全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (9): 1387~1394　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0285 1387
收稿 2015-05-26　　修定 2015-08-21
资助 国家基础科学人才培养基金(J1103516)、中央高校基本
科研业务费专项资金(TD2012-04)、国家自然科学基金
(31200207)、长江学者和创新团队发展计划(IRT13047)和
北京林业大学青年科技启动基金(BLX005)。
* 通讯作者(E-mail: ruizhao@bjfu.edu.cn; Tel: 010-62338129)。
CDPKs在植物适应非生物胁迫过程中的调节作用
刘亚茹, 吕丽莎, 程瑾, 司婧娜, 赵瑞*
北京林业大学生物科学与技术学院, 北京100083
摘要: CDPKs (calcium-dependent protein kinases, CDPKs)在植物适应非生物胁迫过程中发挥了重要作用, CDPK家族成员众
多, 在植物种间分布广泛, 并且定位于不同的细胞器中。CDPKs是植物细胞钙信号转导的重要感受器, 通过作用于多种多
样的互作底物, 参与植物对干旱胁迫、盐胁迫和低温胁迫的适应。在分子水平上, CDPKs通过磷酸化调节不同的底物蛋白
的活性, 进而实现基因表达调控、离子平衡调控和活性氧平衡调控, 从而发挥各自的生物学功能。本文综述了CDPKs在植
物逆境信号网络中的功能, 并对将来的研究方向进行论述。
关键词: 钙依赖型蛋白激酶(CDPK); 非生物胁迫; 信号转导
Mechanism of CDPKs in Plant Adaptation to Abiotic Stress
LIU Ya-Ru, LÜ Li-Sha, CHENG Jin, SI Jing-Na, ZHAO Rui*
College of Biological Sciences and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
Abstract: CDPKs (calcium-dependent protein kinases) play important role in plant adaptation to abiotic stress,
the CDPKs constitute a large gene family, and distribute in different plant species, the CDPK members localize
to various sub-cellular spaces. CDPKs are important calcium sensors in plant cells, they interact with numbers
of substrates, involve in plant adaptation to drought stress, salt stress and cold stress. The mechanism of CDPKs
regulate plant stress tolerance are gene expression regulation, ion balance regulation and ROS balance regula-
tion. Here, we review the recent advances on the functions of CDPKs in stress signaling networks, and discuss
the potential research aspects in the future.
Key words: CDPK; abiotic stress; signal transduction
植物在生长发育过程中, 经常遭受生物胁迫
和非生物胁迫。在长期的进化过程中, 植物形成
了复杂而又精细的信号转导途径, 从而保护自身
免受胁迫伤害。植物感知原初信号后(比如干旱胁
迫和盐胁迫), 会把细胞外的刺激转变为细胞内的
信号分子, 通过一系列信号转导过程, 最终引发细
胞乃至植物整体的生理反应。在植物细胞的信号
转导过程中, 钙离子(Ca2+)是最重要最保守的第二
信使, 它在植物生长发育和感知环境刺激的过程
中, 扮演了非常重要的角色(Sanders等2002; Hepler
2005)。环境胁迫信号会导致细胞质内Ca2+浓度的
升高, 从而激活细胞内Ca2+的感知系统, 诱导产生
Ca2+信号转导过程, 最终在细胞水平、组织水平、
器官水平、个体水平乃至群体水平产生可以观察
到的生理效应。Ca2+信号的转导开始于细胞内Ca2+
特异性结合蛋白对Ca2+的感知, 本文将重点阐述植
物体内一类重要的Ca2+结合蛋白, 钙依赖型蛋白激
酶(calcium dependent protein kinase, CDPK)进行
Ca2+信号转导的机制, 以及多种CDPKs参与植物响
应非生物胁迫过程中的生物学功能。
1 植物体内Ca2+信号的感知与转导
植物体内有三类蛋白质能够和Ca2+特异性结
合, 并进行信号转导。它们分别是钙调素(calmod-
ulin, CAM)、钙调神经磷酸酶B蛋白(calcineurin
B-like protein, CBL)、钙依赖型蛋白激酶(calcium
dependent protein kinase, CDPK) (Zielinski 1998;
Cheng等2002; Luan等2002; Harper等2004; Bouche
等2005)。CAM或CBL与Ca2+结合后, 会进一步和
下游蛋白互作进行信号传递, 与CAM或CBL不同
的是, CDPK能够以一条肽链的形式, 完成Ca2+的感
知与转导。CDPK与Ca2+结合后, 将直接把Ca2+信
号转换成磷酸化信号, 这一过程并不需要其他蛋
植物生理学报1388
白质的参与(Cheng等2002; Ludwig等2004; Harper
和Harmon 2005)。
2 CDPKs的结构和时空分布
CDPKs广泛存在于原生动物(纤毛虫)、绿藻
和被子植物中(Harmon等2001), 在酵母、线虫、果
蝇、小鼠和人中没有发现CDPKs (Harmon等2000;
Cheng等2002; Hrabak等2003)。其中, 拟南芥(Ara-
bidopsis thaliana)中有34个成员(Harmon等2000;
Cheng等2002; Hrabak等2003), 水稻(Oryza sativa)
中有29个成员(Asano等2005), 小麦(Triticum aes-
tivum)中有20个成员(Li等2008), 毛果杨(Populus
trichocarpa)中有30个成员(Zuo等2013), 黄瓜(Cu-
cumis sativus)中有19个成员(Xu等2015)
CDPK家族各成员间的蛋白结构比较保守, 均
有4个结构域: N端可变域(N-terminal variable do-
main)、丝氨酸/苏氨酸激酶域(protein kinase do-
main)、自抑制域(auto-inhibitory domain)和类钙调
素结合域(calmodulin-like domain) (Cheng等
2002)。CDPK是由一个编码CaMK的基因与一个
编码钙调素的基因在进化中融合而形成的(Har-
mon等2000)。CDPKs的激酶域是典型的丝氨酸和
苏氨酸蛋白激酶催化高度保守序列(Hanks和Hunter
1995)。自抑制域富含碱性氨基酸残基, 它起到伪
底物的作用, 能与激酶域结合从而抑制自身的活
性(Harmon等1994)。类钙调素结合域含有与Ca2+
结合的EF手型结构, 以此作为Ca2+的感受器。每个
EF手型结合一个钙离子后, 能够解除自抑制域对
自身的抑制效应, 从而使激酶具有催化活性(Zhang
和Yuan 1998)。大多数CDPKs在N端具有一个豆蔻
酰化位点(甘氨酸残基G)和棕榈酰化位点(半胱氨
酸残基C), 这两种翻译后修饰能引导CDPKs定位
在细胞膜上(TermiNator, http://www.isv.cnrs-gif.fr/
terminator2/index.html)。
CDPKs不仅能够锚定在细胞膜上, 在其他细
胞空间也观察到了CDPKs的定位信号, 比如: 细胞
质、细胞核、内质网、液泡、线粒体、叶绿体和
过氧化物酶体等(Martin和Busconi 2000; Lu和Hra-
bak 2002; Dammann等2003; Chehab等2004; Raic-
haudhuri等2006; Kumar等2014)。与非生物胁迫紧
密相关的CDPKs, 定位在多种亚细胞空间中。拟
南芥AtCPK10定位在细胞膜上(Zou等2010), 而胡
杨PeCPK10在细胞质与细胞核中定位(Chen等
2013)。AtCPK4和AtCPK11位于细胞质与细胞核
中(Zhu等2007), AtCPK12同样具有细胞质与细胞
核两种定位信号(Zhao等2011)。AtCPK32不仅定
位于细胞核中, 而且在细胞膜上也有分布(Choi等
2005)。AtCPK21和AtCPK23都定位在细胞膜上
(Geiger等2010; Franz等2011), AtCPK27同样是一
个细胞膜定位的蛋白激酶(Zhao等2015)。AtCPK3
和AtCPK6的空间定位比较广泛, 它们在细胞膜、
细胞质、液泡膜和细胞核中都有分布(Mehlmer等
2010; Xu等2010)。AtCPK8位于细胞膜上(Zou等
2015)。水稻的OsCPK4在细胞膜上定位(Campo等
2014)。葡萄果实中ACPK1位于细胞膜和叶绿体
上(Yu等2007)。玉米ZmCPK4定位于细胞膜上(Ji-
ang等2013), 而ZmCPK11定位于细胞质与细胞核
中(Ding等2013)。在转录水平上, CDPKs基因能够
被一些胁迫信号或植物激素诱导表达 , 比如低
温、高温、干旱、盐和脱落酸(abscisic acid, ABA)。
在翻译后修饰水平上, ABA和低温诱导能够提高
一些CDPKs的激酶活性, CDPKs激酶活性的升高
主要依赖于其磷酸化水平的提高, 比如, 体外磷酸
化实验证明, ABA能够提高葡萄果实ACPK1、拟
南芥AtCPK4和AtCPK11的自磷酸化水平, 从而导
致这三种C D P K s活性的增强 , 并且 , A B A对
ACPK1、AtCPK4和AtCPK11的激活既有时间效应,
又具有浓度效应(Yu等2007; Zhu等2007)。CDPKs磷
酸化水平的升高, 是由自磷酸化造成的, 还是由其
它蛋白激酶磷酸化引起的？这一问题还需要进一
步的论证。CDPKs分布的广泛性和亚细胞定位的
多样性, 预示着CDPKs具有非常重要的生物学功
能, 并且具有多种多样的互作底物蛋白。
3 CDPKs参与干旱胁迫和盐胁迫信号转导
ABA是一种重要的逆境激素, CDPKs参与了
由ABA调节的植物对干旱和盐胁迫的响应过程。
在拟南芥中, AtCPK10能够被干旱和高盐胁迫诱导
表达(Urao等1994), AtCPK10的T-DNA插入突变体
cpk10与野生型相比, 对干旱胁迫非常敏感, 而At-
CPK10过表达株系的抗旱能力显著提高。AtCPK10
能够和一个热激蛋白(heat shock protein)HSP1互
作, HSP1的基因敲除突变体hsp1在干旱胁迫下具
有与cpk10相似的表型(Zou等2010)。ABA和H2O2
刘亚茹等: CDPKs在植物适应非生物胁迫过程中的调节作 1389
两种信号分子以及干旱胁迫能够促进AtCPK8的表
达, AtCPK8的突变体与野生型相比对干旱胁迫更
加敏感, 而过表达AtCPK8的转基因株系具有更强
的干旱胁迫耐受能力(Zou等2015)。
AtCPK4和AtCPK11的单突变体在种子萌发、
幼苗生长和气孔运动方面, 对ABA脱敏, 盐胁迫处
理后, 它们的单突变体在种子萌发上对NaCl脱敏,
而在幼苗生长方面, 对NaCl超敏。它们的双突变
体与单突变体相比, 对ABA和NaCl具有更加明显
的表型。AtCPK4和AtCPK11的过表达株系提高了
对ABA的敏感程度。AtCPK4和AtCPK11的T-DNA
插入突变体对干旱胁迫非常敏感, 而它们的过表
达株系具有更高的保水能力。AtCPK4和AtCPK11
能够磷酸化两个响应ABA的转录因子, ABF1和
ABF4 (ABA responsive binding factor)。以上研究
结果表明, 在ABA和干旱胁迫信号转导过程中,
AtCPK4和AtCPK11是两个重要的正向调节因子
(Zhu等2007)。AtCPK12是AtCPK4/11的同源近似
物, AtCPK12的RNAi和过表达突变体在种子萌发和
幼苗生长阶段对ABA超敏, AtCPK12能够分别磷酸
化ABA信号通路中的正向调节因子和负向调节因
子, 其中, 正向调节因子是ABF1和ABF4, 负向调控
因子是ABI2 (ABA insensitive 2) (Zhao等2011a, b)。
AtCPK32能够被高盐胁迫诱导表达, AtCPK32
的过表达株系在种子萌发过程中对ABA和NaCl敏
感。它通过磷酸化ABF4来调节响应ABA的基因
表达(Choi等2005)。AtCPK23的T-DNA插入突变体
cpk23与野生型相比, 对干旱和盐胁迫具有更强的
耐受能力, 而过表达CPK23的植株对干旱和盐胁迫
很敏感。cpk23突变体中气孔开度变小, 而过表达
植株气孔开度增加, 与野生型相比, cpk23突变体中
K+含量在高盐条件下没有降低, 说明CPK23可能
参与调控植物对K+的吸收(Ma和Wu 2007)。另外,
CPK23和CPK21通过调控离子通道SLAC1 (slow
anion channel-associated 1)参与ABA对气孔运动的
控制过程。缺水条件下, 植物合成ABA并将其运
送到保卫细胞中, ABA与胞质中PYR (pyrabactin
resistance)/PYL (PYR-like)/RCAR (regulatory com-
ponent of ABA receptor)型ABA受体结合后解除
ABI1对OST1 (open stomata 1)、CPK23、CPK21的
抑制, SLAC1被CPK21和CPK23磷酸化后激活,
SLAC1释放阴离子使膜电位去极化, 去极化激活
了钾离子通道GORK, 从而使保卫细胞释放阴离子
和K+, 保卫细胞水势升高, 发生失水, 这一过程最
终使气孔关闭, 阻止了水分的散失(Geiger等2010;
Franz等2011)。AtCPK27的表达受到NaCl的诱导,
AtCPK27是一个质膜定位的蛋白激酶, AtCPK27的
T-DNA插入突变体, cpk27-1与野生型Col相比, 在
种子萌发和幼苗生长过程中对NaCl超敏感, At-
CPK27有可能正向调节盐胁迫信号转导过程(Zhao
等2015)。
盐胁迫处理能够提高AtCPK3的激酶活性 ,
AtCPK3的T-DNA插入突变体, cpk3-1和cpk3-2在种
子萌发上对NaCl超敏, 而另一个T-DNA插入突变体
cpk3-3, 由于插入位点位于启动子区导致AtCPK3的
表达量升高, 所以cpk3-3在NaCl培养基上的萌发率
高于野生型(Mehlmer等2010)。干旱和盐胁迫能够
诱导AtCPK6的表达, 在野生型拟南芥中过表达
AtCPK6能够提高植物的抗旱和耐盐能力, 但是
AtCPK6的T-DNA插入突变体在干旱和盐胁迫处理
下和野生型没有显著差异, 这说明AtCPK6与其他
CDPK成员存在功能冗余现象(Xu等2010)。
在水稻中, OsCPK13/OsCDPK7能够被低温和
盐胁迫诱导表达, 将OsCPK13/OsCDPK7在水稻中
过表达, 能够增强水稻的抗旱耐盐能力(Saijo等
2000, 2001)。ABA和高盐胁迫能够迅速诱导Os-
CPK21的表达, 在高盐环境中, 过表达OsCPK21的
水稻存活率高于野生型, 过表达OsCPK21水稻的
生长受到ABA的抑制程度更加强烈。OsCPK21是
ABA和盐胁迫信号转导过程中的正向调节因子
(Asano等2011)。ABA和盐胁迫在转录水平上, 没
有显著诱导OsCPK12表达, OsCPK12的Tos17插入
突变体和RNAi株系对NaCl更加敏感, 并且积累更
多的H2O2; 而OsCPK12的过表达株系具有较强的
耐盐性, 同时体内H2O2含量很低。OsCPK12的过
表达株系对ABA超敏, 但是OsCPK12的Tos17插入
突变体和RNAi株系经过ABA处理后, 它们的长势
和野生型没有区别, 这可能是由于在ABA信号通
路上, OsCPK12与水稻中其它CDPK存在功能冗余
现象(Asano等2012)。OsCPK9的表达受到ABA、
PEG6000和NaCl的诱导。过表达OsCPK9的转基
因水稻在干旱胁迫下生长良好, OsCPK9的RNAi株
植物生理学报1390
系在相同的处理条件下生长发育受阻。在水稻中
过表达OsCPK9提高了植株对ABA的敏感程度, 然
而OsCPK9的RNAi突变体对ABA的表型并不敏
感。OsCPK9可以通过促进气孔关闭而提高植物
的抗旱性, 它是植物耐受非生物胁迫过程中的正
向调节因子(Wei等2014)。OsCPK4的表达受到高
盐胁迫、干旱胁迫和ABA的诱导, 过表达OsCPK4
增强了水稻抵抗盐胁迫和干旱胁迫的能力(Campo
等2014)。
葡萄果实中的ACPK1受到ABA的激活(Yu等
2006), 将ACPK1异源表达于拟南芥中, 在种子萌
发和幼苗生长阶段提高了转基因拟南芥对ABA的
敏感程度, 同时也提高了转基因拟南芥的抗旱保
水能力(Yu等2007)。用ABA和NaCl处理玉米后,
ZmCPK4的表达会受到下调, 将ZmCPK4在拟南芥
中表达后, 在种子萌发和幼苗生长方面, 提高了转
基因拟南芥对ABA的敏感程度, 同时也提高了植
物的抗旱性 ( J i a n g等2 0 1 3 )。A B A能够诱导
ZmCPK11的表达, 并且提高ZmCPK11的激酶活性,
在玉米原生质体中, 通过瞬时基因表达技术和瞬
时RNAi技术发现, ZmCPK11参与了ABA诱导的抗
氧化防御反应过程 , ZmCPK11诱导了SOD4和
cAPX的表达及其蛋白酶学活性的调节, 并且, 在
ABA信号转导过程中, ZmCPK11位于ZmMPK5的
上游(Ding等2013)。
4 CDPK参与植物对低温胁迫的适应过程
Ca2+介导了早期低温诱导的关键转录调节因
子低温响应元件结合蛋白(cold-responsive element-
binding factors, CBFs)的表达, 一些与CaM互作的
转录激活因子(CaM-interacting transcription activa-
tors, CAMTAs)能够和CBF2的启动子结合, camta3
突变体无法诱导CBF1和CBF2的表达。camta1和
camta3双突变体对低温敏感的表型说明CAMTAs
在低温激活的Ca2+信号通路中具有重要调节功能
(Doherty等2009)。水稻中的OsCPK13/OsCDPK7
能够被低温胁迫诱导表达, 将OsCPK13/OsCDPK7
在水稻中过表达能够提高水稻的抗冷性, 但是Os-
CPK13/OsCDPK7并没有影响到响应低温的下游
基因的表达(Saijo等2000)。将OsCPK7/OsCDPK13
过表后提高了水稻的抗冷能力, 促进了伴侣蛋白
钙网织蛋白的积累(Abbasi等2004; Komatsu等
2007)。在低温胁迫下, AtCPK1调节了植物细胞的
磷酸化状态(Bohmer和Romeis 2007)。低温胁迫处
理18~24 h后, 定位于水稻膜系统上的一个CDPK被
激活, 说明CDPK也参与到植物对低温胁迫的长期
适应过程(Martin和Busconi 2001)。低温能够诱导
胡杨PeCPK10的表达, 将PeCPK10在拟南芥中异
源表达, 能够提高转基因拟南芥抵御低温的能力
(Chen等2013)。低温胁迫下, 玉米ZmCPK1的表达
受到上调 , 而ZmCPK25受到下调 , 具有活性的
ZmCPK1能够抑制冷胁迫诱导的Zmerf3的表达, 所
以, ZmCPK1可能是冷胁迫信号途径中的负向调节
因子(Weckwerth等2015)。以上研究结果清楚的证
明CDPK参与了植物对低温胁迫的适应, 但是它们
在低温胁迫中的生物学功能和作用机制还有待于
进一步研究。
5 CDPKs调节植物响应非生物胁迫的分子机制
5.1 基因表达调控
CDPKs通过磷酸化激活转录因子, 受到激活
的转录因子调节响应逆境的基因表达。拟南芥
AtCPK4/11能够磷酸化ABF1和ABF4来调节植物
抗旱过程(Zhu等2007)。AtDi19也是AtCPK4/10/
11/16的作用底物, 它是转录激活因子, 参与调节植
物盐胁迫、干旱胁迫和ABA信号转导过程(Milla
等2006; Curran等2011)。AtCPK32通过磷酸化激
活ABF4参与ABA信号转导, ABF4第110位丝氨酸
残基是AtCPK32的磷酸化靶位点(Choi等2005)。
在拟南芥CDPK基因的突变体中, 很多基因的表达
都受到了影响, 在cpk4-1和cpk11-2的单突变和双突
变体中, ABF1、ABF2、ABF4、ABI4、ABI5、
RAB18、KIN1、KIN2和ERD10的表达都被调低了,
而在AtCPK4和AtCPK11的过表达突变体中, 这些
基因的表达又被调高了, 所以, AtCPK4和AtCPK11
可能通过促进这些基因的表达而参与植物对逆境
胁迫的响应过程(Zhu等2007)。在AtCPK12 RNAi
突变体中, ABA响应基因ABI5、ABF1、ABF2、
DREB1A、ERD10、KIN1、KIN2和RD29A的表达
量升高, 从而使AtCPK12 RNAi突变体表现出对
ABA超敏感, 推测AtCPK12通过抑制这些基因的
表达参与ABA信号转导过程(Zhao等2011a, b)。
5.2 离子平衡调节和渗透调节
植物遭受盐胁迫伤害时, 在细胞水平上, 会通
刘亚茹等: CDPKs在植物适应非生物胁迫过程中的调节作 1391
过限制Na+的内流、促进Na+的外排, 将Na+区隔化
至液泡以及促进K+的内流来调节K+/Na+平衡(Zhu
2003; Adams和Shin 2014; Polle和Chen 2014)。当
植物感知干旱胁迫时, 通过调节叶肉细胞和保卫
细胞中渗透调节物质的含量来改变细胞水势, 从
而提高叶肉细胞的保水能力, 促进气孔关闭(Zhu
2002)。
ABA和Ca2+能够抑制内向型K+通道KAT1和
KAT2的活性, AtCPK10可以通过调节内向型K+通
道的活性, 参与气孔的运动过程, 直接的试验结果
证明, 在拟南芥cpk10突变体中, ABA和Ca2+处理都
无法抑制K+的内流(Zou等2010)。AtCPK13通过独
立于ABA的信号途径来调节气孔运动过程, At-
CPK13通过磷酸化抑制KAT1或KAT2的活性, 减少
K+的内流(Ronzier等2014), 从而促进气孔关闭。
AtCPK21和AtCPK23能够磷酸化激活位于保卫细
胞膜上的阴离子通道蛋白SLAC1, 受到激活的
SLAC1将Cl-从细胞内转运至胞外, 保卫细胞水势
升高, 保卫细胞失水使气孔关闭(Geiger等2010;
Franz等2011)。
5.3 活性氧平衡
干旱胁迫和盐胁迫会引发植物体内的活性氧
爆发, 造成氧化胁迫(Mittler 2002; Miller等2010)。
CDPKs能够通过调节细胞内活性氧平衡来提高植
物的抗性。当遭受高盐胁迫后, oscpk12和OsCPK12
RNAi突变体中H2O2水平高于野生型水稻, 而在Os-
CPK12的过表达株系中, H2O2的含量低于野生型水
稻和OsCPK12 RNAi突变体, OsCPK12可能会通过
调节抗坏血酸过氧化物酶OsAPx2和OsAPx8的转录
水平, 或者NADPH氧化酶OsrbohI的转录水平来提
高植物的耐盐能力(Asano等2012)。盐胁迫下, 拟
南芥cpk27-1突变体中的H2O2含量同样高于野生型
(Zhao等2015)。反之, 在拟南芥cpk5 cpk6, cpk5
cpk6 cpk11, cpk5 cpk6 cpk11 cpk4突变体中, H2O2的
含量低于野生型(Boudsocq等2010)。AtCPK8与
CATALASE3 (CAT3)互作, 并且通过磷酸化CAT3
第261位丝氨酸残基来调节CAT3的活性, AtCPK8
与CAT3的互作不仅参与了ABA调节的气孔运动
过程, 而且还调节了植物体内的活性氧平衡(Zou等
2015)。以上结果说明, 不同的CDPK在氧化电子
传递过程中 , 扮演了不同的角色。OsCPK12、
AtCPK27和AtCPK8可能参与了H2O2的清除, 而
AtCPK4、AtCPK5, AtCPK6和AtCPK11参与了
H2O2的产生。
5.4 CDPKs的作用底物
作为蛋白激酶, CDPKs响应非生物胁迫的分
子机制, 是通过与底物互作并磷酸化底物来发挥
调节作用的。CDPKs分布广泛, 并且具有多种亚
细胞定位模式, 它们的互作底物是多种多样的。
(1)转录因子, 比如AtDi19是AtCPK4、AtCPK10、
AtCPK11和AtCPK16的共同底物(Rodriguez Milla
等2006; Curran等2011)。ABF4是AtCPK32、
AtCPK4、AtCPK11和AtCPK12的互作蛋白(Choi
等2005; Zhu等2007; Zhao等2011a)。(2)蛋白磷酸
酶, 比如PP2C蛋白磷酸酶ABI2是AtCPK12的作用
底物 (Zhao等2011a)。 (3 )热激蛋白 , HSP1与
AtCPK10能够互作(Zou等2010)。(4)离子通道蛋
白, AtCPK21和AtCPK23具有共同的下游作用底物
阴离子通道蛋白SLAC1 (Geiger等2010; Franz等
2011)。(5)抗氧化防御系统成员, 拟南芥过氧化氢
酶CAT3是AtCPK8的直接作用底物(Zou等2015)。
6 总结与展望
拟南芥、水稻和杨树中的一些CDPKs, 已经
被证明参与调节植物抵抗非生物胁迫的过程, 这
些CDPKs通过各种信号通路调节植物的抗逆反
应。随着研究的范围不断拓展、研究的层次不断
加深, 需要综合分子生物学、细胞生物学、遗传
学、植物生理学、基因组学与磷酸化蛋白质组学
深入阐明CDPKs的功能和作用机制。
CDPKs不同的亚细胞定位和时空表达形式,
说明它们的作用底物非常广泛, 会通过各种信号
转导途径参与调节植物的生长发育过程, 以及植
物对逆境胁迫的适应性, 所以要对每个CDPK成员
的功能进行分析。由于CDPKs同源蛋白之间存在
功能冗余现象, 需要对高度同源的CDPKs成员进
行多重突变, 并借助于过表达(over expression)来确
定同源CDPKs成员之间的功能相似性。
CDPKs参与的信号调节网络是异常复杂的,
通过CDPKs来解析信号通路之间的互作机制也是
一个研究重点。CDPKs通过磷酸化来激活或者抑
制下游蛋白的活性, 通过这种快速动作打开或者关
闭信号, 而蛋白磷酸酶通过去磷酸化参与调节靶蛋
植物生理学报1392
白的活性, 所以, 要明确CDPKs和蛋白磷酸酶的相
互关系以及植物细胞对两者的协调平衡机制。
植物把胞外环境刺激转化为胞内信号, 通过
对蛋白质活性以及基因转录的调节, 最终做出对
环境变化的生理响应。CDPKs作为重要的信号转
导组分, 其自身的基因表达同样受到精确的调控,
很有必要对CDPKs基因的转录表达调控机制进行
深入分析, 寻找调节CDPKs基因表达的转录调节
因子。
在蛋白质水平上, 作为分子开关, 大部分CDPKs
的活性都依赖于Ca2+, 而细胞内和细胞外Ca2+浓度
处于动态变化过程, 应当使用改进的体内和体外
磷酸化技术研究CDPKs活性随着Ca2+变化的规律,
使用单分子荧光成像技术精准分析CDPKs单体的
分子行为。
CDPKs通过与靶蛋白互作进行信息传递 ,
CDPKs成员众多, 它们的靶蛋白应该是多种多样
的, 鉴定CDPKs的互作蛋白对于阐明CDPKs的作
用机制具有重要意义。
总之, 通过使用现代生物学的技术与手段, 要
精准分析每一名CDPK成员的功能, 鉴定各自的互
作蛋白, 揭示它们的作用机制, 构建由CDPKs参与
的复杂的信号调节网络。
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