2004; Peremyslov et al., 2011)。植
物myosins具有2个位于N-端的被称为马达(motor)的
头部, 能与肌动蛋白(actin)和ATP结合。每个头部后
的颈部被称为杠杆臂(lever arm), 由多个IQ基序串联
而成, 在与轻链钙调素或钙调素类似蛋白结合后保持
稳定; 紧随其后的是1个被称为“杆”(rod)的卷曲螺
旋区(coiled coil regions), 由α-螺旋构成, 参与分子
间的二聚化; 还有2个C-端球状尾(C-terminal globu-
lar tail domain), 能与适配蛋白连接 , 后者连接
myosin与细胞器、RNA复合物或蛋白复合物在内的载
荷物(cargo)(Li and Nebenführ, 2007; Trybus, 2008;
Avisar et al., 2009)。myosins利用这些结构域, 将
ATP水解所产生的化学能转变为物理动能, 沿着肌动
蛋白载荷运动(Li and Nebenführ, 2008; Avisar et al.,
2012)。
如前所述, 在动物中, myosin主要参与细胞骨架
调控和肌球蛋白运动。在植物中, 有关myosin在细胞
水平的功能报道较多, 主要涉及胞质环流(Shimmen
and Yokota, 2004; Esseling-Ozdoba et al., 2008)、
胞间连丝功能(Baluška et al., 2001; Volkmann et al.,
2003)、细胞器运动(Nebenführ et al., 1999; Jedd
and Chua, 2002)、胞质分裂(Molchan et al., 2002;
Collings et al., 2003; Volkmann et al., 2003)、吞噬
作用(Volkmann et al., 2003; Baluska et al., 2004;
Samaj et al., 2004) 及目标 RNA 复合物的转运
(Hamada et al., 2003)等。
尽管如此, 有关各类myosin确切作用的报道十
分有限。免疫定位研究表明 , myosin XIs与百合
(Lilium longiflorum) 和 烟 草 花 粉 管 的 各 种 颗 粒
(Yokota et al., 1995)、与玉米根细胞的线粒体、质体
和低密度膜(Liu et al., 2001; Wang and Pesacreta,
2004)以及与烟草BY2细胞的内质网(Yokota et al.,
2008)相关联。专一性抗体实验表明, 拟南芥MYA2与
叶片表皮细胞和气孔保卫细胞的过氧化物体相关联
(Hashimoto et al., 2005)。重组荧光蛋白定位显示,
MYA1、MYA2、XI-K和XI-I定位于过氧化物体(Li and
Nebenführ, 2007; Reisen and Hanson, 2007),
MYA1还定位于高尔基体(Li and Nebenführ, 2007)。
进一步研究发现, XI-K和XI-E发生显性失活突变将导
致线粒体运动障碍(Avisar et al., 2008b; Sparkes et
al., 2008); XI-K和MYA2基因敲除突变体以及双突变
体xi-k/mya1、xi-k/mya2和mya2/xi-b都表现出细胞器
运动障碍的表型(Peremyslov et al., 2008; Prokh-
nevsky et al., 2008)。
尽管发现拟南芥myosin XI-K和XI-2(MYA2)均在
根毛生长中起作用(Ojangu et al., 2007; Peremyslov
et al., 2008), 但有关单个myosin在植物发育中确切
作用的资料非常有限。除MYA1的球状尾突变引起过
氧化物体运动下降外, 其它11个myosin XI的单基因
突变体在常规生长条件下却无表型(Peremyslov et
al., 2008)。因此, XI-K、MYA1和MYA2被认为是在细
胞运动中起作用的主要myosin(Peremyslov et al.,
2008; Prokhnevsky et al., 2008)。XI-C和XI-E在花粉
管中高水平表达, 二者可能是该器官但不是叶和根毛
的主要myosin(Peremyslov et al., 2008)。目前, 发现
水稻myosin XI-B与花粉管发育有关 (Jiang et al.,
2007)。最近研究显示, 6个拟南芥myosin XI(XIC、
XIE、XIK、XI-I、MYA1和MYA2)在线粒体和高尔基
体的运动中起主要作用(Avisar et al., 2012)。
对myosin VIII的研究报道较少。该类蛋白定位于
植物细胞的特有结构 —— 胞间连丝和细胞板
(Reichelt et al., 1999; Baluška et al., 2001)。进一步
发现myosin VIII定位于内质网, 涉及细胞吞噬作用。
其在不同根细胞中具有不同的功能, 可能涉及细胞吞
噬作用的不同步骤、内质网固定(ER tethering)和胞间
连丝活性等(Golomb et al., 2008; Sattarzadeh et al.,
2008)。另外, 还有研究显示, myosin VIII涉及甜菜黄
病毒Hsp70h蛋白到胞间连丝的定位(Avisar et al.,
2008a)。
454 植物学报 48(4) 2013
2.6 其它具IQ基序的钙调素结合蛋白
程序化细胞死亡在动植物的发育和防御反应中起着
非常重要的作用, 能从健康组织中剔除突变、染病或
损伤组织(Lord and Gunawardena, 2012)。拟南芥
AtBAG6蛋白由At2G46240编码, 含有1个BAG(BCL-
2-associated athanogene)结构域和1个IQ基序。在缺
乏游离Ca2+时, 重组的AtBAG6与CaM的亲和性比有
Ca2+时更强。在植物和酵母中, 高水平表达AtBAG6
基因, 能引起超敏反应样的程序化细胞死亡。若突变
IQ基序中的关键氨基酸残基或缺失BAG结构域, 便
不能导致程序化细胞死亡。用化学方法产生的氧自由
基能诱导程序化细胞死亡。表达AtBAG6的酵母展示
出更高的活性氧水平。在多种激素和胁迫处理中, 只
有水杨酸、高温和H2O2能诱导AtBAG6基因高水平的
表达。以上说明AtBAG6是一个受胁迫上调的、参与
程序化细胞死亡调控的CaMBP; 是已知功能的唯一
的具BAG结构域且通过IQ基序介导Ca2+和CaM信号
的蛋白(Kang et al., 2006)。
莱茵衣藻 (Chlamydomonas reinhardtii)的辐射
轮辐在Ca2+所启动的产生内外臂动力蛋白活性的内
鞭毛信号转导中必不可少, 但有关信号转导的机理还
不清楚。Patel-King等(2004)在莱茵衣藻鞭毛中发现
了1个新的核苷二磷酸激酶(nucleoside diphosphate
kinase, NDK), 称之为p61或RSP23。在缺失辐射轮
辐的突变体中未检出p61, 而在仅仅缺失轮辐头部的
突变体中能检出该蛋白, 说明该蛋白在辐射轮辐的形
成中必不可少。p61的N-端是具有核苷二磷酸激酶活
性的结构域, 其后是3次重复的IQ基序(IQ1、2和3),
C-端为高酸性氨基酸残基的区段。有趣的是, 在体外
IQ1与CaM的结合不依赖Ca2+, 而IQ2和IQ3与CaM
的结合却依赖Ca2+。在野生型的鞭毛轴丝中能检出2
种不同的NDK活性, 至少其中之一受Ca2+刺激。因此,
p61被认为是结合钙调素的辐射轮辐和Ca2+控制的
NDK活性的整合子(Patel-King et al., 2004)。
3 研究展望
揭示包括具IQ基序的蛋白在内的CaMBP的功能是阐
明CaM信号通路的特异性、复杂性和多样性的关键。
植物中存在5个主要的含IQ基序的CaMBP家族, 即
myosin、CAMTA、CNGC、IQD和IQM家族。各家族
在结构上均具有各自的特征, 在分子、细胞和整体水
平上的功能也各不相同, 部分家族内成员存在一定程
度的功能冗余, 部分家族内成员的生物学功能不尽相
同, 但都在植物对环境的反应以及自身的生长发育中
起着重要作用。因此, 开展此类蛋白功能的研究具有
重要意义, 并将拓展人们对此类蛋白不同水平上的功
能认识, 还将有助于理解Ca2+/CaM信号在植物细胞
生理以及生长发育中所起的作用。
然而, 有关的研究领域尚存在许多亟待解决的问
题。首先, 获得具IQ基序的蛋白介导CaM信号的确切
证据十分必要, 除了利用传统的体外检测方法(如免
疫共沉淀和蛋白免疫印迹杂交)和近年来开发的体内
检测方法(如酵母双杂交和双分子荧光互补)外, 还可
用IQ基序定点突变的载体互补相应突变体来判断具
IQ基序的蛋白是否介导了CaM信号。其次, 找出植物
体内与单个具IQ基序的蛋白结合的CaM, 便于阐明
CaM信号通路的特异性和具体功能。再次, 单子叶植
物具IQ基序蛋白的研究远远滞后于双子叶植物, 因
此, 以水稻为材料开展有关研究十分必要。最后, 在
拟南芥中, 应重点开展未知功能的含IQ基序的家族
成员的功能研究, 如IQD和IQM家族, CAMTA2、4和
6, CNGC5、6、7、8、9、13、14、15、16和17以
及myosin XI-A、B、D、F、G、H和J等。此外, 对已
知功能的含IQ基序的家族成员进行深入研究也非常
重要。
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460 植物学报 48(4) 2013
Research Progress in Plant IQ Motif-containing
Calmodulin-binding Proteins
Chang’en Tian*, Yuping Zhou
Guangzhou Key Laboratory for Functional Study on Stress-resistant Genes in Plants, School of Life Sciences, Guangzhou
University, Guangzhou 510006, China
Abstract As the primary intracellular calcium sensors, calmodulins regulate different cellular physiologic, growth and
development processes by binding to different calmodulin-binding proteins. The IQ motif, IQxxxRGxxxR (Pfam 00612), is
one of a few recognition motifs for calmodulins in calmodulin-binding proteins. As well as a few other proteins, 5 major
families, including IQM, IQD, CAMTA, CNGC and myosin family, have been found to possess the IQ motif(s) in plants.
Here, we review the research progress in plant IQ motif-containing calmodulin-binding proteins, including their type,
structural characteristics and function, and prospects for future study.
Key words IQ motif, calmodulin-binding protein, calmodulin, plant, IQM, IQD, CAMTA, CNGC, myosin
Tian CE, Zhou YP (2013). Research progress in plant IQ motif-containing calmodulin-binding proteins. Chin Bull Bot 48,
447–460.
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* Author for correspondence. E-mail: changentian@yahoo.com.cn
(责任编辑: 白羽红)