全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (8): 1195~1203　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0119 1195
收稿 2015-03-03　　修定 2015-07-22
资助 自然科学基金项目(31400264)。
* 通讯作者(E-mail: zhengyuan051@163.com)。
植物细胞器钙信号研究进展
郑远*, 陈兆进
南阳师范学院生命科学与技术学院, 河南南阳473061
摘要: 钙离子(Ca2+)作为细胞内重要的第二信使, 在植物生长发育以及外界信号响应方面具有重要作用。当植物受到外界
环境刺激时, 细胞质中Ca2+浓度出现特异性升高, 细胞通过这些钙信号将信息传递到下游, 从而产生正确的应答反应。目
前, 植物中的钙信号研究主要集中于Ca2+在细胞中的转运以及对钙信号的解码等方面。而越来越多的研究表明, 细胞器作
为细胞重要的Ca2+储存场所, 在钙信号产生过程中具有重要的作用。许多细胞器不仅自身存在特异的钙信号, 还能参与胞
质中钙信号的形成。本文就钙信号途径中植物细胞器功能的最新研究进展进行了综述。
关键词: 钙信号; 植物; 细胞器; 细胞壁
Organellar Calcium Signaling in Plants
ZHENG Yuan*, CHEN Zhao-Jin
School of Life Science & Technology, Nanyang Normal University, Nanyang, Henan 473061, China
Abstract: Plants have adopted the calcium ion (Ca2+) as a versatile second messenger in the regulation of plant
development and environmental responses. Cytoplasmic Ca2+ ([Ca2+]cyt) elevation induced by various signals is
responsible for appropriate downstream responses. So far in plants, most of the research on calcium signaling
has been focused on the transport mechanisms of Ca2+ as well as the components involved in decoding of calci-
um signals. Recently, increasing evidence suggests that organelles which serve as calcium stores in plants not
only undergo calcium regulation themselves, but also are able to influence the Ca2+ signaling in cytoplasm. This
review provides a brief overview of calcium regulation in different cellular compartments and emerging roles of
organelles in calcium signaling.
Key words: calcium signaling; plants; organelle; cell wall
Ca2+作为细胞中必不可少的离子, 不仅参与维
持细胞结构和细胞内离子平衡, 还可以作为第二
信使传递各种信号。研究发现, 冰冻、干旱、高
盐等非生物胁迫以及病毒、细菌等病原体的生物
胁迫都能够诱导植物细胞产生特异的钙信号。细
胞器作为胞内Ca2+的储存场所, 不仅能够在自身内
部形成特异的钙信号, 还可以通过Ca2+通道以及
Ca2+转运蛋白调节细胞质内Ca2+浓度的变化, 进而
参与调控细胞内的信号传递。目前已有很多证据
表明, 植物特有的细胞器液泡以及叶绿体在钙信号
的形成过程中具有重要作用。本文就钙信号途径
中植物细胞器功能的研究新进展做一综述。
1 钙信号的形成与解码
Ca2+在植物细胞的生理和生化过程中具有非
常重要的作用, 但高浓度的Ca2+可以与磷酸根离子
结合形成沉淀, 因此植物细胞中大部分的Ca2+都被
储存在细胞外以及细胞内的各种细胞器中(Ber-
ridge 2005)。在静息条件下, 细胞质中游离钙离子
浓度([Ca2+]cyt)维持在100~200 nmol·L
-1之间, 而细
胞外和某些细胞器内的储存的Ca2+浓度可以达到
胞质内Ca2+浓度的104~105倍。这种巨大的浓度差,
使[Ca2+]cyt能够发生迅速变化, 为Ca
2+作为第二信使
传递信号提供了可能(Kudla等2010)。目前, 在激
素、光、盐等非生物胁迫以及病原菌侵染等生物
胁迫信号途径中都报道了[Ca2+]cyt的变化。而对应
不同的外界环境刺激, 细胞可以产生各种在时间
及空间上存在差异的钙信号, 这些钙信号具有不
同的亚细胞定位、时间间隔、振幅和频率, 因此
被称为钙标签(Ca2+ signature) (Dodd等2010)。
植物细胞中的钙信号, 主要是由细胞壁以及
细胞器内储存的Ca2+, 通过细胞膜或细胞器膜上特
异的Ca2+通道、Ca2+泵以及Ca2+转运蛋白流入细胞
植物生理学报1196
质中产生的。目前在植物中发现的这些蛋白主要
包括定位在细胞膜的非特异性阳离子通道如环核
苷酸门控离子通道(cyclic nucleotide-gated ion
channels, CNGCs)、类谷氨酸受体(glutamate-like
receptors, GLRs)蛋白通道、高渗门控Ca2+通道(hy-
perosmolality-gated calcium-permeable channel)、
annexin转运蛋白以及定位在液泡膜的双孔通道
(two pore Ca2+ channels, TPC) (贾如等2014; Stein-
horst和Kudla 2013, 2014; Yuan等2014)。而钙信号
的解码则是通过各种Ca2+结合蛋白实现。在植物
中, Ca2+结合蛋白主要分为响应元件(sensor re-
sponder)和传感元件(sensor relay)两类蛋白。前者
通过与Ca2+的结合改变自身激酶活性或构象直接
调控下游, 主要包括钙依赖蛋白激酶(calcium de-
pendent protein kinase, CDPK); 后者与Ca2+结合后,
还必须与目标蛋白相互作用才能调控下游信号,
主要包括钙调素(CaM)和钙调磷酸酶B类似蛋白
(calcineurin B-like, CBL)。这些蛋白通过与Ca2+的
结合, 改变自身或目标蛋白的活性, 进而调控下游
目的基因的表达, 最终使细胞能够产生特异的信
号响应(沈金秋等2014; Batistic和Kudla 2012)。
2 钙信号的检测
对细胞内以及细胞外Ca2+浓度变化的实时监
测是研究钙信号的基础。目前主要通过水母发光
蛋白(aequorin)和YC3.6 (yellow cameleons 3.6)两种
Ca2+荧光蛋白探针来测定Ca2+浓度。水母发光蛋白
具有3个可与Ca2+结合的EF-hand结构域, 在与Ca2+
结合后, 其构象发生变化, 可催化腔肠荧光素(coe-
linterazine)发生氧化反应, 同时发射出波长为469
nm的蓝光。在整个反应过程中, 水母发光蛋白发
射的光子数与Ca2+浓度呈正相关, 通过检测荧光强
度可间接测定细胞内钙信号的变化(Mithofer和
Mazars 2002)。YC3.6是将绿色荧光蛋白(green flu-
orescent protein, GFP)和荧光共振能量转移(fluores-
cence resonance energy transfer, FRET)技术相结合
的Ca2+浓度指示蛋白。Cameleon分子呈哑铃形, 其
中心为可与Ca2+结合的CaM, CaM的一端连接荧光
供体青色荧光蛋白(cyan fluorescent protein, CFP),
另一端通过CaM结合蛋白M13连接荧光受体黄色
荧光蛋白(yellow fluorescent protein, YFP)。CaM在
结合Ca2+后发生构象变化, 其两端的YFP和CFP向
中问靠拢从而发生FRET。在用440 nmol·L-1的激
光激发时, 会出现CFP的青色荧光(480 nmol·L-1)减
弱而YFP的黄色荧光(530 nmol·L-1)增强的现象, 通
过检测YFP和CFP荧光强度的比值(R=FYFP/FCFP)同
样可以间接测定细胞内钙信号的变化(Horikawa等
2010)。
目前, 通过各种信号肽的引导, 水母发光蛋白
以及YC3.6已经可被特异地表达在细胞壁、细胞
质、细胞核、线粒体、叶绿体、内质网以及细胞
膜上, 从而监测胞内以及胞外特定位置的Ca2+浓度
变化情况(Bonza等2013; Krebs等2012; Loro等2012;
Mehlmer等2012)。而且随着激光共聚焦扫描显微
技术(confocal laser scanning microscopy, CLSM)以
及选择性平面照明显微技术(selective plane illumi-
nation microscopy, SPIM)在钙信号监测中应用的
不断成熟(Costa等2013; Krebs等2012), 人们对钙信
号的认识也在不断加深。
3 细胞器与钙信号
在动物细胞中, 内质网与线粒体通过参与调
节钙信号的形成在肌肉细胞收缩以及细胞凋亡过
程中具有重要作用。但在植物细胞中, 植物细胞
特有的中央大液泡以及叶绿体在钙信号转导过程
中可能具有更加重要的地位。
3.1 液泡
中央大液泡是植物细胞内Ca2+最主要的储存
地点。液泡中包含的Ca2+浓度可高达80 mmol·L-1,
如拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶肉细胞液泡中
Ca2+浓度约为60 mmol·L-1 (Conn等2011), 但液泡中
大部分的Ca2+通过与螯合物以及蛋白相结合的方式
被储存起来, 游离的Ca2+浓度只有0.2~5 mmol·L-1 (图
1) (Conn和Gilliham 2010)。研究表明, 液泡中储存的
Ca2+可以参与胞质中钙信号的形成, 而这主要依赖
于定位在液泡膜上的Ca2+通道(Schönknecht 2013)。
1,4,5-三磷酸肌醇(inositol 1,4,5-trisphosphate,
IP3)和环二磷酸腺苷核糖(cyclic ADP-ribose, cAD-
PR)都可以诱导液泡释放Ca2+, 表明液泡膜可能存
在配体门控通道(ligand-gated channels) (Pottosin和
Schönknecht 2007)。在拟南芥保卫细胞中, 二磷酸
腺苷核糖基环化酶(ADP-ribosyl cyclase, ADPRC)
在cADPR的生成过程中具有重要作用。当用烟碱
(nicotinamide)抑制cADPRC的表达时, 脱落酸(ab-
郑远等: 植物细胞器钙信号研究进展 1197
scisic acid, ABA)诱导的胞质内钙信号的形成以及
气孔的关闭都会受到抑制(Leckie等1998)。在鸭跖
草(Catocala communis)中, 抑制磷酸肌醇特异磷酸
酶C (phosphoinositide-specific phospholipase C, PI-
PLC)的活性可以减少IP3的含量, 而同时ABA诱导
的胞质内钙信号形成以及气孔关闭同样会受到抑
制(Staxen等1999)。在植物细胞中, 盐胁迫可以诱
导细胞内IP3含量以及胞质内Ca
2+浓度的升高, 但当
PI-PLC活性被抑制时, 这些过程同样会受到抑制
(DeWald等2001)。这些证据都表明, 液泡上可能存
在着配体门控通道参与细胞内钙信号的形成, 但
由于这两种通道蛋白在植物细胞中的功能尚未被
证实, 所以它们在钙信号途径中的作用还有很多
争议。
目前, 已被证实的定位在液泡膜上的Ca2+通道
只有拟南芥中的TPC1 (Peiter等2005)。TPC1属于
电压门控通道(voltage-gated channels), 已被证明是
液泡膜上主要的Ca2+释放通道, 但其作为慢速液泡
膜(slow vacuolar, SV)通道, 在钙信号形成中的作用
一直饱受争议(Pottosin等2009)。高浓度的外源钙
离子([Ca2+]ext)可以诱导气孔的关闭, 以及[Ca
2+]cyt的
升高。在tpc1突变体中, 虽然[Ca2+]ext诱导的气孔关
闭受到抑制, 但突变体中[Ca2+]cyt的升高与野生型
并无差异(Islam等2010)。而且在冷、盐以及病菌
侵染等多种胁迫刺激下, 突变体具有与野生型相
同的钙信号, 这些都表明TPC1作为Ca2+通道, 可能
并未参与这些信号途经下胞质内钙信号的形成
(Ranf等2008)。但最近有证据表明, TPC1的确参与
了胞质内钙信号的形成。在植物细胞受到外界伤
害时, 会将一种长距离信号(long-distance signaling)
传递给远处的细胞, 使其产生植物激素茉莉酮酸
酯(jasmonate, JA), 用于抵抗外界的伤害。研究表
明, 在这个过程中, 细胞会产生连续的钙信号, 从
受伤的细胞传递到远处的细胞, 而TPC1在这个过
程中具有非常重要的作用。在tpc1突变体中, 钙信
号波的传递速度会降低25倍, 而当过量表达TPC1
基因时, 钙信号波的传递速度则会升高1.7倍(Choi
等2014)。综上所述, 液泡作为胞内最主要的钙库,
参与了胞内钙信号形成, 但具体的作用机制还需
要进一步的探索。
3.2 内质网
在动物细胞中, 内质网作为钙库的功能已经
研究得比较清楚, 光面内质网通过调节胞质内的
钙信号在肌肉收缩过程中起着至关重要的作用
图1 植物细胞器内的Ca2+浓度
Fig.1 Organellar Ca2+ concentrations in plant cell
参照Stael等(2012)文献修改。*: Ca2+浓度参考动物细胞; [Ca2+]T: 细胞内所含有的全部Ca
2+浓度; [Ca2+]F: 游离Ca
2+浓度。
植物生理学报1198
(Rossi和Dirksen 2006)。但在植物细胞中, 因为缺
少动物细胞中内质网离子通道的同源蛋白, 内质
网在钙信号途径中的功能还不清楚。目前研究得
较为清楚的是定位在内质网上的钙网蛋白(calre-
ticulin)。钙网蛋白作为植物细胞中主要的Ca2+储
存蛋白, 在植物细胞调节Ca2+平衡方面具有重要作
用。在烟草(Nicotiana tabacum)细胞中过量表达钙
网蛋白, 可以增加内质网对Ca2+的储存能力。在拟
南芥中, 降低钙网蛋白的表达会导致植物对低浓
度Ca2+以及水分胁迫的敏感(Kim等2013; Persson等
2001)。综上所述, 与动物细胞相比, 植物细胞内质
网在钙信号形成过程中的作用并不清楚, 还需要
继续对内质网上的Ca2+通道进行进一步鉴定。
3.3 叶绿体
叶绿体中储存的Ca2+浓度可高达15 mmol·L-1,
但在叶绿体基质中, Ca2+浓度却和细胞质中一样,
约为150 nmol·L-1 (图1) (Nomuraa和Shiina 2014)。
这是因为高浓度的Ca2+会抑制光合作用并沉淀基
质中的磷酸盐, 所以大部分的Ca2+以与钙结合蛋白
相结合的方式被储存在类囊体膜或基质中。
早期的电生理学实验发现, 大豆(Pisum sa-
tivum)叶绿体内膜存在电压依赖的Ca2+转运活性,
而绿藻中叶绿体周围可发生光依赖的细胞质Ca2+
清空, 这些都表明叶绿体膜上可能存在着Ca2+转运
蛋白(Nomuraa和Shiina 2014)。目前, 在拟南芥中
已鉴定了两个可能定位于叶绿体膜的Ca2+-ATPase
转运蛋白——AtACA1 (auto-inhibited Ca2+-ATPase
1)和AtHMA1 (heavy metal ATPase 1)。但前者只在
根中表达, 并被证明可能定位在液泡膜或内质网
上(Dunkley等2006), 而后者则被证明更加倾向于
转运重金属离子(Seigneurin-Berny等2006)。叶绿
体膜上还存在着两个可能的机械敏感性Ca2+通
道——MSL2 (MscS-like 2)和MSL3 (MscS-like 3),
它们对于叶绿体的渗透调节具有重要作用, 但还
没有证据证明它们可以特异性地转运Ca2+ (Wilson
等2011)。而在类囊体膜上同样可能存在Ca2+转运
蛋白, 用于将基质中的Ca2+储存在类囊体中。在动
物细胞中表达豌豆(Pisum sativum)类囊体蛋白
PPF1可以增加Ca2+的内流, 表明PPF1可能是一个
Ca2+转运蛋白, 但其在类囊体上的作用目前还没有
被证实(Wang等2003)。
许多非生物胁迫都可以诱导叶绿体内部产生
特异的Ca2+浓度波动, 表明叶绿体基质中同样存在
着钙信号。在灯光关闭后, 叶绿体基质内Ca2+浓度
会立刻升高, 并会持续几十分钟; 高浓度的盐刺激
会导致叶绿体基质内Ca2+浓度瞬时升高, 而渗透胁
迫则会导致基质内Ca2+浓度的震荡(Nomuraa和Shi-
ina 2014)。在生物胁迫方面, 病原相关分子模式
(pathogen-associated molecular pattern, PAMP)激发
子可以被细胞膜上的PAMP受体识别, 在胞质内迅
速引起Ca2+浓度的升高。研究发现, flg22、几丁质
和隐地蛋白等PAMP激发子同样可以诱导烟草和
拟南芥叶绿体基质内Ca2+浓度的持续升高, 而Ca2+
感受器(calcium sensor, CAS)在这个过程中具有非
常重要的作用。CAS是定位在类囊体膜上的Ca2+
结合蛋白, 在cas突变体中, flg22诱导产生的叶绿体
基质中Ca2+浓度的升高、水杨酸(salicylic acid, SA)
合成、气孔关闭、胼胝质沉积以及防御基因的表
达都受到抑制(Nomura等2012)。同时, CAS介导的
钙信号还参与了光信号转导。在衣藻(Chlamydo-
monas reinhardtii)中, 敲除CAS基因可以抑制强光
诱导LHCSR3 (light-harvesting complex stress-relat-
ed protein 3)基因的表达, 但通过在培养基中添加
高浓度的Ca2+可以恢复LHCSR3的表达(Petroutsos
等2011); 在拟南芥中CAS可以被定位于类囊体的
蛋白激酶STN8 (state transition 8)磷酸化, 这个过程
同样依赖于光照强度(Vainonen等2008)。近期的研
究发现, 拟南芥甲基转移酶CAU1 (calcium underac-
cumulation 1)可以通过改变CAS染色质H4R3sme2
的甲基化水平调节CAS基因的表达, 影响叶绿体基
质内的钙信号, 从而参与气孔对外源Ca2+的信号响
应(Fu等2013)。
另一方面, 叶绿体还参与调控胞质内钙信号
的形成。在拟南芥中, 叶绿体定位的Ca2+通道蛋白
PPF1可能通过改变胞质内钙信号的响应速度, 参
与调节植物开花、细胞程序性死亡以及细胞衰老
等过程(Nomuraa和Shiina 2014)。而越来越多的证
据表明CAS同样参与胞质内钙信号的形成 , 在
[Ca2+]ext诱导[Ca
2+]cyt升高(external Ca
2+-induced cy-
toplasmic Ca2+ increase)以及气孔关闭过程中具有
至关重要的作用(Nomura等2008)。CAS定位于类
囊体膜上, 其羧基端含有EF-hand结构域, 可结合基
郑远等: 植物细胞器钙信号研究进展 1199
质内的Ca2+。当受到外源Ca2+信号刺激时, CAS可
能将固定在类囊体膜上的Ca2+释放到基质中, 而后
基质中的Ca2+又会被转移到胞质内, 最终导致胞质
中Ca2+浓度的瞬间升高, 进而调节气孔的开闭。但
目前CAS参与调节钙信号的分子机制还不清楚。
CAS作为一个类囊体蛋白, 可以通过调节叶绿体基
质以及胞质内的钙信号, 参与调控光、干旱以及
植物对病原菌侵染的抵抗等多个过程, 证明叶绿
体在钙信号形成过程中的重要作用。
3.4 线粒体
在动物细胞中, 线粒体在钙信号途径中的功
能已经比较清楚。首先, 线粒体和内质网通过释
放自身的Ca2+和吸收胞质内的Ca2+, 共同调节胞质
内钙信号的形成(Clapham 2007)。另一方面, 线粒
体自身内部也存在着独特的钙信号。当线粒体中
的Ca2+上升到一定浓度时, 线粒体内的ATP合成就
会受到影响, 而当线粒体内积累过量的Ca2+时, 线
粒体就会释放出细胞凋亡因子, 从而导致细胞的
程序性死亡(Giacomello等2007)。
在植物细胞中, 线粒体在钙信号形成过程中
同样具有重要的作用。线粒体内部为了维持ATP
合成的正常进行, 游离的Ca2+浓度通常保持在200
nmol·L-1以下, 这和胞质内的Ca2+浓度基本相同(图
1) (Logan和Knight 2003)。冷、渗透胁迫以及氧化
胁迫都能够引起线粒体内Ca2+浓度的变化, 表明植
物细胞线粒体同样具有自身的钙信号。但Gia-
comello等(2007)发现, 线粒体内部产生的钙信号与
胞质内的钙信号完全不同, 表明了两者可能具有
不同的作用机制。在动物细胞中, 线粒体可以通
过定位在内膜上的线粒体钙单向转运体(mitochon-
drial calcium uniporter, MCU)从胞质中吸收Ca2+, 而
MICU1 (mitochondrial calcium uptake 1)通过与
MCU的相互作用, 调节MCU的活性(Baughman等
2011; Perocchi等2010)。拟南芥中有6个MCU同源
蛋白和1个MICU1同源蛋白, 但这些蛋白在线粒体
中的定位及功能目前尚不清楚(Stael等2012)。拟
南芥中还具有线粒体Ca2+/H+逆向转运体LETM1
(leucine zipper-EF-hand-containing transmembrane
protein 1)的同源蛋白AtLETM1和AtLETM2, 这两
个蛋白都定位在线粒体中, 任何蛋白功能的缺失
都会导致植株的死亡, 表明它们在线粒体中具有
重要的作用(Zhang等2012)。对AtLETM1和At-
LETM2在Ca2+转运过程中功能的研究, 能让我们对
植物中线粒体如何参与调节钙信号有更加深入的
了解。
线粒体同时也参与胞质内钙信号的形成。在
拟南芥根毛细胞中, 微丝蛋白的解聚会导致线粒
体内Ca2+释放到细胞质中, 从而引起胞质内Ca2+浓
度的升高(Wang等2010)。近期的研究发现, 微丝
相关蛋白2/3 (actin-related protein 2/3, Arp2/3)复合
体参与了这个过程。arp2突变体在盐胁迫下, 胞质
内会产生Ca2+浓度的异常升高。突变体中含有异
常的细胞骨架, 同时线粒体的运动也受到抑制, 使
线粒体膜通道打开以及膜电势降低, 从而导致盐
胁迫下线粒体内Ca2+外流, 使胞质内Ca2+浓度异常
升高。而当线粒体膜通道被抑制时, 胞质内Ca2+浓
度的异常升高同样会受到抑制(Zhao等2013)。这
些证据直接证明线粒体参与了细胞质内钙信号的
形成, 但具体分子机制尚不清楚。
3.5 细胞核
细胞核作为控制基因表达的场所, 在钙信号
途径中具有非常重要的作用。细胞核内游离Ca2+
浓度与胞质内基本相同, 约为100 nmol·L-1 (图1)
(Mazars等2009)。不仅胞质内产生的钙信号可以
传递到细胞核内, 细胞核内同样可以产生自己的
钙信号, 这些钙信号通过改变转录因子的活性调
节目的基因表达, 从而响应外界环境的改变。在
细胞核的核膜上存在着核孔复合体等许多通道,
它们在细胞核与细胞质的物质交换过程中具有非
常重要的作用。以往人们认为胞质内Ca2+浓度改
变的同时可以通过这些通道改变细胞核内Ca2+的
浓度, 不过, 越来越多的证据表明, 两者的关系并
没有这么简单。烟草细胞中, 盐胁迫会导致细胞
质内和细胞核内会产生不同的钙信号; 而在更高
浓度的盐胁迫条件下, 只有细胞质内会发生Ca2+浓
度的改变。当用隐地蛋白刺激烟草细胞时, 细胞
核内Ca2+浓度的改变比细胞质内Ca2+浓度的改变要
晚15 min (Mazars等2011)。而在JA的刺激下, Ca2+
浓度的改变只在细胞核内出现(Walter等2007)。这
些证据表明细胞核内钙信号的形成可能独立于胞
质内的钙信号, 同时还表明, 细胞核核膜上的Ca2+
通道和Ca2+转运蛋白在细胞核钙信号产生过程中
植物生理学报1200
有着非常重要的作用。在百脉根(Lotus japonicus)
细胞中, 离子通道蛋白Castor和Polux被发现定位在
核膜上。在Castor和Polux突变体中, 核周围的钙
信号受到抑制, 表明其在细胞核钙信号形成过程
中具有重要作用(Charpentier等2008; Chen等
2009)。目前已经发现许多定位于核膜的Ca2+通道
和Ca2+转运蛋白, 但它们在细胞核钙信号途径中的
功能尚不清楚。而对于钙信号如何调节细胞核内
基因的表达, 研究发现Ca2+可以通过与转录因子、
转录因子结合蛋白以及可以磷酸化转录因子的蛋
白激酶CDPK结合, 激活这些蛋白的活性, 从而调
控基因的表达(Stael等2012)。而这些受钙信号调
控的基因, 往往含有ABA响应原件(abscisic acid-re-
sponsive element, ABRE), 用于非生物胁迫的响应
(Hirayama和Shinozaki 2010)。
4 细胞壁
在细胞内部, 细胞器通过释放自己储存的Ca2+
影响胞内钙信号的形成。而在细胞膜外的细胞壁,
同样储存了大量的Ca2+, 它们通过细胞膜上的Ca2+
通道进入细胞内, 能够迅速引起胞内Ca2+浓度的升
高, 是胞内Ca2+浓度升高的主要来源之一。拟南芥
细胞壁中游离的Ca2+浓度约为0.33 mmol·L-1, 而处
于结合状态的Ca2+浓度约为0.5 mmol·L-1 (图1)
(Conn等2011)。细胞壁中虽然储存了大量的Ca2+,
但细胞壁中的Ca2+浓度却受到非常精确的调控。
一方面是因为高浓度胞外Ca2+会导致气孔的运动
失常, 另一方面Ca2+要用于联合果胶分子形成细胞
壁结构, 因此细胞壁中大部分的Ca2+都处于与果胶
或草酸盐结合的状态。
细胞壁中储存的Ca2+可以通过细胞膜上的
CNGCs、GLRs和高渗门控Ca2+通道参与胞质内钙
信号的形成。在拟南芥中, CNGCs和GLRs都含有
20个家族成员。目前拟南芥CNGC18已被证实是
一个Ca2+通道蛋白。研究发现, 当在人体肾脏上皮
细胞HEK293T中表达CNGC18蛋白时, 外源的Ca2+
可以特异诱导CNGC18通道的开放进而引起胞质
内Ca2+浓度的升高, 并且CNGC18通道能够被环鸟
苷酸(cGMP)和环腺苷酸(cAMP)诱导打开, 这些都
证明CNGC18是一个可被环核苷酸诱导的Ca2+选
择性内流通道(Gao等2014)。CNGC18在植物细胞
发育过程中同样具有重要作用, 在cngc18突变体
中, 花粉管不能正常形成, 导致突变体的雄性不育
(Frietsch等2007)。GLR1.2通道蛋白可以通过调节
花粉管发育过程中Ca2+的跨质膜内流, 从而维持花
粉管顶端Ca2+浓度梯度。在glr1.2突变体中, 花粉
管胞外Ca2+的流入以及花粉管的发育都受到严重
的影响(Michard等2011)。GLR3.4则被证明是一个
可被天冬酰胺、甘氨酸和丝氨酸诱导开放, 具有
高度选择性的Ca2+通道蛋白, 在细胞钙信号的形成
过程中具有非常重要的作用(Vincill等2012)。最近
有研究表明, GLR3.2、GLR3.3和GLR3.6作为Ca2+
释放通道, 在植物长距离信号转导过程中同样具
有十分重要的作用(Mousavi等2013)。拟南芥高渗
门控Ca2+通道OSCA1 (reduced hyperosmolality-in-
duced Ca2+ increase 1)定位于细胞膜上, 在渗透胁迫
条件下可以介导Ca2+的流入(Yuan等2014)。综上所
述, 细胞壁内储存的Ca2+通过细胞膜上的Ca2+释放
通道CNGCs、GLRs和OSCA1, 参与胞质内钙信号
的形成, 从而调节植物生长和发育。
此外, 细胞膜上还存在着调控细胞内钙信号
的受体蛋白。ATP作为细胞的能源物质, 外源添加
ATP能够诱导细胞质内Ca2+浓度的迅速升高。近
期研究发现, 拟南芥细胞膜上存在凝集素受体激
酶(lectin receptor kinase) DORN1 (does not respond
to nucleotides 1), 它对ATP具有高度的亲和性, 可以
通过结合胞外的ATP, 介导ATP诱导的细胞内钙信
号的产生、胞外信号调节激酶的激活以及下游基
因的表达(Choi等2014)。肽类激素RALF (rapid al-
kalinization factor)同样能够诱导细胞质中Ca2+浓度
迅速升高, 而FERONIA作为类受体激酶, 可以通过
结合RALF从而启动下游的磷酸化信号途径, 进而
调控细胞的伸长(Haruta等2008, 2014)。
5 结语与展望
细胞器作为细胞内重要的Ca2+储存场所, 在钙
信号产生过程中具有非常重要的作用。但目前对
这些细胞器在钙信号途径中的功能研究还处于起
步阶段。这一方面是由于在动物细胞中已发现的
许多Ca2+通道蛋白, 有的在植物细胞中并未发现同
源蛋白, 而有的虽然具有同源蛋白, 但却并不行使
Ca2+通道的功能; 另一方面, 细胞器在钙信号途径
中的功能在动植物细胞中也并不完全相同。线粒
体以及内质网在动物细胞钙信号途径中具有重要
郑远等: 植物细胞器钙信号研究进展 1201
作用, 而目前研究发现叶绿体、液泡以及细胞壁
在植物细胞中可能具有更加重要的作用。这表明
植物细胞可能拥有自己独特的钙信号调控体系,
但这也使植物细胞中钙信号的研究进展较为缓
慢。与此同时, 植物钙信号途径的研究还是有很
大进展, 新离子通道的鉴定以及关键元件功能的
研究使我们对植物细胞钙信号的了解不断增加,
相信随着研究的不断深入, 我们对植物细胞器在
钙信号调控中的作用会有更加清楚的认识。
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