全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (3): 225~233 225
收稿 2012-11-20　　修定 2013-02-06
资助 国家自然科学基金项目(31071337和31271633)。
* 通讯作者(E-mail: dqli@sdau.edu.cn; Tel: 0538-8249137)。
拟南芥AtMKK1结构特征和信号转导功能研究进展
蔡国华, 王丽, 潘教文, 孔祥培, 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
摘要: 促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)级联途径在动物、植物和酵母中是高度保守的信号转导模型。MAPK级联途径通过
“交谈”形成了复杂的信号传递网络, 将不同的细胞膜感受器与细胞应答联系起来, 响应生物和非生物胁迫, 并且在植物激
素信号和生长发育进程中起重要的作用。MAPK级联途径由三种逐级磷酸化的蛋白激酶即MAPKKK、MAPKK和MAPK
组成。AtMKK1是拟南芥MAPKK家族中的一员, 随着功能获得型突变体和功能缺失突变体的获得以及一些新型研究技术
的应用, AtMKK1研究取得重要进展, 是目前研究较为详细的MAPKK。
关键词: AtMKK1; MAPK级联途径; 信号转导; 胁迫响应
Research Progress of Structure Characteristics and Signal Transduction
Functions of AtMKK1 in Arabidopsis
CAI Guo-Hua, WANG Li, PAN Jiao-Wen, KONG Xiang-Pei, LI De-Quan*
State Key Laboratory of Crop Biology, College of Life Sciences, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018,
China
Abstract: Mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades are highly conserved signal transduction model
in animals, plants and yeast. MAPK cascades form the complex signal transmission network through the “cross-
talk” to connect diverse cell membrane receptors with cellular responses to response biotic and abiotic stresses,
and play a central role in the hormone signal, growth and development process. MAPK cascades are consisted
of MAPKKK, MAPKK and MAPK, through sequential phosphorylation. With the application of the loss-of-
function mutant, the gain-of-function mutant and some new research techniques, the research of AtMKK1 has
been made great progress and so far AtMKK1 has been comprehensively detailed as a member of MAPKK in
Arabidopsis thaliana.
Key words: AtMKK1; MAPK cascades; signal transduction; stress response
植物通过调节胞内代谢形成了精细复杂的信
号转导机制来适应多变的环境, 将外界信号转换
为胞内反应是通过一种典型的机制, 即促分裂原
活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,
MAPK)级联途径。促分裂原活化蛋白激酶级联途
径是真核生物细胞信号转导途径中高度保守的信
号组分,并由三种逐级磷酸化的蛋白激酶组成: 即
促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶 (MAPKKK/
MEKK)、促分裂原活化蛋白激酶激酶(MAPKK/
MEK)和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK/MPK)。
被上游质膜受体激酶激活的MAPKKK, 通过磷酸
化MAPKK VII-VIII亚域中保守的S/T-X3-5-S/T基序
将其激活。激活的MAPKK通过磷酸化MAPK位
于活化环(T-loop)中保守的T-X-Y基序的苏氨酸和
酪氨酸残基将其激活。活化的MAPKs磷酸化和激
活各种胞质或核底物, 包括其他激酶、转录因子
和细胞骨架结合蛋白等。这些MAPK底物在响应
刺激和调节多种重要胞内反应中起重要的作用。
MAPK活性的调节是通过专一的酪氨酸和丝苏氨
酸磷酸酶所介导。一个特异的MAPK级联途径的
形成和完整性是通过支架蛋白、共有对接域或锚
定蛋白所调节(Chen等2012; Kumar等2012; Sinha
等2011)。
MAPK级联途径在动物、植物和酵母中是保
守的信号转导模型, 参与多种信号转导。当植物
暴露在多种非生物和生物胁迫, 如低温、干旱、
高盐、机械损伤、渗透胁迫、活性氧胁迫及病原
菌侵染等时, MAPK被快速激活。拟南芥基因组分
植物生理学报226
析表明, 目前至少存在20个MAPKs、10个MAP-
KKs和80个MAPKKKs (Champion等2004)。
MAPK根据其编码蛋白序列T-X-Y基序的不同, 可
分为TEY和TDY类。TEY类根据系统发生关系进
而又划分为A、B、C三亚类; TDY类单独列为D亚
类,并且具有较长的C末端序列, 这一类植物MAP
激酶与哺乳动物和酵母的p38同源性较高, 包括拟
南芥中的AtMPK8、AtMPK9, 水稻中的BWMK1。
目前关于含TDY基序的MAPK功能研究主要集中
在水稻中的BWMK1 (Cheong等2003)。MAPKK根
据其蛋白序列相似性划分为A、B、C、D四个亚
族(Rodriguez等2010)。而80个MAPKKK根据其蛋
白催化结构域的差异性可将其分为3个主要亚组
分: MEKK类、RAF类和ZIK类(Rao等2010)。
MEKK类蛋白激酶主要有苜蓿中的OMTK1 (oxi-
dative stress-activated MAP triple-kinase 1) , 拟南芥
中的ANP1、ANP2、ANP3、YDA, 烟草中的NPK1
(nicotiana protein kinase 1) (Nakagami等2004; Lu-
kowitz等2004)。Raf类蛋白激酶主要有拟南芥中
的EDR1 (enhanced disease resistance 1)和CTR1
(constitutive triple response 1) (Frye等2001)。而
ZIK类与其他两类同源关系较远, 有研究报道拟南
芥中ZIK蛋白WNK1 (At3g04910) 参与调控昼夜节
律(Rao等2010; Murakami-Kojima等2002)。
MAPK级联途径通过相互“交谈(cross-talk)”
形成复杂的信号传递网络, 从而有效地传递各种
特异信号, 响应各种不同的生物和非生物胁迫, 进
而适应多变的外界环境。
作为一种模式植物, 拟南芥的研究较清楚。
随着拟南芥基因组测序的完成, 各MAPKK基因核
苷酸序列和蛋白结构研究更加清晰。本文通过对
拟南芥MAPK级联途径中“交谈” MAPKK水平中
的AtMKK1进行总结, 综述近些年来对AtMKK1的
研究成果, 以便更全面了解其结构特征和信号转
导功能。
1 拟南芥中的MAPKK
拟南芥基因组数据分析显示MAPKK的数量
是MAPK的一半, 这表明MAPKKs可能激活多种
MAPKs, 并且各种信号转导途径之间的“交谈”可
能集中在植物MAPKK这一水平。植物中的MAP-
KKs磷酸化位点的序列不同于哺乳动物激酶, 植物
MAPKKs含有保守的S/TXXXXXS/T, 哺乳动物相
应激酶含有S/TXXXS/T, 然而这种保守的序列在
拟南芥MKK10中不存在, 因为MKK10这个区域中
有3个氨基酸残基缺失(Cheong等2003)。根据序列
相似性, 拟南芥中MKKs分为A~D四个亚组: A亚组
MKK包括MKK1、MKK2和MKK6; B亚组到目前
为止只分离到MKK3, MKK3有一个编码核转移因
子(nuclear transfer factor, NTF)的延伸区, NTF域可
促进蛋白进入核内, 这表明含NTF域的MAPKK参
与蛋白在胞质与核之间的转移(Kumar等2008; Na-
kagami等2005; Rodriguez等2010); C亚组包括
MKK4和MKK5; D亚组包含MKK7、MKK8、
MKK9和MKK10, 其中C、D亚组中的MKKs基因
没有内含子。拟南芥MAPKKs的N端延伸区有一
个MAPK停泊位点, 即[K/R][K/R][K/R]x(1-6)[L/X]
[L/V/I] (Kumar等2008; Rodriguez等2010)。
研究表明拟南芥MKKs参与各种生物和非生
物胁迫响应(表1)。体外激酶实验和酵母双杂交实
验分析证实, 拟南芥中的MKK1和MKK2被认为是
MPK4的上游组分(Huang等2000)。拟南芥MKK2-
MPK4/MPK6级联途径可以被冷冻、盐胁迫和胁
迫诱导的MEKK1所激活, 并且MKK2过表达株系
表现出MPK4和MPK6组成型活性, 上调胁迫诱导
相关基因表达, 增强冷冻和高盐胁迫抗性(Teige等
2004)。据报道MKK1和MKK2在由MEKK1、
MPK4和MKS1调控的防御信号途径中功能重叠
(Qiu等2008)。研究表明, AtMKK9在非生物胁迫响
应中是一个负调控子(Alzwiy和Morris 2007), 在乙
烯和植物抗毒素生物合成途径中使多种基因上调
表达(Xu等2008)。AtMKK3参与茉莉酸介导的发
育信号调控(Takahashi等2007)。AtMKK7正调控
植物的基础和系统性获得抗性(systemic acquired
resistance, SAR) (Zhang等2007)。组成活化形式的
MKK4和MKK5可以激活MPK3和MPK6, 导致鞭
毛蛋白22诱导的受体类激酶(FLG22-induced recep-
tor-like kinase 1, FRK1)和转录因子WRKY22、
WRKY29的转录激活(Asai等2002), 同时MKK4和
MKK5在胚乳发育和气孔分化方面起作用。虽然
拟南芥中许多MKKs在MAPK信号模型中功能重
叠, 但各成员在生物和非生物胁迫、细胞分裂分
化、激素信号途径等方面均发挥作用。
蔡国华等: 拟南芥AtMKK1结构特征和信号转导功能研究进展 227
2 拟南芥AtMKK1的结构特征
AtMKK1基因位于拟南芥4号染色体上, 含有
8个外显子和7个内含子, 开放阅读框包含1 062个
核苷酸, 编码354个氨基酸, 涵盖蛋白激酶催化域
的11个保守亚域残基。预测的蛋白分子量为
39.147 kDa, pH为7.53。它与AtMKK2、AtMKK6
同属于A1亚组。AtMKK1的氨基酸序列的中心部
位(第1到第11亚域)与各种物种的类MEK1蛋白密
切相关。Bardwell和Thorner (1996)已证实MKKs
的N端存在11个氨基酸序列可作为特异的、高亲
和力的MAPK停泊位点。AtMKK1的氨基末端第
8~15个氨基酸(PNPICLPP)组成该序列基序, 因此
可能参与识别和与MAPK的结合。动物和酵母的
MAPKKs在其S/TXXXS/T保守基序中的丝氨酸或
丝苏氨酸残基被磷酸化而激活, 而在植物中如拟
南芥、烟草和玉米等分离的MAPKKs在相应的位
点有保守的序列S/TXXXXXS/T。AtMKK1有动物
和植物MAPKKs共有的保守序列, 即T218-X-S220-
X-X-X-S224, 这些丝氨酸和苏氨酸残基被上游的
蛋白激酶所磷酸化(Matsuoka等2002)。在动物中
首次鉴定出在MEK1、MEK2的IX-X亚域中存在
富含脯氨酸的序列, 这个序列可能参与同RAF的结
合, 并且该序列在一些其他MKKs中也存在, 但是
在AtMKK1、AtMKK2和烟草NPK2中不存在
(Morris等1997)。
相关文献报导AtMKK1的表达量在根中最高,
在花、幼叶和幼苗中较高, 但是在莲座叶和茎叶
中较低(Matsuoka等2002)。用DNAman 6.0软件和
TMHMM Server v.2.0软件分别对AtMKK1的疏水
性和跨膜区进行分析, 结果(图1和2)表明AtMKK1
蛋白不存在跨膜区, 说明不是跨膜蛋白, 很可能是
核蛋白或胞质蛋白。同时利用SWISS MODEL软
件对AtMKK1的三级结构进行了预测(图3)。
通过Blast程序, 从GenBank检测到与AtMKK1
同源性较近的一些不同植物(如烟草、水稻、玉
米、番茄、苹果和欧芹)中的MAPKK基因, 利用
DNAman 6.0软件, 对来自于不同MAPKK蛋白进行
分子聚类分析, 构建了MAPKK1蛋白的系统进化
树(图4)。据氨基酸序列相似性比对, 发现AtM-
KK1与MdMKK1相似度最高达到65.57%, 与AtM-
KK2、LeMKK1、PcMKK2、NtSIPKK1、OsM-
K K 1、Z m M E K 1和A t M K K 6相似度分别为
63.93%、63.66%、63.39%、63.11%、 58.74%、
52.04%和50.82%。
表1 拟南芥MKKs参与的各种响应
Table 1 List of MKKs involving in various responses in Arabidopsis
MKKs 信号 级联途径 参考文献
MKK1 冷、干旱、高盐、氧化胁迫、损伤、病原菌 MEKK1-MKK1-MPK4-MKS1/WRKY33; Xing等2008
MKK1-MPK6; Meszaros等2006
MKK1-MPK4
MKK2 冷、盐、茉莉酸、水杨酸、先天性免疫 MEKK1-MKK2-MPK4/MPK6; Teige等2004
MKK2-MPK4 Brader等2007
MKK3 病原菌、茉莉酸、衰老 MKK3-MPK1/2/7/14; Doczi等2007
MKK3-MPK6 Takahashi等2007
MKK4 过氧化氢、先天性免疫、气孔发育 MEKK1-MKK4/5-MPK3/6; Asai等2002
YODA-MKK4/5-MPK3/6 Wang等2007
MKK5 过氧化氢、先天性免疫、气孔发育 MEKK1-MKK4/5-MPK3/6; Asai等2002
YODA-MKK4/5-MPK3/6 Wang等2007
MKK6 侧根形成 MKK6-MPK13 Zeng等2011
MKK7 假单胞杆菌、霜霉菌生长素极性运输 MKK7-MPK2/MPK12/MPK15 Zhang等2007
Mou等2002
MKK9 盐、乙烯、植保素合成、衰老 MKK9-MPK3/6 Alzwiy和Morris 2007
Xu等2008
Yoo等2008
Zhou等2009

植物生理学报228
图1 AtMKK1疏水性的分析
Fig.1 Hydrophobicity plot analysis of the predicated polypeptide of AtMKK1
图2 AtMKK1跨膜区分析
Fig.2 Transmembrane domain analysis of AtMKK1
图3 AtMKK1三级结构分析
Fig.3 Tertiary structure analysis of AtMKK1
3 AtMKK1参与的信号转导
植物暴露在多变的外界环境, 经常受到各种
图4 AtMKK1与其他MAPKKs的系统遗传树
Fig.4 Phylogenetic relationships of AtMKK1
and other MAPKKs
非生物、生物以及病原菌的侵袭, 为了适应其生
活环境, 植物在长期进化过程中形成了完整的信
号转导机制。目前, 已经从植物中发现多个MAPK
蔡国华等: 拟南芥AtMKK1结构特征和信号转导功能研究进展 229
及其级联途径, 通过感应外界刺激, 将信号放大、
传递、转换, 引起一系列生理生化反应以响应这
些刺激。
3.1 AtMKK1参与非生物胁迫信号转导
非生物胁迫包括温度(高温和低温)、盐分、
干旱、臭氧、紫外线和渗透胁迫等。植物体内有
特殊的机制可应对这些非生物胁迫。例如, 植物
可以合成与抵御胁迫有关的激素如脱落酸(abscisic
acid, ABA)。ABA可触发第二响应以及特殊基因
的表达, 进而提高植物对非生物胁迫的耐性。
Ichimura等(1998)和Mizoguchi等(1998)利用酵
母双杂交技术鉴定出植物中第一条完整的MAPK
级联途径: AtMEKK1-AtMEK1-AtMPK4, 并证明其
能传递干旱和机械损伤信号。并且Hadiarto等
(2006)又证明AtMEKK1能与下游的MKK1和
MKK2相互作用, 并更倾向于MKK1, 且这种互作
只出现在损伤处理早期。此外, Huang等(2000)在
体外实验同样证实了AtMKK1可以通过磷酸化At-
MPK4的苏氨酸残基而将其激活。
Matsuoka等(2002)等利用免疫沉淀和免疫印
迹法研究了拟南芥幼苗中AtMKK1在各种胁迫刺
激如损伤、冷、干旱和高盐下的磷酸化活性。研
究表明, AtMKK1的磷酸化活性可以被这些刺激诱
导增强, 但AtMKK1蛋白表达水平并没有显著改
变。在这些胁迫下, AtMKK1活性随时间的延长而
变化。在机械损伤幼苗中, AtMKK1的活性快速、
短暂地增强; 在冷害处理下, AtMKK1的活性是持
续增强; 当拟南芥幼苗暴露在干旱条件下, AtM-
KK1的活性在30 min就达到最大程度 ; 用300
mmol·L-1的NaCl处理拟南芥幼苗, AtMKK1的活性
逐渐增强并且在2 h达最大水平。这表明, AtM-
KK1在非生物胁迫中的作用是通过翻译后修饰水
平实现的, 而并非通过诱导蛋白表达实现的。
Xing等(2007)用Northern方法检测到Atmkk1突
变体植株中由干旱和高盐胁迫激活的CAT1的表达
受到抑制, 而CAT2、CAT3的表达几乎没有明显变
化。MAPKK的特异性抑制剂PD98059能抑制干
旱、高盐胁迫调节的CAT1表达, 而对CAT2和CAT3
的表达没有影响。这些结果证实了AtMKK1参与
干旱和盐分诱导的CAT1信号转导途径, 不参与
CAT2和CAT3的信号转导途径。同时, 在干旱处理
下, 90%的Atmkk1突变体植株死亡, 高于70%的At-
MKK1超表达植株仍然存活; 同样在高盐胁迫下,
AtMKK1超表达植株种子萌发率高于90%, Atmkk1
突变体种子萌发率仅20%。AtMKK1超表达植株
种子在干旱和高盐胁迫下的萌发率显著高于Atm-
kk1突变体植株种子。这表明AtMKK1在干旱和高
盐胁迫中起重要的作用。此外, Teige等(2004)通过
体外激酶实验证实一种b-葡聚糖海带多糖可以激
活AtMKK1。
3.2 AtMKK1参与生物胁迫信号转导
AtMKK1参与的生物胁迫响应主要是由病原
菌引起的先天性免疫反应。MAPK级联途径在调
节植物先天免疫反应中发挥着重要作用。植物通
过病原体相关分子模式(pathogen associated molec-
ular pattern, PAMP)和对种族特异病原因子的识别
感应病原菌, 从而产生防御机制。Flg22是来源于
细菌鞭毛蛋白由一个保守的22个氨基酸组成的片
段, Pep13是一个来源于大豆疫霉菌42 kDa糖蛋白
的由13个氨基酸组成的寡肽, 以及真菌蛋白中一
个22 kDa的木聚糖, 它们在各种植物中作为病原菌
相关分子模式, 诱导广泛的病原体相关反应(Boller
2005)。Flg22的受体是FLS2, FLS2携带受体激酶
的特征: 一个预测信号肽、一个胞外高度保守的
富含亮氨酸的受体激酶域(leucine-rich repeat re-
ceptor kinase, LRR-RK)、一个跨膜域和一个胞内
丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶域(Chinchilla等2006; Sun
等2006)。据相关报道, 诱导的FLS2和brassinoster-
oid insensitive 1-associted kinase (BAK1)的复合物
可触发MAPK级联途径(Chinchilla等2007)。
最近研究报道, 外源AtMKK1可被flg22诱导
而激活, 并且确定MPK4是MKK1作用的最适底
物。在flg22诱导后, 功能缺失突变体的Atmkk1植
株中MPK4和其他2个flg22诱导的MAPKs (MPK3
和MPK6)活性被削弱 , WRKY22、WRKY40和
WRKY53的表达明显上调, 一些氧化胁迫相关基因
以及细胞壁相关基因的表达显著上调, 而3个鞭毛
蛋白抑制的生长素响应基因表达显著下调, 这表
明AtMKK1负调控鞭毛蛋白响应基因的表达。功
能缺失突变体的mkk1植株表现出对有毒和无毒的
假单胞杆菌缺乏抵抗力(Meszaros等2006)。
Ichimura等(1998)通过酵母双杂交实验在拟南
植物生理学报230
芥中证实了一条体外互作的信号通路: MEKK1-
MKK1/MKK2-MPK4。Gao等(2008)用双分子荧光
互补实验(bimolecular fluorescence complementa-
tion, BiFC)在体内证实MEKK1与MKK1/MKK2在
质膜发生互作, MKK1/MKK2与MPK4在质膜和核
内都发生了互作。这表明MEKK1感应上游信号起
初发生在质膜, 随后通过下游激酶MKK1/MKK2和
MPK4转移到核内。功能缺失的mekk1、mkk1/
mkk2、mpk4突变体植株表现出自发的细胞死亡、
病原菌相关基因的组成型表达以及对病原菌抵抗
响应。此外, 被flg22激活的MPK4在mkk1/mkk2双
突变体中活性受到削弱。研究还表明, MPK4的下
游底物是MKS1和转录因子WRKY33, MPK4与具
有完整N末端的MKS1、WRKY33相互作用形成三
元复合物, 进而通过PR1基因的表达,水杨酸的积
累等来抵抗病原菌。综上所述拟南芥中存在
MAPK级联途径MEKK1-MKK1/MKK2-MPK4-
MKS1/WRKY33, 负调控植物的先天性免疫反应
(Andreasson和Ellis 2011; Qiu等2008; Rasmussen等
2012)。
近期Kong等(2012)报道证实拟南芥MEKK1-
MKK1/MKK2-MPK4负调控免疫反应的另一机
制。拟南芥SUMM1编码MEKK2, 酵母双杂和免疫
共沉淀证明了MEKK2的N端与MPK4发生互作,
MEKK1-MKK1/MKK2-MPK4级联途径负调控
MEKK2, 但MEKK2作为SUMM2介导植物先天
性免疫的正调节子, 在细胞死亡和防御响应中起
作用。
3.3 AtMKK1参与活性氧信号转导
活性氧(ROS)信号在植物各种生理反应中扮
演重要角色, 包括病原体防御和气孔开闭(Li等
2011)。另一方面, ROS产生过剩对植物的正常生
长发育是有害的, 这表明植物保持一个适宜的氧
化还原平衡状态是必需的。
据报道, 胁迫、SA、ROS以及MAPK级联途
径是紧密联系的(Pitzschke和Hirt 2009; Nakagami
等2006)。Pitzschke等(2009)证实由拟南芥中
MEKK1和MPK4组成的MAPK通路可维持ROS的
稳态。性状和分子分析揭示AtMKK1和AtMKK2
也是这个通路的成员, 调节ROS和SA的积累。基
因表达分析表明32个转录因子对由ROS引起的反
应有强烈的响应, 其中20个转录因子主要通过At-
MEKK1-MKK1/MKK2-MPK4通路被调控。总之,
MAPK级联途径在由ROS和SA触发的胁迫信号中
有重要作用。
真菌激发子Pep13、细菌激发子以及一些非
生物胁迫都能够诱导植株产生ROS并激活MAPK,
而MAPK的激活反过来可以调节ROS的积累, 这样
形成一个反馈环。但MAPK调节ROS的产量与ROS
调控MAPK活性的机制有待进一步探究。
在氧化防御体系中, 过氧化氢酶是一种有效
的H2O2清除剂, 在保护细胞免受氧化胁迫及控制
细胞内活性氧浓度中起重要作用。Teige等(2004)
通过激酶实验证实H2O2可以激活AtMKK1。
3.4 AtMKK1参与ABA的信号转导
ABA不仅是一种逆境激素, 在植物抗旱、抗
寒、抗盐中具有重要作用, 还可以调节植物的生
长发育进程, 促进种子内蛋白质和脂类的合成, 引
起气孔关闭, 促进种子休眠, 抑制种子萌发及萌发
后再生长, 抑制植物由营养生长向生殖生长的转
变, 而且ABA还是一种重要信号分子, 将外界不良
的环境刺激转化为细胞可识别信号, 诱导胁迫相
关基因的表达, 引发相应的生理响应, 以对抗不良
反应(Hirayama和Shinozaki 2007; Ding等2008; Liu
2012)。ABA已被证明作为一个调节许多胁迫响应
的信号, 在触发H2O2的产生中起作用(Li等2011)。
Xing等(2008)发现拟南芥中MKK1-MPK6信
号通路参与ABA调控的CAT1表达以及H2O2产生。
MAPKK的抑制剂PD98059能抑制ABA介导的
CAT1表达。CAT1表达在mkk1突变体中被抑制, 而
在MKK1过表达植株中显著增强, 并且H2O2的产量
也增多。这表明ABA诱导的CAT1表达是受MAPK
级联途径调节的, 即MKK1-MPK6-H2O2。H2O2作
为这个MAPK通路的信号成分, 在逆境中起重要的
作用, 并且CAT1在胁迫响应中的功能不仅仅是
ROS清除剂 , 而且在H2O2信号中起反馈调节作
用。与CAT1相对, CAT2的表达似乎受MEKK1和
MPK4的调节, 它们协同参与植物防御和SA积累
(Li等2011)。
Xing等(2009)发现拟南芥MKK1-MPK6通路
参与ABA诱导的种子萌发。ABA处理后, 野生型
拟南芥种子的萌发严重受到抑制 , 而m k k 1、
mpk6、mkk1/mpk6突变体植株表现出对ABA强烈
的抗性, 相反, MKK1和MPK6过表达植株表现出对
蔡国华等: 拟南芥AtMKK1结构特征和信号转导功能研究进展 231
ABA超敏感。同时研究了AtMKK1-AtMPK6通路
在种子萌发后的发育(如主根的长度和幼苗的鲜
重)对ABA的响应, 得出相似的结果。
据报道, H2O2可以作为调控ABA诱导气孔关
闭的第二信使(Pei等2000; Schroeder等2001)。
Xing等(2007)发现在AtMKK1能够调节保卫细胞
中ABA引发的H2O2的产生。由此进一步证实AtM-
KK1参与ABA诱导的气孔关闭。
3.5 AtMKK1参与糖信号转导
研究报道, ABA和葡萄糖是控制种子萌发和
早期幼苗发育的重要因子(Rolland等2002), 葡萄糖
相关的信号转导途径与ABA信号在多种生命进程
中特别是种子萌发时功能重叠(Gibson 2005), 而且
ABA和糖信号经常以一种难以理解的方式相互作
用, 例如, 糖能够抑制拟南芥种子的萌发, 然而有
证据表明, 施加外源糖能够缓解ABA对种子萌发
的抑制效应(Dekkers等2004; Price等2003)。
Xing等(2009)提出AtMKK1-AtMPK6信号可
能在糖信号调控的种子萌发中起重要作用, 用葡
萄糖处理拟南芥野生型、mkk1、mpk6、mkk1/
mpk6突变体、MKK1-OE、MPK6-OE过表达植株,
发现在种子萌发中功能缺失的mkk1、mpk6、
mkk1/mpk6突变体表现出对葡萄糖不敏感, 相反,
AtMKK1和AtMPK6超表达植株表现出对葡萄糖
过敏。Xing等为了排除葡萄糖的渗透效应对种子
萌发抑制的影响 , 用甘露醇处理排除了这一假
想。这说明葡萄糖对种子萌发的抑制效应是通过
一条特异的葡萄糖信号通路。相比单突变体, 双
突变体mkk1/mpk6表现出对葡萄糖及葡萄糖诱导
的基因表达更加不敏感。这意味着AtMPK6可能
不是AtMKK1参与种子萌发葡萄糖信号途径的唯
一底物。与这一假设一致的是, 有报道AtMPK3参
与种子萌发的调控(Laloi等2004)。但是AtMKK1
与下游MAPKs相互作用的机制有待进一步研究。
同时Xing等(2009)研究了AtMKK1-AtMPK6通路
在种子萌发后的发育中(如主根的长度和幼苗的鲜
重)对葡萄糖的响应, 并进一步研究了葡萄糖抑制
种子萌发的机制是葡萄糖能够正调控一些基因(如
NCED3和ABA2)的表达, 进而诱导ABA的合成。
3.6 AtMKK1参与种子萌发
据相关文献报道, 在拟南芥中ABA调节的种
子休眠后再萌发或者需要后熟过程或者需要冷层
积(Bewley 1997)。Xing等(2009)通过用功能缺失
型拟南芥mkk1、mpk6、mkk1/mpk6突变体植株探
讨了层积对种子萌发的影响, 发现未经过层化处
理, mkk1/mpk6拟南芥突变体植株种子相比野生型
种子有相当高的萌发率。层积处理显著促进了野
生型种子的萌发, 后熟过程同样显著地促进了野
生型种子的萌发。这表明后熟和层化过程对于拟
南芥mkk1、mpk6、mkk1/mpk6突变体种子萌发并
不是必须的, 然而后熟和层积是限制野生型植株
种子萌发的重要因素。
4 结语
据报道, 许多MAPK信号模型功能重叠(Ku-
mar等2012)。植物MAPK级联途径基因模型清楚
地表明, 相比其他MAPK成员, 植物利用相对较少
数目的MAPKKs参与信号转导。拟南芥和水稻中
MAPKKs的数目仅是MAPKs的一半。这些研究表
明, 同一MAPKK可能在许多MAPK模型中起作
用。MAPKKs可能就是信号聚集的“焦点”, 因为
在某些信号刺激下, 它们能够激活多个MAPKs。
这说明作为MAPK级联途径中心成分的MAPKKs
在从MAPKKKs向多种MAPKs传递信号途径中的
重要性。
利用遗传分析和蛋白磷酸化及蛋白互作方法
研究表明, 植物MAPKKs中相关联的成员有相似
的功能和靶底物。例如, 拟南芥中A亚族的AtM-
KK1与AtMKK2可以激活AtMPK4, 共同参与病原
菌引发的先天性免疫反应(Qiu等2008)。
随着MAPK基因的分离和鉴定, MAPK级联途
径在信号转导中的作用研究不断深入, 为探究植
物对逆境胁迫的响应和生长发育的分子机制提供
了新的方向。MAPK级联途径参与的信号转导途
径之间往往相互“交谈”构成了复杂的信号网络, 然
而细胞如何调控各种信号转导的特异性, 其机理
有待进一步阐明。随着研究技术的不断发展和逐
步成熟, 我们需要运用更加新颖的方法和策略, 如
病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing,
VIGS)、RNA干涉(RNA interference, RNAi)技术、
反向遗传学技术(reverse genetic approaches)、功能
缺失/获得型突变体等; 同时运用蛋白互作的方法,
如酵母双杂交、pull-down、免疫共沉淀、蛋白质
芯片、双分子荧光互补技术、结合转录组学数据
及蛋白组学方法、基因敲除和基因插入等进一步
植物生理学报232
分离鉴定MAPK级联途径的上游信号分子、作用
底物及调控因子, 检测蛋白质的定位情况及蛋白
质之间互作的发生部位等, 以便充分探明MAPK级
联途径的机理, 并阐明其潜在的信号转导机制。
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