全 文 ：植物生理学通讯 第 46卷 第 3期, 2010年 3月268
植物脱水素的结构和功能
邢鑫, 刘洋, 李德全 *
山东农业大学生命科学学院, 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018
Structure and Function of Plant Dehydrins
XING Xin, LIU Yang, LI De-Quan*
State Key Laboratory of Crop Biology, College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China
提要: 脱水素(DHN)属于LEA蛋白(late embrygenesis abundant protein)第二家族成员, 具有广泛的生物学功能, 如防止细胞脱
水, 稳定细胞膜, 结合金属离子, 清除羟基自由基防止膜脂过氧化, 保护冷敏感性酶活性, 作为分子伴侣和结合DNA/RNA的
特性等。本文介绍脱水素的结构, 在植物器官、组织和亚细胞中的定位以及功能的研究进展。
关键词: 脱水素; 结构; 定位; 功能; 磷酸化修饰
干旱、低温和盐渍等非生物胁迫也常是影响
植物生长发育的因素, 植物在受到这些胁迫信号刺
激后, 会产生一系列响应蛋白来保护细胞代谢, 如
转录因子、蛋白激酶、渗调物质合成酶、自由
基清除酶、水通道蛋白和胚胎发育晚期丰富蛋白
等,合成一些亲水性蛋白是植物响应水分亏缺的一
种主要应答过程(Allagulova Ch等 2003; Ingram和
Bartels 1996)。 胚胎发育晚期丰富蛋白(late embryo-
genesis abundant proteins, LEA)就是这些亲水蛋白
的一种, 脱水素是 LEA 蛋白的第二家族。脱落酸
( AB A)、赤霉素( G A )、水杨酸( S A )、茉莉酸
(J A)、伤害、紫外线、H 2O2、重金属、光周期
等都在调控脱水素基因表达中起作用(Bae等2009;
Sun等2006; Welling等2004; Xu等2008; Yamaguchi
和 Shinozaki 1994; Zhang等2006), 一些脱水素也可
以在正常生长状态下组成型表达(Rodr iguez 等
2005; Rorat等 2006)。迄今, 脱水素的功能和作用
机制还不很清楚, 人们多用体外或异源转化的方法
研究脱水素的功能。在拟南芥中过表达小麦脱水
素DHN5后, 转基因植物在高盐和渗透胁迫下的抗
性增强(Brini等2007); 过表达柑橘脱水素基因的转
基因烟草植株抵抗低温的能力明显高于野生型植株
(Hara等 2003); 在矮牵牛中过表达厚叶旋葫首苔
BDN1脱水素基因其保水能力及抗低温能力增强
(王君丹等 2004); 酵母异源表达 LEA/DHN后其抗
渗透胁迫和冷胁迫的能力增强(Imai等1996; Swire-
Clark 和Marcotte 1999; Zhang等 2000)。但在植
物中过表达脱水素基因也有抗逆能力没有提高的例
子, 比如过表达菠菜脱水素CAP85的转基因烟草抗
冻能力并没有明显的改变(Kaye等1998); 从更苏植
物垂头菊中克隆的脱水素在烟草中过表达后其抗旱
性也没有提高 (Iturriaga等 1992); 在拟南芥中过表
达或反义抑制RAB18对拟南芥的抗冷和抗旱能力
也没有明显的效果等(Lang未发表的资料)。本文
介绍近几年来脱水素的研究进展情况。
1 脱水素蛋白的结构特征
脱水素的分子量大小有9 kDa (水稻, Wsi724)
到 200 kDa (小麦, Wcs200)不等(Garay-Arroyo等
2000), 与已知的酶没有明显的同源性。脱水素没
有有序的蛋白结构, 有很强的亲水性和热稳定性, 广
泛存在于高等植物、藻类、酵母、线虫和细菌
中(Campbell和 Close 1997; Close 1997; Close和
Lammers 1993; Li等 1998; Mtwisha等 1998)。也
可存在于不同的植物器官和组织中, 在细胞水平上
分别定位于细胞质( H o u d e 等 1 9 9 5 )、细胞核
(Godoy等 1994)、线粒体(Borovskii等 2002)、叶
绿体(Mueller等 2003)、 液泡(Heyen等2002), 或质
膜边界(Danyluk等 1998)中。
分析纯化的脱水素结构表明, 它无有序的二
级 /三级结构, 这种内部无折叠的高度随机结构使
脱水素不仅有高的水合能力, 而且有利于其结合金
属离子行使其特定的生理功能(Tompa等 2006)。
专题介绍 Special Topics
收稿 2009-11-04 修定 　2010-02-24
资助 国家自然科学基金(30871457)和教育部长江学者与创新
团队发展计划( IRT 06 3 5 )。
* 通讯作者(E-mail: dqli@sdau.edu.cn; Tel: 0538-8249137)。
植物生理学通讯 第 46卷 第 3期, 2010年 3月 269
三氟乙醇(TFE)、十二烷基硫酸钠(SDS)具有体外
模拟膜的特性, 在TFE存在的情况下脱水素DSP16
构象发生改变, 呈现很好的 α螺旋结构(Lisse等
1996); 在 SDS存在的情况下, 豌豆 35-kDa脱水素
也展现出很好的α螺旋结构, 这可能是由于K片段
形成的双亲性 α螺旋结构调节造成的( Ismail等
1999); 玉米脱水素DHN1与膜结合后的构象常发生
变化, α螺旋含量也有增加(Koag等 2003)。但不
是所有的脱水素与体外模拟的膜结合后的构象都发
生变化的, 拟南芥脱水素Lti29与带负电荷的脂质结
合, 构象并不发生任何变化(Kovacs等 2008)。紫外
吸收和圆二色谱显示, 溶液状态下大豆 rGmDHN1
是高度亲水的, 无有序的结构, 在 12 ℃中有 27%
的残基为左手螺旋, 温度升高到80 ℃时, 只有15%
的残基为左手螺旋(Soulages等 2003)。拟南芥脱
水素 Cor47、Lti29、Lti30、Rab18在外界环境
(包括温度、金属离子浓度、蛋白浓度、蛋白
稳定剂 Na 2SO 4)改变后其构象都没有发生变化
(Mouillon等 2006)。核磁共振和差异扫描热量测
定的结果显示, 无序化的ERD10不仅有很高的亲水
力, 而且能结合大量带电荷的溶液离子, 这种蛋白
在脱水条件下的功能可能是在保留水分的同时, 也
可阻止有害金属离子的增加(Tompa等 2006)。玉
米脱水素G50的结构预测分析表明, 无序化占了
75%, 内部缺少折叠区, 受热难使其凝聚, 因此在
100 ℃水溶液中仍可稳定存在, 说明脱水素具有热
稳定性和高溶解性(Ceccardi等 1994)。
脱水素缺少半胱氨酸和色氨酸, 含有高比例的
带电荷和亲水性极性氨基酸。所有脱水素的最明
显特征是都含有至少一个保守的由 15 个氨基酸
(EKKGIMDKIKEKLPG)组成的富含赖氨酸片段, 称
为K片段, 此片段在不同的物种间可能存在某个核
苷酸的置换或结构上的修饰。在所有的保守区中,
K片段是所有脱水素都具有的, 它类似于阿朴脂蛋
白和α核蛋白中能与膜脂结合的A2型双亲性α螺
旋片段, 这种双亲性螺旋片段具有很明显的极性和
非极性头部。K片段形成的兼性 α螺旋结构可通
过疏水作用与部分变性的蛋白质或膜作用
(Davidson等 1998)。脱水素的其它典型特征是有
一系列丝氨酸(Ser)残基组成的 S片段, 在 S片段后
一般跟随着能与蛋白磷酸酶结合的位点, 大多数由
EDD或者DDE组成; 由保守基序T/VDEYGNP组
成的Y片段, 通常位于脱水蛋白的N末端, Y片段
与一些细菌和植物分子伴侣的核酸结合位点有同源
性(Martin等 1993)。另外, 脱水素还有一些保守性
稍差的富含极性氨基酸的Φ片段散落在保守区内,
甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸在Φ片段中的含量较多,
Φ片段保守性因物种的不同稍有差异。除了这些
保守区以外, 很多脱水素还含一个类似核定位信号
的序列(N LS) (Monroy等 19 93 )。如玉米中的
RAB17的类似NLS序列是由RRKK组成。这里以
玉米脱水素RAB17为例(图 1), 说明典型的脱水素
图 1 玉米脱水素Rab17结构(Koag等 2003)
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的结构。
根据Y、S 和 K 片段的数量和排列顺序脱水
素可分为 5个不同的亚族: YnSK2、Y2Kn、SKn、
Kn和KnS。其中Kn的K片段的起始序列不是EKKG,
而是 E(H/Q)KEG。此外, 还有一些脱水素还难以
确定其类型, 如繁缕叶片中的H26就具有 SK3S的
结构, 它可能是介于 SKn和KnS型之间的中间类型
(孙歆等 2005)。
2 脱水素在植物器官、组织及亚细胞中的定位
2.1 器官、组织中的定位 脱水素广泛存在于不同
的器官中。免疫组织化学分析表明, 脱水素在植物
种子脱水状态下表达, 或在植物受到干旱、低温和
高盐等逆境胁迫引起的细胞脱水下的各种器官中表
达, 也可在植物正常生长状态下的各个器官中表达。
种子中脱水素的表达量很高, 在成熟的子叶中,
DHN-COG蛋白占种子总蛋白的约 2% (Robertson
和 Chandler 1994)。玉米脱水素 RAB17 (DHN1,
YSK2)定位于胚的不同部位, rabl7 mRNA先在胚轴
中合成, 随着成熟 rabl7 mRNA在胚的角质鳞片、
胚轴细胞和原形成层中累积(Goday等 1994)。豌
豆的DHN-COG (SK2)主要定位在胚胎发育中后期
的子叶中, 以及受脱水胁迫的幼苗中。胡萝卜的
ECP40 (YSK2)定位于成熟种子的胚乳和受精卵发育
而成的胚中(Kiyosue等 1993)。此外, 定位在种子
中的脱水素还有大豆 24-kDa (MAT1, YK) 和 26/
27-kDa (MAT9, YK)蛋白(Momma等 1997, 2003)、
豌豆 35-kDa脱水素(Y2K) (Ismail等 1999)等。
正常生长状态下有些脱水素也可以表达, 如小
麦的WCOR410 (SK3)主要定位于根的维管交界区
域及叶、花冠中(Danyluk等 1998)。拟南芥RAB18
(Y2SK2)特异性的累积在茎、叶和花的气孔保卫细
胞中(Nylander等 2001)。在植物受到干旱、低温
和高盐胁迫时, 大多数的脱水素含量增加, 而且有
的在正常生长状态下并不表达的其它组织中出现。
例如, 在正常生长状态下, 拟南芥中的 ERD14和
ERD10 (LTI29)主要定位于根尖以及根的维管组
织、茎、叶和花中, 而在冷胁迫下, 拟南芥的所
有组织中都能检测到它们的存在( N yl a nde r 等
2001)。茄属植物的DHN24和大麦属植物的 P-80
的累积也获得到相同的结果(Rorat等2006)。另外,
正常生长条件下, DSP14 (SK)和DSP16 DHN-like
(YSK2)蛋白可在种子、根和叶中检测到, 在干旱脱
水条件下, 它们在各种类型的细胞中出现, 更多的
累积在叶片的韧皮部筛管和种子的胚胎细胞中
(Lisse等 1996; Mtwisha等 1998)。所有这些结果
说明, 正常生长条件下, 某些脱水素可以在植物的
某些器官中表达, 而在逆境条件下, 这些脱水素可
能会在更多的器官或组织中出现。可见, 脱水素表
达有其严格的器官和组织特异性。
2.2 亚细胞中的定位 在亚细胞水平上, 脱水素可定
位于细胞质(Houde等 1995)、细胞核(Godoy等
1994)、线粒体(Borovskii等2002)、叶绿体(Mueller
等2003)、液泡(Heyen等2002)和质膜边界(Danyluk
等 1998)中, 但大多数定位于细胞质和细胞核中。
玉米脱水素RAB17 (YSK2)定位于细胞核和细
胞质中, 其核定位依赖于RAB17内部S片段的磷酸
化(Goday等1994); 番茄脱水蛋白TAS14在细胞质
和细胞核中均有分布, 在细胞核中主要分布在常染
色质和核仁中(Godoy等 1994)。值得注意的是, 小
麦WCS120 (K6)蛋白和桃树PCA60 (YK) 蛋白均没
有 S片段和核定位信号(NLS), 但它们定位于细胞
质和细胞核中(Houde等 1995; Wisniewski等
1999)。有研究认为, WCS120蛋白中大量的富含
赖氨酸重复序列可能对其核定位有作用, 这说明存
在另一种不依赖于脱水蛋白的磷酸化和NLS机制
的存在, 致使K6和YK型脱水蛋白能够进入细胞
核。其它一些含有S片段的脱水素, 例如水稻中的
RAB21 (YSK2) (Mundy和 Chua 1988)、白桦树中
的类 RAB16蛋白(Rinne等 1999)、茄属植物的
DHN10 (KS)和DHN24 (SK3), 只存在于细胞质中
(Rorat等 2006)。此外, 小麦WCOR410 (SK3)定位
于叶脉交界区域的细胞质膜边界上。一些似脱水
素蛋白可定位在线粒体中(Schneider等1993), 如菠
菜CAP85主要定位在细胞质中, 也结合于内质网上
(Neven等 1993)。拟南芥脱水素 ERD10在没有经
过冷适应的情况下, 有1/3定位于膜上(包括原生质
膜、离子膜、液泡膜) , 2/3定位于细胞质中, 而
经过冷适应以后, 其结果完全相反, 有 2/3定位于
质膜上, 而 1/3定位于细胞质上, 说明在冷适应过
程中ERD10可起稳定和保护细胞膜的作用, 并可重
新定位(Puhakainen等 2004)。总之, 脱水素不仅在
不同的器官和组织中表达, 而且在亚细胞水平更有
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其特异性。
3 脱水素的功能
脱水素具有稳定细胞膜、清除自由基、结合
金属离子、保护冷敏感性酶、保护细胞免受脱水
伤害、分子伴侣的保护特性和DNA/RNA结合特
性等功能。
3.1 稳定细胞膜 脱水素结合于膜质最直接的证据
是玉米脱水素DHN1的研究(Koag等2003)。DHN1
在体外可与包含酸性磷脂的脂囊泡结合, 研究表明
这种结合更偏于结合富含甘油磷脂酸(PA)的直径较
小的囊泡上。圆二(CD)光谱分析表明, DHN1在结
合到含磷脂的脂囊泡上后其蛋白呈 α 螺旋结构
状。这种结合导致DHN1的 α螺旋增加 9%, 这与
在10%的十二烷基磺酸钠(SDS)存在的情况下的结
果相同。体外实验结果暗示, 植物体内的DHN1也
在结合到囊泡上后, 呈现 α螺旋的结构形式, 蛋白
中的 2个K片段参与与膜的结合。脱水素或胚胎
发育晚期丰富蛋白可能在水膜表面上起与功能相关
的构象变化, 在逆境下结合到膜的表面以稳定囊泡
或内膜结构的作用(Koag等 2003)。最新的研究表
明, K 片段在结合过程中是必需的, 并且结合后
RAB17的构象变化主要依赖于 K 片段(Koag等
2009)。ERD10、ERD14 也可与膜上的酸性磷脂
囊泡结合, 但结合后 ERD10、ERD14构象没有变
化 (Kovacs等 2008)。
3.2 清除自由基 抗氧化作用可能是脱水素的一个
基本功能, 低温、干旱和高盐都可促使植物体内产
生自由基。这些自由基实际上可和所有生物分子
(膜质、DNA和蛋白)相互作用。由于蛋白质承担
起很多生物功能的作用, 它们的氧化可能导致蛋白
自身酶的性质、结合特性或者功能的变化(Oracz
等 2007)。体外实验表明, 柑橘(Citrus unshiu
Marcov.)脱水素CuCOR19 (K3S)可阻止膜质的过氧
化反应, 这种抑制脂质过氧化反应的能力强于清蛋
白、谷胱甘肽、脯氨酸和蔗糖(Hara等 2003)。因
而推测脱水素作为自由基清除蛋白保护冷胁迫下的
膜系统。羟基自由基对细胞具有很强的毒性, 在细
胞脱水条件下由植物体内的金属离子/H2O2系统产
生。CuCOR19还有清除羟基和过氧化氢自由基的
能力, CuCOR19中的甘氨酸、组氨酸、赖氨酸残
基是羟基的主要靶残基(Hara等 2004)。
3.3 结合金属离子 拟南芥酸性脱水素 ERD14、
ERD10和COR47经CKII磷酸化后有钙离子结合活
性, 其中 ERD14的结合能力最强; 中性脱水素
RAB18经CKII磷酸化后具有微量钙离子结合活性;
碱性脱水素XERO2缺少S片段不能被CKII磷酸化,
也不能结合钙离子。ERD14和ERD10可以在液泡
膜附近累积, 推测脱水素是起钙离子缓冲作用的或
作为钙离子依赖型伴侣分子而作用的(Alsheikh等
2003, 2005)。柑橘脱水素 CuCOR15 (KS)也具有
结合金属离子的能力, Fe3+、Co2+、Ni2+、Cu2+和
Zn2+ 均能与CuCOR15结合, 而Mg2+、Ca2+和 Mn2+
则不能。其中 Cu2+的结合力最强, 不同离子的结
合能力依次为: Cu2+=Ni2+ >Zn2+ >Co2+=Fe3+, CuCOR15
中的N末端的HKGEHHSGDHH序列是结合Cu2+的
核心序列(Hara等 2005)。芹菜脱水素VBA45位于
液泡膜上, 磷酸化后钙离子的结合能力可以提高
100倍(Heyen等 2002)。从蓖麻(Ricinus communis
L.)幼苗中分离出一种KS型脱水蛋白 ITP, 它在韧
皮部中具有长距离运输离子的能力, 纯化的 ITP在
体外可结合 Fe3+, 也可结合 Zn2+、Cu2+和Mn2+, 但
在体内只能与 Fe3+结合(Kruger等 2002)。
3.4 保护冷敏感性酶的活性 低温通过分裂亚基的
方式促使低聚物蛋白活性降低, 脱水素在溶液状态
下呈随机卷曲结构(Close 1997), 这种结构可能在保
护细胞冷敏感性酶过程中起作用。柑橘CuCOR19
(K3S)有保护过氧化氢酶和乳酸脱氢酶的活性, 且这
种能力强于一些相容性物质, 如蔗糖、甜菜碱、
脯氨酸、牛血清蛋白(BSA)等(Hara等 2001)。体
外实验表明, 用液氮反复几次冻 -解冻后, PCA60
(YK)具有保护乳酸脱氢酶活性的功能(Wisniewski
等 1999)。一些从桦木(Betula pubescens)中分离的
脱水素在聚乙二醇存在情况下, 可增强α-淀粉酶的
活性(Rinne等1999)。脱水素P-80和大麦DHN5都
是K9型冷调控脱水素, 两者在冻融过程中保护乙醇
脱氢酶(LDH)的能力相似, LDH活性保护能力仅次
于拟南芥脱水素 COR15a, 这种保护冷敏感性酶能
力的大小与K片段的数量无关(Artus等1996; Bravo
等 2003)。这些结果表明, 低温逆境下一些脱水素
可能起保护冷敏感酶活性的作用。
3.5 保护细胞免受脱水伤害 在植物受到干旱失水
时, 脱水素能够部分替代水分子, 保持细胞液处于
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溶解状态, 从而避免细胞结构的破坏, 稳定膜结构以
及保护蛋白质的结构和功能(Close 1996)。有些研究
表明, 脱水素转录水平和蛋白水平的累积量与植物的
冻害、干旱和盐害的程度呈正相关。Puhakainen等
(2004)在拟南芥中同时过表达几个拟南芥脱水素基
因后, LTI29 (ERD10, SK3)和LTI30 (K6)可增强冷冻
耐受性, 并且提高其在低温下的存活率。小麦脱水
蛋白WCS410在脱水条件下常聚集在细胞外膜和
细胞间隙中, 氨基酸序列分析显示, 该蛋白含有大
量酸性和富含羟基的氨基酸, 这就促使其具有与膜
上磷脂和类固醇相互作用的能力, 脱水过程中膜水
分的丧失会改变膜的相变温度, 造成不可逆的伤
害。而WCS410的兼亲 α螺旋区域将替代水分的
位置, 其分子内羟基与磷脂分子中的极性键形成氢
键使膜脂的状态仍与未脱水状态类似, WCS410中
的酸性、碱性和中性基团分别与膜脂中不同种类
的膜脂分子结合, 可防止脂类分子间的相互作用, 从
而阻止膜融合或双层膜脂向非双层膜相中的六角形
II相的转变, 而在高盐条件下, WCS410中的带电基
团从彼此之间的相互作用转变为与离子结合, 形成
盐桥, 阻止盐类结晶, 从而保护细胞(Danyluk等
1998)。
3.6 分子伴侣的保护和 DNA/RNA 结合特性 一些
脱水素确实与分子伴侣有着一定的序列同源性
(Mouillon等 2006)。Goyal等(2005)报道LEA蛋白
家族的第一族和第三族的LEA蛋白具有防止柠檬
酸合酶的热聚合和乳酸脱氢酶的冷聚合的分子伴侣
活性, 其保护效果依赖于海藻糖。线虫的 LEA3族
蛋白也具有更好的蛋白稳定功能和防止热聚合的功
能(Chakrabortee等 2007)。最近, Kovacs等(2008)
证明拟南芥脱水素ERD10和ERD14也具有分子伴
侣的活性。这 2个无序的脱水素都有广泛的底物
特异性, 以及阻止热聚合或保护溶解酵素、乙醇脱
氢酶、荧光素酶、柠檬酸盐合酶失活的作用。
TAS14在核内主要分布在染色质中, 所以有人
推测其与转录调节有关, 但在体外的凝胶阻滞实验
中并没有检测到 TAS14与随机寡聚核甘酸的结合
(Godoy等 1994)。这种脱水素究竟能不能与核酸
结合? 最近, Hara等(2009)用凝胶阻滞实验、滤膜
结合实验、Southwestern blot实验证明, 在 Zn2+存
在的情况下 CuCOR15能与DNA结合, tRNA也能
与DNA竞争性的与CuCOR15作用, 其序列中富含
组氨酸区域和Polysine区域两者均参与了这一结合
过程。其中 Zn2+的作用更为重要, 这极大地丰富
了人们对脱水素的认识。
3.7 在逆境胁迫中的作用 逆境胁迫下植物体内脱
水素的累积量与获得的抗性成正相关(Nylander等
2001; Rodriguez等 2005; Danyluk等 1998; 张晓娟
等 2007)。植物、酵母和大肠杆菌中过表达脱水
素基因已用来阐述逆境下脱水素的潜在生物学功
能。在拟南芥中过表达玉米脱水素Rab17, 转基因
植物脯氨酸和糖含量增加, 其渗透胁迫能力也加强
(Fifueras等 2004); 拟南芥中过表达小麦脱水素
DHN5后, 转基因植物在高盐和渗透胁迫下的抗性
增强(Brini等 2007); Xu等(2008)报道, 从荠菜
(Brassica juncea)中克隆的2个脱水素基因BjDHN2/
BjDHN3受重金属诱导, 在重金属胁迫下, 其转基因
烟草比野生型的丙二醛含量和电解质外渗低, 认为
这种抗性的提高是由于BjDHN2/ BjDHN3削弱膜脂
过氧化和保护细胞膜所造成(Xu等 2008); 冷适应
后, 转小麦脱水素WCOR410的转基因草莓叶片的
冷冻抗性提高5 ℃左右, WCOR410经过冷适应后,
能部分的从细胞质转移到细胞外膜, 于是细胞的结
构稳定(Houde等2004); 马铃薯Y2K-型脱水素LE4
在啤酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)中过表达后,
酵母的抗冻性和抗盐性增强(Zhang等 2000); 大肠
杆菌(Escherichia coli)中过表达大豆脱水素ZLDE2
后其对NaCl的抗性增强(Lan等 2005)。这些结果
说明脱水素作为LEA蛋白中的一个大的家族, 在逆
境胁迫下呈现出多种生物学功能, 提高植物抗逆性
只是其中一个方面。
3.8 翻译后的磷酸化修饰 逆境条件下不仅需要相
关逆境蛋白的表达, 有时还需要一些可迅速改变蛋
白质生化特性的翻译后修饰作用。
蛋白质磷酸化是脱水素转录后修饰的一种方
式。最早有关脱水素磷酸化的报道是玉米 RAB17
(YSK2型) (Vilardell等1990), S片段是受磷酸化的位
点, 紧接着 S片段的 EDD是蛋白激酶 II识别位点,
将EDD突变成AAA, 这样RAB17不容易被磷酸化,
结果在转基因拟南芥中, 其在细胞核中的比例大量
减少, 表明DHN1的磷酸化对其向核转运是关键的
一步, 它可能通过结合于特异的蛋白或直接向核转
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运(Jensen等 1998)。另外, RAB17与NLS (核定位
信号)的结合还依赖于 RAB17的磷酸化(Goday等
1994)。Riera等(2004)将RAB17和mRAB17 (EDD
突变成AAA)的转基因拟南芥种子在含100 mmol·L-1
NaCl的MS培养基上培养后, 转RAB17拟南芥的发
芽速率比转mRAB17基因和未转基因的拟南芥明
显推迟, 说明 RAB17的磷酸化对种子发芽率有作
用。在番茄植物体内TAS14是一种磷酸化的蛋白,
它含有酪氨酸蛋白激酶II (CKII)和依赖cAMP蛋白
激酶(cAMP-PK)的磷酸化位点, 体外实验证实, 此
蛋白可被 CKII和 cAMP-PK磷酸化, 番茄 TAS14
(YSK2) (Godoy等 1994)、垂头菊(Craterostigma
plantagineum) DSP16 (Lisse等 1996)、芹菜(Apium
graveolens) VCaB45 (Heyen等 2002)、拟南芥
ERD14 (SK2) (Alsheikh等2003)的磷酸化不参与它
们的核定位。ERD14和VcaB45的磷酸化还与它
们的结合钙离子有关(Alsheikh等 2003; Heyen等
2002)。Alsheikh等(2005)用蛋白激酶 CK2处理不
同类型的拟南芥脱水素后, 凡是具有S片段的脱水
素都能被磷酸化, 但不具有S片段的则不能被磷酸
化, 此外, 类型不同的脱水素磷酸化后它们的功能
功能可能不同。酸性脱水素磷酸化后能和阳离子
结合, 特别是 Ca2+, 而碱性和中性脱水素即使被磷
酸化也不具有离子结合能力。另外, 用碱性磷酸酶
处理磷酸化状态的脱水素后, 所有类型的脱水素都
失去离子结合能力, 这说明脱水素的离子结合能力
与磷酸化紧密相关, 脱水素的磷酸化对在细胞中行
使功能很重要(Alsheikh等 2005)。Mouillon等
(2008)用模拟细胞内部环境的方法发现磷酸化的拟
南芥脱水素 Lti29和 Cor47并不改变脱水素的构
象。此外, 磷酸化程度不同的同一种脱水素, 由于
所带电荷不同, 它们在蛋白电泳中的泳动速率也不
同, 根据这些结果可以判断脱水素蛋白的磷酸化程
度(Alsheikh等 2005)。
此外, 还有报道称, 从越橘中克隆的一种脱水
素基因编码K5型脱水素, 这种蛋白在翻译后也能被
糖基化修饰(Rorat 2006)。
4 结语
脱水素的研究已经有 20多年的历史, 但其功
能和作用机制的研究还处于推测阶段, 尚缺少直接
的实验证据。现有的证据表明, 脱落酸(ABA)、赤
霉素(GA)、水杨酸(SA)、茉莉酸甲酯(MeJA)、
伤害、紫外线、H 2O 2、重金属、光周期等都能
调控脱水素基因的表达 (Bae等 2009; Sun等 2006;
Welling等2004; Xu 等2008; Yamaguchi和 Shinozaki
1994; Zhang等 2006)。而有些脱水素可在正常生
长条件下在植物体内呈组成型的表达(Rodriguez等
2005; Rorat 等 2006), Nylander等(2001)认为, 脱水
素的这种组成型表达可能对正常生长条件下的植株
起到一种本底上的防护作用, 也可能是在胁迫应答
之前对植物体提供的一种早期保护。植物体拥有
一种复杂交错的信号转导系统, 脱水素基因的表达
存在依赖ABA途径和不依赖ABA途径, 低温、干
旱、高盐等逆境胁迫都可促进植物体内ABA含量
增加, 介导脱水素的表达; 有些脱水素的表达也有
独立的不依赖ABA途径(孙歆等 2005)。正常生长
条件下, 茄属脱水素DHN24只在茎、块茎和根中
表达, 而在叶中不表达; 低温处理后, 在块茎、转
运器官、茎尖部分表达增加; 干旱处理后, 表达只
在茎尖部分增加。这些结果表明脱水素DHN24的
表达在不受胁迫时受器官特异因子调控; 在冷适应
过程中, 受与冷信号有关的影响因子和器官特异因
子共同调控(Rorat等 2006)。所以, 在多种逆境胁
迫条件下, 脱水素基因表达模式的研究方向, 应该
以整个植物体为研究对象, 同时从器官特异因子和
各种环境因子进行综合分析, 这不仅可从分子水平
上对植物的抗逆境胁迫的部分机制作出阐明, 而且
还可为脱水素抗逆分子机制的系统研究建立基础。
许多在脱水素在逆境条件下大量表达, 环境恢
复到正常后又迅速消失。如在干旱条件下, 拟南芥
脱水素ERD10和ERD14的表达量可占胞内全部可
溶性蛋白的 4%, 如此高的表达量预示脱水素可能
在极端环境下起作用, 但逆境恢复后, 又如何呢？
最近的研究表明, 拟南芥脱水素 ERD10和 ERD14
具有高度无序的结构, 这种结构对多种蛋白酶敏感,
可以成为多种蛋白酶的底物(Kovacs等2008), 这是
不是脱水素降解的一种方式呢? 值得探讨。
过表达脱水素基因可提高转基因植株对逆境
胁迫的抗性, 但有时过表达单一脱水素基因的转基
因植物, 其抗性并没有明显提高, Puhakainen等
(2004)分别将拟南芥脱水素 RAB18、COR47和
LTI29、LTI30同时转入拟南芥后, 其转基因植株
植物生理学通讯 第 46卷 第 3期, 2010年 3月274
的抗低温能力明显增强, 其在冻害胁迫下的存活率
也提高。实际上, 表达脱水素基因的酵母或大肠杆
菌在高盐、渗透胁迫或低温逆境中抗性的增强是
有一定局限性的, 在啤酒酵母(Saccharomyces
cerevisiae)中过表达LEA2族蛋白LE4和LEA3族蛋
白HVA1后, 其对NaCl的抗性提高, 表达HVA1的
菌株同时对KCl的抗性也提高, 而LE4则没有这样
的效果(Zhang等 2000)。Lan等(2005)将大豆的
LEA1族PM11、LEA2族ZLDE-2、LEA3族PM30
转到大肠杆菌(Escherichia coli)后, 表达 PM11和
PM30的菌株其在 800 mmol·L-1 NaCl、700 mmol·L-1
KCl和4 ℃条件的生长延滞期更短, 而表达ZLDE2
的菌株只是在 800 mmol·L-1 NaCl条件下才有一定
的抗性。这些结果表明LEA3族蛋白可赋予转基因
的体系更强的抗逆性。更有趣的是, 在正常生长条
件下, 大肠杆菌中过表达拟南芥的LEA2族和LEA4
族蛋白后, 菌株的生长居然会受抑制(Campos等
2006), 其中机制也应该探讨。
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