全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 3期，2009年 3月 209
植物钙结合蛋白
汪澈 *, 张立军, 樊金娟, 阮燕晔, 崔震海
沈阳农业大学生物科学技术学院, 沈阳 110161
Calcium-binding Proteins in Plants
WANG Che*, ZHANG Li-Jun, FAN Jin-Juan, RUAN Yan-Ye, CUI Zhen-Hai
Biological Science and Technology College, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China
提要: 本文介绍了植物钙调素蛋白(CaM)、类钙调神经素B亚基蛋白(CBL)、Ca2+依赖蛋白激酶(CDPK)和其他钙结合蛋白
的研究进展。
关键词: 植物钙结合蛋白; CaM; CBL; CDPK
收稿 2008-12-08 修定 2009-01-21
资助 国家自然科学基金( 3 0 8 0 0 0 5 4 )、辽宁省教育厅基金
(2008656)、植物生理与生物化学国家重点实验室开放
课题(PPB08 002)、沈阳农业大学青年基金(200 7)和沈
阳农业大学大学生创新设计(2 0 0 8 )。
* E-mail: wangwangche@163.com; Tel: 024-88487163
植物钙信号是指植物细胞通过胞内钙离子
(Ca2+)浓度水平发生瞬时、持续或者振荡变化对各
种刺激作出的反应。大量的研究结果已经证实, 几
乎所有胞外刺激都可以诱导植物Ca2+信号产生, 其
中包括光、触摸、重力、植物激素、各种生物
和非生物逆境等。因此, Ca2+信号几乎介导了植物
生长发育中的所有过程, 包括种子萌发、植株生
长、开花、结实、衰老、死亡以及对环境的适
应。可以说, Ca2+信号是植物生命活动中必不可少
的部分, 因此了解Ca2+信号整个转导途径是非常重
要的。钙结合蛋白是 Ca2+信号的受体。这些蛋白
通过构象改变和活性变化识别并传递特异的 Ca2+
信号至下游, 引起一系列的反应变化, 例如, 细胞形
态结构变化、磷酸化级联反应、基因表达调控
等。因此, 钙结合蛋白的研究是解读 Ca2+信号转
导途径的一个主要环节, 也是当今人们关注的热
点。高等植物中已鉴定出几类钙结合蛋白, 包括钙
调素蛋白(calmodulin, CaM)、类钙调神经素 B亚
基蛋白(calcineurin B-like, CBL)、Ca2+依赖蛋白激
酶(Ca2+-dependent protein kinases, CDPK)和其他钙
结合蛋白(图 1)。近年来, 随着科学技术的发展, 随
着植物Ca2+信号转导途径研究的不断深入, 发表了
许多有关植物钙结合蛋白的研究报道。本文介绍
了目前研究较为清楚的 CaM、CBL、CDPK和其
他钙结合蛋白的研究进展。
1 钙调素蛋白(CaM)
CaM是植物中最典型的 Ca2+受体蛋白之一。
CaM本身没有催化活性, 当植物受到光、重力、
机械胁迫、植物激素、干旱、盐害、冷害、热
激和生物胁迫等刺激后, 植物细胞内Ca2+水平增加,
CaM被激活。有催化活性的CaM引起一系列下游
反应, 进而参与许多细胞活动和生理反应(Trewavas
和 Knight 1994; Sanders等 1999; Reddy 2001;
Snedden和 Fromm 2001; Ihara-Ohori等 2007;
Popescu等 2007)。
1.1 CaM 的结构 CaM是一个分子量为 17 kDa的
小的酸性蛋白家族。植物体中CaM通常由多基因
家族编码, 许多植物种类中存在有多个CaM异型体
(Snedden和 Fromm 2001; White和 Broadley 2003)。
它们分布在植物细胞中的非原生质体、胞质、内
质网和核中(Rudd和 Franklin-Tong 1999, 2001;
Reddy 2001)。每个CaM蛋白的结构有 2个球形区
域, 每个球形区域有2个EF-手型结构(Reddy 2001;
Snedden和 Fromm 2001)。EF-手型结构主要起稳
定蛋白结构和与 Ca2+结合的作用。这种结合可以
确保在很小的Ca2+浓度变化范围内, 就可激活CaM
(Rudd和 Franklin-Tong 1999, 2001; Snedden和
Fromm 2001)。一旦 CaM被激活, 2个球形区域的
构象就会发生改变, 形成Ca2+与CaM的复合体。这
种复合体围绕在靶蛋白周围, 并且CaM的每个球形
专论与综述 Review
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蛋白的疏水面暴露在外, 增强与靶蛋白结合的高亲
和性, 从而与靶蛋白结合(Reddy 2001)。Ca2+-CaM
复合体可以作用于多个靶蛋白, 这主要取决于不同
种类的靶蛋白结合到Ca2+-CaM空间构象的可塑性
(Rudd和 Franklin-Tong 1999, 2001)。相反, 特定
靶蛋白也影响 CaM与 Ca2+结合的亲和力(Snedden
和 Fromm 2001)。总之, CaM结构的改变是行使
Ca 2+受体功能和有效传递 Ca 2+信号的基础。而
Ca2+-CaM复合体对不同靶蛋白亲和力的差异是传
递不同Ca2+信号所必需的(Snedden和Fromm 2001;
Lecourieux等 2006)。
1.2 CaM的作用底物及其生理功能 CaM可以与许
多蛋白互作, 其中包括: 谷氨酸脱羧酶、NAD (辅
酶 1 )激酶、乙二醛酶、微丝结合蛋白、生长素
诱导蛋白( Z m S A U R 1 )、乙烯下游调节蛋白
(NtER1)和Ca2+-ATPase等(White和Broadley 2003;
Lecourieux等 2006)。最近 Popescu等(2007)用基
因芯片技术发现, 拟南芥中 CaM靶蛋白的种类繁
多, 有转录因子、蛋白激酶、F-box蛋白、RNA
结合蛋白和一些未知蛋白。这些研究结果暗示
CaM在许多生理活动中起作用。
CaM传递许多环境信号的信息。例如, 在植
物受到外部和内在的机械刺激时, CaM受诱导, 并
参与植物形态建成(Trewavas和 Knight 1994;
Snedden和 Fromm 2001)。在光诱导植物形态建成
中, 拟南芥CaM7作为转录调节因子与光信号转录
因子 HY5互作影响苗期发育过程(Kushwaha等
2008)。在非生物逆境中, 冷、热、盐害等逆境
均能够诱导 CaM基因的表达(Snedden和 Fromm
2001; Lecourieux等 2006)。最近研究表明AtCaM9
通过ABA信号途径在拟南芥适应盐胁迫中起作用
(Magnan等 2008)。在生物逆境中, NO的产生是
植物防卫反应之一。有研究表明, CaM可作为真
菌侵入后诱导的Ca2+信号的受体, 并可诱导NO的
合成以及下游的超敏反应(HR), 说明CaM通过调控
NO的合成在植物适应生物逆境中起作用(Ma等
2008)。除此之外, CaM可通过诱导H2O2的积累参
与气孔运动(Chen等 2004), 调控微管骨架的重排
图 1 植物钙信号途径(Lecourieux等 2006, 部分内容有所修改)
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(Lecourieux等 2006), 通过与AtBI-1互作参与细胞
编程性死亡(Ihara-Ohori等 2007)。
在植物体中还存在一些钙调素类似蛋白(CaM-
like proteins)。这些蛋白有 1~6个EF-手型结构, 并
且与 C a M 有一定的同源性(一般指小于 7 5 % )
(Snedden和 Fromm 2001)。拟南芥含有 CaBP-22、
TCH2、TCH3、AtCP1、NADPH 和氧化酶等
(White和Broadley 2003)。这些蛋白对不同的环境
刺激的植物生长发育中信号产生反应(Capiati等
2006; Lecourieux等 2006)。例如在风、雨、机
械刺激下, TCH基因在几分钟内的表达量可以增加
100倍(Snedden和 Fromm 2001)。拟南芥 CML24/
TCH2在机械、黑暗、热、冷、H2O2、ABA等
刺激中, 表达量明显增加(Delk等 2005)。
2 类钙调神经素B亚基蛋白(CBL)
CBL蛋白是近年来从植物中分离和鉴定的一
类新的 Ca2+信号受体蛋白。它在结构和功能上与
动物中的钙调神经素B亚基(CNB)以及中枢神经钙
受体(NCS)类似, 因此命名为类钙调神经素 B亚基
蛋白(Liu和 Zhu 1998; Rudd和 Franklin-Tong
1999)。迄今在拟南芥和水稻中各鉴定出 10 个
CBLs, 并对它们的结构、靶蛋白以及生理功能进
行了相关的研究(Kolukisaoglu等 2004)。
2.1 CBL 的结构 CBL是分子量在 23.5~26 kDa多
基因编码的蛋白家族。不同CBL家族成员的组织
和细胞定位不同。例如, CBL1定位于质膜, 在整
个发育阶段都有表达, 幼苗根中表达较强, 主要集
中在根尖生长区的微管组织, 在成熟叶、花、果
荚及花药中也均有表达(Cheong等 2003)。水稻中
O s C B L 2 定位在糊粉层储存细胞的液泡膜上,
OsCBL4定位在质膜上(Hwang等2005)。CBL家族
成员在结构上相当保守, 一般含有 4个 EF-手型结
构(Kolukisaoglu等 2004)。其中 CBL2蛋白的 EF-
手型区中有两对致密的 α-螺旋结构, 除了局部结
构有明显不同之外, 整个拓扑结构与 CNB和NCS
结构类似。每个 CBL2可以结合 2个 Ca2+, 这 2个
Ca2+分别结合在第一和第四EF-手型区, 第二和第
三 EF-手型区通过氢键维持一种开放结构(Nagae
等 2003)。CBL3和 CBL2之间的最大差异是在N-
端和 C-端的相对距离不同(Kolukisaoglu等 2004)。
CBL4主要是在第三和第四EF手型区结合Ca2+, 而
且结合 Ca2+后, 疏水基团即暴露在外(Kolukisaoglu
等 2004)。从整体来说, 不同的CBL家族成员具有
的 EF-手型序列有一定差异, 但是 EF-手型区的数
目及它们之间的空间距离相同。不同的CBL成员
具有不同的EF-手型序列意味着它与Ca2+结合的亲
和力的差异, 与 Ca2+结合的机制也可能不同。根
据EF-手型特征, CBL家族成员可以分为3类, 即含
有 2个典型 EF-手型区(CBL1, 9)、含有 1个典型
EF-手型区(CBL6, 7, 8)和不含典型 EF-手型区
(CBL2, 3, 4, 5) (Kolukisaoglu等2004; Lecourieux等
2006)。典型的EF-手型结构与Ca2+结合有密切关
系。例如, 由于CBL1具有 2个典型EF-手型区, 因
此它与 Ca2+结合的亲和力较高。而 CBL4因为没
有典型EF-手型区, 表现出明显低的与Ca2+结合的
亲和力。CBL1、CBL6和 CBL9的第三个 EF-手
型结构比较典型, 这个区域更加有利于与Ca2+结合
(Kolukisaoglu等 2004)。
2.2 CBL的作用底物及其生理功能 CBL的作用底
物蛋白一直是该领域研究的热点。已鉴定的靶蛋
白多为植物丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶 CIPKs (与
CBL-互作蛋白激酶, CBL-interacting protein kinases)
(Waadt等 2008)。在拟南芥中人们已经发现 25个
C IPK 基因, 水稻中发现 3 0 个基因编码 C IP K
(Albrecht等 2001; Kolukisaoglu等 2004)。有实验
证实, 一个CBL家族成员可以和多个CIPKs相互作
用。例如 CBL1可以和 CIPK1、7、8、17、18、
24作用, CBL3 与 CIPK1、2、3、6、9、12、
15、21均可相互作用(Lecourieux等 2006)。相反,
一个 CIPK也可以与多个 CBLs互作。这种 CIPKs
和CBLs的普遍联系可能是信号传递之间的相互交
流的需要。而 CIPKs与 CBLs优先结合的对象是
为了特定信号的传递。
CBL参与了许多环境诱导信号和植物生长发
育的调节过程, 这包括冷、干旱、盐害、伤害、
营养缺乏、植物激素等(Kolukisaoglu等2004; Yang
等 2008)。例如, CBL1基因可受干旱、寒冷和盐
害的诱导。CBL1蛋白对ABA并不响应, 但受光诱
导(Albrecht等2003; Cheong等2003; Harter和Kudla
2 0 0 3 )。C B L 9 受盐害、干旱和 A B A 的诱导
(Lecourieux等 2006)。水稻中的 10个OsCBL基因,
在不同的逆境条件下, 受诱导的程度不同, 并且表
现出组织特异性, 其中OsCBL8转基因植物表现出
明显的抵抗盐胁迫的能力(Gu等 2008)。拟南芥
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CBL10可与SOS2/CIPK24互作, 在适应盐胁迫过程
中起到作用(Kim等 2007)。
在CBL生理功能的研究中, 较为深入的研究结
果是 SOS (salt overly sensitive)信号转导途径和植
物K+的吸收途径。SOS途径是介导细胞内离子平
衡的主要途径, 主要包括 SOS1、SOS2和 SOS3成
员。SOS1蛋白是质膜上Na+/H+逆向转运因子, 其
功能是将细胞内的Na+与胞外的H+逆向交换, 从而
减轻胞内Na+过多对植物的伤害。SOS2编码一个
446氨基酸的丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶, 属于CIPK
家族中的 CIPK24成员。SOS3蛋白为 Ca2+信号受
体, 为CBL家族中的CBL4成员。植物受到盐胁迫
后, 其内产生Ca2+信号, SOS3/CBL4接受Ca2+信号,
并且与SOS2/CIPK24蛋白激酶互作, 激活SOS2, 从
而对 SOS1进行正向调控(Liu和 Zhu 1998; Zhu
2002)。植物K+的吸收途径为: 在低K+条件下, 胞
内Ca2+浓度上升, Ca2+受体CBL1/CBL9感受该信号
后, 与 CIPK23相互作用, 形成 CBL1/9-CIPK23复
合体。CBL1/9-CIPK23复合体定位在质膜上, 磷酸
化K+通道蛋白AKT1, 激活AKT1, 从而调节植物
对K+的吸收(Xu等 2006)。
3 Ca2+依赖蛋白激酶(CDPK)
在Ca2+信号向下游传递的过程中, Ca2+信号可
以直接调控一些蛋白激酶, 此过程是Ca2+信号转导
中一条非常重要的途径。植物中的蛋白激酶可归
纳为 7类, 即钙依赖的蛋白激酶(CDPKs)、CDPK
相关的激酶(CRKA)、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶激
酶 ( P P C K s ) 、P E P 羧化酶激酶相关激酶
(PEPRKs)、钙调素依赖的蛋白激酶(CaMKs)、钙
和钙调素依赖的蛋白激酶(CCaMKs)和蔗糖 -非发
酵相关蛋白激酶(SnRKs) (Hrabak等 2003)。在这
个超级家族中, CDPKs是迄今研究最深入和最清楚
的成员。
3.1 CDPK 的结构 CDPKs是一个大的基因家族。
拟南芥中至少存在 34个 CDPK基因, 在水稻、玉
米、大豆和马铃薯中也发现了多基因家族编码
CDPK (Ludwig等2004; Lecourieux等2006)。CDPK
家族成员一般具有 4个典型的功能区。从N-端依
次为: 可变区、激酶区(或称催化区)、自我抑制
区(或称连接区)和类钙调素区(或称调控区) (Cheng
等 2002)。可变区是在催化区前端的一段引导序
列, 此段序列在不同的 CDPK中变化很大, 变化范
围在 25~200个氨基酸。目前还不清楚该区的生理
作用, 只是推测可能与CDPK在胞内定位有关。激
酶区由264~273个氨基酸残基组成, 具有典型的真
核生物丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶催化的保守序列,
有 12个高度保守的亚区。自我抑制区由 31个氨
基酸残基组成, 在各类功能区中最为保守, 富含碱
性氨基酸, 紧靠催化区, 并且以底物的形式与激酶
区结合, 从而起自我抑制的作用。类钙调素区是
CDPK与其他激酶区别的特有区域, 区内共有 4个
与Ca2+结合的EF-手型结构, 是CDPK作为Ca2+受
体的关键区域(Cheng等 2002)。
CDPK活性的调节主要依赖于激酶区、自我
抑制区和类钙调素区之间的相互作用(Cheng等
2002)。胞内Ca2+浓度是决定CDPK功能区之间互
作的主要因素, 从而调节 CDPK的活性。当胞内
Ca2+浓度较低的情况下, 激酶区和自我抑制区相结
合, 形成自我抑制, CDPK不具有或者具有很低的
活性。当胞内Ca2+浓度升高时, EF-手型区与Ca2+
结合后, 诱导类钙调素区与自我抑制区的结合, 从
而解除了自我抑制, 促进催化区与底物结合, 将信
号向下传递(Ludwig等 2004)。大部分 CDPK能够
在微摩尔水平的Ca2+浓度下被激活, 不同的CDPK
存在一定的差异。例如大豆中的 3种 CDPK的 K0.5
(达到CDPK酶活一半时候的Ca2+浓度)分别为0.06、
0.4和1.0 µmol·L-1。此外, 不同的底物也影响CDPK
被激活的 Ca2+浓度。这些研究表明, 当植物受到
外界刺激后, 即会引起不同的胞内Ca2+浓度的振荡
频率、幅度和持久性, 从而激活不同种类的CDPK,
并传递到不同的信号途径。除了Ca2+浓度对CDPK
活性有调节作用之外, 磷酸化与脱磷酸化、磷脂和
蛋白等都有一定的影响(Cheng等 2002; Ludwig等
2004)。
3.2 CDPK的作用底物及生理功能 迄今人们对植
物体内 CDPK底物的专一性的认识甚少。体外实
验证实, CDPK的底物广泛, 包括了细胞骨架、蛋
白酶、离子通道、水孔通道蛋白、NADPH氧化
酶以及碳氮代谢过程的酶类等(Whit和 Broadley
2003; Lecourieu等 2006; Kobayashi等 2007)。在植
物体内, CDPK的表达量可以被植物生长发育信号
和逆境刺激等诱导, 其中包括植物激素、蔗糖处
理、干旱、冷害、盐害刺激等(Rudd和 Franklin-
Tong 1999, 2001; Reddy 2001; Ludwig等 2004)。
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由此看来, 它们在植物生长发育、植物激素信号转
导、植物适应逆境中都起作用(Estruch等 1994;
Morello等2000; Chico等2002; Lanteri等2006; Zhu
等 2007)。
3.2.1 CDPK在植物生长发育过程中的作用 CDPK
参与光周期诱导成花过程, 参与白檀香胚胎发生、
种子发育和萌发过程, 也参与地钱的生殖组织发育
过程以及草莓、苹果和葡萄的果实发育过程(Rudd
和 Franklin-Tong 1999; Cheng等 2002; Lecourieux
等 2006)。此外, 马铃薯中 StCDPK mRNA的积累
和块茎发育的早期相关蛋白活性的增加有密切关
系, 暗示了StCDPK参与了马铃薯块茎的发育过程
( R a í c e s 等 2 0 0 1 )。在水稻种子发育过程中 ,
OsCDPK2表达水平先低后高, 且暗处中含量高, 与
光感受有关。OsCDPK11蛋白含量表现出先高后
低现象, 且不受光照的影响。OsCDPK2过表达植
物的种子发育早期受抑, 从而影响整个种子的发育
过程(Morello等 2000)。花粉管发育是植物生长发
育的一个重要过程。有研究证实, CDPK与此过程
有密切关系。例如, 玉米中的 CDPK在花粉管发
育后期特异地表达, 如将其反义寡聚核苷酸导入正
在生长的花粉管中, 则发现花粉管发育受抑, 说明
CDPK是花粉管生长所必需的(Estruch等 1994)。
花柱 S-RNase (S-糖蛋白)可影响花粉管生长, 有研
究表明烟草中S-RNase的磷酸化是通过NtCDPK完
成(Rudd和 Franklin-Tong 1999)。用荧光标记的方
法证实正在生长的花粉管顶端区表现出较高的
CDPK活性, 停止生长的花粉管中CDPK分布均匀
(Cheng等 2002)。
3.2.2 CDPK在植物激素信号转导中的作用 CDPK
表达量受赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)、油菜素内
酯(BR)、茉莉酸(JA)和细胞分裂素(CK)等植物激
素的影响(Rudd和 Franklin-Tong 2001; Ludwig等
2004)。有研究表明, GA、ABA和 CK处理均可
诱导烟草离体叶片中NtCDPK1的表达, 进而调节细
胞分裂和细胞分化(Lee等 2003)。以GA处理水稻
种子和以油菜素内酯处理水稻叶片均可增加CDPK
的活性(Rudd和 Franklin-Tong 2001)。JA处理马
铃薯后, 其茎和叶片中CDPK的活性受抑(Cheng等
2002)。GA可以诱导水稻中OsCDPK13的表达, 而
ABA和BR却抑制该蛋白的活性(Ludwig等2004)。
生长素类似物(IAA)可以诱导黄瓜中的CDPK活性,
从而影响黄瓜不定根的形成(Lanter i等 2006)。
ABA在种子萌发、植物生长和气孔运动中起作
用。Zhu等(2007)用外施ABA方法, 观察拟南芥种
子萌发、植物生长和气孔运动等过程时, 发现拟南
芥中CPK4和CPK11基因的突变体与野生型不同,
表现出对ABA诱导表型的抗性, CPK4和CPK11基
因过表达的植物则表现出敏感性。进一步研究证
实, CPK4和CPK11可磷酸化ABA转录因子ABF1
和ABF4。因此, 认为CPK4和CPK11参与ABA信
号转导途径。
3.2.3 CDPK 在植物逆境信号转导中的作用 逆境
胁迫是诱导 CDPK表达量的因素之一。高盐胁迫
可诱导拟南芥 AtCPK10和 AtCPK11的表达(Cheng
等 2002)。干旱可以诱导NtCDPK2和NtCDPK3的
表达(Romeis等 2001)。冷冻条件下, 水稻幼苗中
一个与膜结合的CDPK活性增强(White和Broadley
2003)。在苜蓿低温驯化过程中, 一种 CDPK的转
录产物水平上升, 而另一种 CDPK下降(Rudd和
Franklin-Tong 1999)。蔗糖处理烟草后, 一个与膜
结合的 CDPK含量增加(Cheng等 2002)。拟南芥
AtCPK10和AtCPK30在适应冷、旱、盐胁迫过
程中都起作用( L u d w i g 等 2 0 0 4 )。水稻中的
OsCDPK7过表达植株具有明显地抵抗冷、旱和盐
胁迫的能力(Lecourieux等 2006)。最近, Kobayashi
等(2007)发现马铃薯中的 StCDPK5通过磷酸化
NADPH氧化酶在调节 ROS途径中起作用, 暗示
CDPK在植物逆境信号的途径中是有作用的。在
病原微生物诱导植物细胞信号转导中, Ca2+信号是
早期的关键性反应。因此, CDPK作为Ca2+受体在
植物抗病反应中的作用越来越受到重视。有研究
证实, 真菌可以诱导马铃薯 LeCDPK1基因的表达
(Chico等 2002)。OsCDPK9在枯萎病侵染水稻幼
苗过程中表达增强(Saijo等 2000)。在基因对基因
的假说中, 番茄的抗病基因Cf9有抗番茄叶霉病无
毒基因 Avr9的能力。在烟草中转入 Cf9后, Avr9
可诱导一系列的防卫反应, Ca2+信号参与这些防卫
反应。并且在 Avr9处理后 5 min内 Cf9转基因烟
草中一个与膜结合的CDPK可从无活性状态转变成
激发态, 酶活性可提高 10~200倍。在病毒 -诱导
基因沉默体系, 可以使烟草中的 N t C D PK 2 和
NtCDPK3沉默, 从而减弱了超敏反应。因此认为
CDPK在烟草 Cf9/Avr9诱导的超敏反应中是必需
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的(Romeis等 2000, 2001)。这些研究说明, CDPK
在植物适应逆境过程中起非常关键的作用。
除了上述的生理作用之外, CDPK还参与植物
碳氮代谢、细胞骨架的动态变化、离子运输、通
道蛋白的调控、气孔运动、花休眠的解除等一系
列生理生化过程(Rudd和Franklin-Tong 1999; Cheng
等 2002; White和 Broadley 2003; Ludwig等 2004;
Pang等 2007)。
4 其他钙结合蛋白
有一些钙结合蛋白不具有EF-手型结构, 但会
有一个C2结构区(Lecourieux等 2006)。C2结构区
是 Ca2+-磷脂的结合位点。在动物中, 已经发现这
类蛋白在脂类代谢, 信号转导和跨膜运输中起到重
要作用。在植物中, copine (朋友)蛋白和磷脂酶D
(phospholipase D, PLD)属于此类钙结合蛋白
(Jambunathan等 2001; Wang 2002)。
4.1 copine 蛋白 Copine属于一个高度保守的蛋白
家族。在其N-末端有两个C2结构区, 可以被Ca2+
激活, C- 端主要是负责蛋白 - 蛋白互作的功能
(Lecourieux等 2006)。在植物中, 已经证实 copine
参与跨膜运输, 并且可以被逆境信号诱导表达。拟
南芥中的copine突变体(cpn1-1植物)与野生型相比,
可表现出异常的细胞死亡过程并且加速HR反应,
从而增强植物抗病性。有研究结果表明, CPN1可能
是一个植物抗病过程中的负调控因子(Jambunathan
等 2001)。也有研究认为, 病原菌的入侵可以加快
CPN1基因的表达, 而且其表达量增加后其对基因-
基因信号途径中的响应也增强。因此认为 CPN1
基因在植物抗病中有作用。所有与此相关的实验
表明, CPN1作为钙结合蛋白, 可能有传递特殊的
Ca2+信号的功能, 并且通过影响细胞死亡而阻止不
正常的防卫反应(Jambunathan和McNellis 2003)。
4.2 PLD 蛋白 在许多植物种类中, 已经克隆了
PLD基因(Wang 2002)。拟南芥中克隆了12个PLD
基因, 可划分为五类, 包括 PLDα (1,2,3,4)、PLDβ
(1,2)、PLDγ (1,2,3)、PLDδ和 PLDζ (1,2)。其
中主要的 PLDαs、PLDβs、PLDγs和 PLDδ成员
都具有一个C2结构区, 受胞内Ca2+浓度的调节。PLDs
可以水解质膜上的脂类, 产生磷脂酸(phosphatidic
acid, PA)。PLD和 PA可以对许多逆境包括盐胁
迫、干旱、伤害和病原菌等作出响应。例如, 植
物在干旱条件下, PLD受到 Ca2+信号的诱导, 其本
身和其产物 PA 通过调控蛋白激酶、细胞骨架、
ABA转录因子、ROS途径而影响气孔的运动, 促
使气孔关闭, 最终植物可以适应干旱环境(Wang
2002)。
此外, 膜联蛋白(annexin)也是一种钙结合蛋
白。它可以通过一种内联蛋白的折叠结构与 Ca2+
结合。膜联蛋白与Ca2+结合后, 即可促进质膜形成
Ca2+通道(Hofmann等2000)。人们在拟南芥中已经
发现了7个编码膜联蛋白的基因。它们在整个植物
中表达, 可能在膜融合和跨膜运输中起作用。在病
原菌侵入、冷驯和ABA响应等过程中, 也发现了
膜联蛋白传递特异的 Ca2+信号(Clark等 2001)。
5 结束语
众所周知, Ca2+作为第二信使参与植物的各种
生理活动。不同刺激信号由不同的 Ca2+信号转导
途径进行传递, 这个观点已得到广泛认同。因此,
在植物生命活动中, 到处存在着复杂的Ca2+信号网
络, 并起作用。在过去的二十几年中, 植物 Ca2+信
号的研究主要集中在 Ca2+是否参与某个信号转导
过程上, 而对Ca2+信号的专一性和下游机制研究则
较少。然而, 要了解复杂的 Ca2+信号网络必须弄
清楚不同 Ca2+信号之间的差异和下游反应。植物
钙结合蛋白作为Ca2+信号受体, 是第一个识别Ca2+
信号的物质。因此, 植物钙结合蛋白的研究对了解
Ca2+信号网络来说很重要。近几年来, 已经发现
CaM、CBL、CDPK等一些植物钙结合蛋白, 并对
其蛋白结构、作用底物以及生理功能进行了一定
的研究。尤其是一些比较深入的研究结果, 例如
CBL参与的SOS途径和植物K+吸收途径。这些研
究结果阐明了 Ca2+信号的产生、接受 Ca2+信号的
特异钙结合蛋白的种类、钙结合蛋白的下游底物
以及一系列的生理反应和最终产生的生理作用。
因而人们对植物 Ca2+信号网络有了进一步认识。
但在复杂的Ca2+信号中, 钙结合蛋白参与许多生理
活动, 因此还有更多的途径需要深入研究。尤其在
逆境胁迫下, 各种逆境信号均能够诱导钙结合蛋白
的表达, 但其表达量上升后, 作用于什么蛋白, 产生
什么生理反应, 起到什么生理作用都需要进行深入
研究。此外, 植物体中除了钙信号之外, 还存在许
多其他信号途径, 例如植物激素信号途径。虽然 2
种信号可相互交叉形成复杂的信号网络已经成为共
识, 并且也有研究表明钙结合蛋白可以通过激素信
植物生理学通讯 第 45卷 第 3期，2009年 3月 215
号途径起作用, 然而我们对这样的信号交叉网络的
认识还很少, 仍有待深入研究。
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