全 文 ：广 西 植 物 Guihaia 25(3)：269—273 2005年 5月
钙调素及钙调素相关蛋白在植物
细胞中的研究进展
夏快飞1，2，梁承邺1 ，叶秀弊1
(1．中国科学院华南植物园，广东广州 510650；2．中山大学生物工程中心，广东广州 510275)
摘 要：植物对一系列生物和非生物刺激所产生的反应都与细胞内Caz+信号转导有关，而钙调索、钙调索相
关蛋白则是 CaZ+信号转导的下游靶蛋白。该文介绍了钙调索的结构及其在植物细胞中的分布，钙调素及钙
调索相关蛋白在植物细胞中的表达等方面的最近研究进展。
关键词：钙调素；钙调索相关蛋白；信号转导
中图分类号：Q943 文献标识码：A 文章编号：1000—3142(2005)03—0269—05
Study 0n calmodulin and calmodulin—
related proteins in plant cells
XIA Kuai—fei 一，LIANG Cheng—ye ，YE Xiu—lin
(1．South China Botanical Garden，the Chinese Academy of Sciences．Guangzhou 510650，China；
2．Biotechnology Research Center，Sun Yat—Sen University．Guangzhou 510275．China)
Abstract：Most reactions of plant cells to abiotic and biotic stimuli were thought to be related with Ca +signal
transduction．Calmodulin and calmodulin-related proteins were downstream target proteins of Ca + signal
transduction．This paper discussed the structure of calmodulin and its distribution in plant cels，especially its
latest progress．
Key words：calmodulin；calmodulin—related proteins；signal transduction
钙是高等植物中普遍存在的一种信号转导分
子，一些非生物刺激(如：光照、冷、热、运动、缺氧、干
旱等)和生物刺激(如：植物激素、抗原刺激等)所引
起的生理生化反应都被证明与 Ca。 信号转导有关
(Roberts等，1992；Poovaiah等，1993)。Ca 信号
的产生离不开另一种蛋白质一一Ca。 受体，CaM
(calmodulin)和 CaM 相关蛋 白是细胞 内主要 的
Ca。 受体，在Ca。 所介导的各种细胞反应过程中充
当中间媒介，细胞受到胞外或胞内刺激后，细胞质内
Ca。 或由胞内Ca 库(富含 Ca。 的细胞器一内质
网、线粒体、叶绿体、液泡等)释放，或由胞外进入而增
加，然后与其胞内受体CaM或 CaM相关蛋白等结
合，进一步通过与细胞内多种酶或蛋白质结合调节细
胞生理生化过程。CaM是 1967年美籍华人张槐耀在
研究细胞内cAMP的浓度变化中环腺苷酸磷酸二脂
酶(PDE)的调节作用时发现的。Krostinger建议命名
为(Calmodulin，CaM)，我国于 1987年正式被命名为
钙调素(顾永清，1994)。因此 CaM所介导的 Caz 信
号转导功能甚至远比cAMP广泛，且在生物学上有着
重要的意义。本文将重点论述植物中 CaM和 CaM
相关蛋白的最近研究进展。
1 CaM 的结构
CaM是一种小分子量单链可溶性球蛋白，分子
量约 16．7～16．8 kDa，有 4个 EF臂，能结合 4个
收稿日期：2004—04—13 修订 日期：2004—07—20
基金项目：中国科学院院长基金(20003269)；国家自然科学基金(30170061)资助。
作者简介：夏快飞(1 975一)．女．湖南常德人．博士后．主要从事植物化学与分子生物学方面的研究．E—mail：flyxia936@1 63．com
通讯作者．主要从事植物遗传学研究。
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Caz+，分别被称之为结合域 I、Ⅱ、Ⅲ、lV。EF臂是
由一个中央螺旋连结两个球状结构所形成的螺旋一
线一螺旋的结构，每两个 EF臂由一条长的可自由
伸展的a螺旋连结成一组(Raymond等，1998；Ani—
reddy等，2001)。CaM 在进化过程中具高度保守
性，所有哺乳动物的钙调素有 9O 的氨基酸序列相
似性，植物钙调素与脊椎动物和酵母的氨基酸序列
相似性分别为 91 和 84 ，与藻类的相似性为
84 ～100 。CaM具热稳定性、酸性(等电点 3．9
～ 4．3)，其中 i／3是带有侧链的谷氨酸和天冬氨酸，
具疏水性，结合Ca 后分子构象发生改变，由哑铃
状变为球状，其疏水区呈激活态，能与多种靶蛋白结
合，如 PDE等，改变靶蛋白的活性(Raymond等，
1998；Anireddy等，2001)。
2 CaM 在植物细胞 中的分布及
CaM 基因的表达
2．1 CaM在植物细胞中的分布
CaM广泛地分布于几乎所有已知的真核生物
中，但在不同组织、器官和原生质体中它的含量不
同，分布也不一样。细胞内 CaM 的水平最终是由胞
内Ca抖浓度控制的，胞内静息态 Ca抖浓度为 1O～7
mol／L，当胞内浓度高于 10 mol／L时，Ca抖则结合
CaM。Ling等(1992)用光密度测定法和酶活性试
验检测了Wcia faba不同器官、组织和原生质体中
CaM 的含量。发现保卫细胞、表皮、胚轴中CaM 的
浓度为 1～2／~mol／L，细胞质内总 CaM 浓度约为 5
～ 2O~mol／L，Fisher等(1996)检测胡萝 卜细胞悬
浮液中CaM 含量相似。CaM 和 CaM mRNA在培
养细胞的分生群体和植物分生组织中分布最多。
如：在花粉管的萌发过程中，花粉管和柱头中 CaM
含量最高。大麦叶片的分生组织、顶端分生组织中
CaM mRNA的含量增加(Choi等，1996；Chye等，
1995)。CaM mRNA在雌蕊正在发育过程中的细
胞核和核仁中大量表达，特别是在核仁中的表达最
多。在成熟植 物细胞的细胞质和细胞核 中 CaM
mRNA的表达量一致，CaM 蛋白在细胞质中的表
达却高于细胞核中的表达(Ling等，1992；陈绍荣
等，1998；Ma等，1996)。杨军等(2002)用胶体金免
疫电镜技术观察了水稻受精前后胚囊中的钙调素的
分布变化。发现授粉后 ，卵细胞、助细胞和中央细胞
内的钙调素含量均有所增加，授粉到受精期间，钙调
素的主要分布形式由分散的单颗粒转变为聚集颗
粒，受精完成后再变为分散的单颗粒形式。李师瞍
等(1999)研究了烟草受精前后胚囊中CaM mRNA
和CaM的变化。发现在卵细胞与中央细胞之间，受
精后宿存助细胞与退化细胞之间，合子与胚乳细胞
之间，2一细胞原胚的顶细胞与基细胞均存在表达的
差异。成熟胚囊中的CaM mRNA主要分布在珠孔
极的卵器和合点端的反足细胞；中央细胞较少。在
受精前后 ，卵细胞和中央细胞之间出现富含 CaM 的
短暂性区带，而在授粉后到受精前卵器与极核之间
出现一条暂时的 CaM mRNA条带，受精后此条带
消失。受精后 CaM mRNA主要集中于伸长的合子
和原胚的合点端。在植物根冠和分生组织区域具有
专一性增加的 CaM 位点(杨军等，2002)。大麦叶片
的分生组织、顶端分生组织中 CaM mRNA的含量
增加(Takezawa等，1995；C 等，1995)。赵洁等
(1998)在研究小麦分离合子与幼胚的发育过程中发
现，在不同的胚期 CaM 分布不一样 ，较大的梨形期，
胚体较胚柄含量高，刚分化出胚芽鞘和胚芽时，基部
的CaM含量很高。
2．2植物中CaM 和 CaM相关蛋白基因的表达
研究者们已经从不同的植物中如：苹果(Watil·
lon等，1992)、拟兰芥(Chandra等，1994；Ito等，
1995)、马铃薯(Takezawa等，1995)、水稻(Choi等，
1996)、小麦(Yang等，1996)、藻类 (Zimmer等，
1988)、苜蓿(Barnetl等，1990)分离或克隆出CaM
基因。在所有的高等植物中的Cam序列中，编码区
域包括两个外切子，一个内含子。植物 Cam基因的
启动子富含AT区域，具有TATA结构模块。有的
学者提出“多个基因一一种蛋白”的假设用以解释不
同组织和器官具有不同Cam的特异表达。所有的
Cam基因的cDNA克隆编码了一段 148个氨基酸
多肽链 ，此多肽链具有高度保守性。对植物不同器
官中 CaM mRNA 的 检 测 (Takezawa等，1995；
Gawienowski等，1993)表 明在植 物 中存在 多种
Cam基因表达系统，CaM mRNA存在于各种不同
的组织中。为了适应水喷射、地下灌溉、风、触动、伤
流、黑暗等，拟兰芥至少启动了四个基因的表达，刺
激 30 rain后 CaM mRNA 水 平增加 了 100倍。
TCH(touch—induced)2，TCH3与 CaM 分别具有
44 和 7O 的氨基酸序列相似性。为了对触动
(touches)产生适应性，细胞内 Ca抖浓度立即暂时
地大量增加。CaM和其它一些CaM类似物结合增
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3期 夏快飞等：钙调素及钙调素相关蛋白在植物细胞中的研究进展 271
加了的 Ca¨ 激活产生细胞反应 (Janet等，1990)。
Yang等(1999)以马铃薯 cDNA为探针从水稻种至
少获得了四个 CaM 和 CaM 相关基因。Poovaiah
等(1999)研究报导，用酵母双杂交系统获得了编码
CCaMK(Calmodulin dependent protein kinase)的
cDNA克隆，其中LIEN一1与 CCaMK的磷酸化作用
位点具有高亲和性(Poovaiah，1999)。Cam一般存
在于细胞质中，但最近的研究发现在细胞核中也存
在 Cam。Sehuurink等(1996)用免疫荧光检测发现
在大麦糊粉原生质体细胞的细胞核中存有一定数量
的 Cam。他们发现不同的激素 GA和 ABA处理
后，糊粉层中CaM mRNA和 CaM蛋自在细胞质和
细胞核中CaM的含量没有明显的变化，证明激素处
理对 CaM 的分布没有明显的联系。有些研究者发
现生长素(Dolmetseh等，1997)，赤霉素(GA)(ho
等，1995；Schuurink等，1996)、光照 (Bowler等，
1994；Neuhaus等，1993)等能引起细胞核内Cam基
因表达的不同，在很多情况下刺激了 Cam基因的表
达，随即引起细胞内 Ca抖浓度的改变。外部刺激引
起细胞内Ca¨ 浓度的改变怎样导致了基因水平的
变化?在动物 Ca抖信号转导 中是通过转录因子
CREB(Enslen等，1994；Mattews等，1994)、ERK、
JNK、NFAT和NFkB(Dolmetsch等，1997)来改变
体内的基因表达模式。这些转录因子通过 CaM激
表 1 植物中钙调素相关蛋白及其基本功能
Table 1 CaM related proteins on plants and their basic functions
酶级联反应的磷酸化／去磷酸化作用和 CaM依赖蛋
白磷酸酶激活钙调神经酶。在植物中还没有这方面
的详细研究报导。Corneliusse(1994)报导了Vigna
radiata细胞内 Ca抖浓度的改变在转录水平影响了
CaM基因的表达。在Ca抖存在下CaM基本螺旋一
线一螺旋结构上的几个转录因子抑制了它与 DNA
的结合，且抑制了转录基因的表达。在植物中，Szy—
manski等(1996)报导了在花椰菜植物中存在 bZIP
转录因子TGA3和相关蛋白介导 CaM和 DNA一结
合蛋白之间的作用。Ca 增加了拟南芥中Cam3启
动子与CaM和DNA结合蛋白之间的结合。
3 CaM 相关蛋白
Ca抖一CaM信号途径要通过 CaM 相关蛋白来
实现。植物中CaM 由多个基因编码，不同器官、不
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同细胞有不同的表达形式。同时不同的 CaM 异构
体与不同的靶蛋白结合(Antosiewicz等，l995；Xing
等，l997)。Ca。 与 CaM 的结合引起异构体的改变
暴露出疏水区域后与靶蛋白结合(Sinclair等，l996；
Lu等，l996)，由于靶蛋白、CaM表达形式的不同等
产生了体内Ca抖信号途径的多样性。这些靶蛋白
可分为：(1)蛋白酶类；(2)钙泵；(3)核作用因子。那
么分离和确定真核生物中CaM结合蛋白(Calmod—
ulin—binding proteins，CBPs)对于理解 Ca“一CaM
介导的信号转导无疑具有重大的意义。CPBs的
CaM结合区域不具保守性，Berridge(1987)、Colins
等(1990)主要运用蛋白质一蛋白质的相互作用生物
化学和分子生物学的方法确定 CBPs，用此方法已确
定了很多与植物形态建成，细胞分裂，细胞延长，离
子运输，基因调控，细胞骨架形成，胞质环流，花粉管
伸长和胁迫诱导有关的一些 CBPs。已获得的CBPs
及这些蛋白的基本特征、功能见表 l。
4 结束语
植物钙调素和钙调素相关蛋白是由多个基因家
族编码的，在植物细胞内有不同的时空表达，它的多
样性是Ca“一CaM信号转导多样性的基础(Roberts
等，l992；Raymongd等，l998)。因此对 caM 及
CaM相关蛋白在细胞内的分布、三维结构、基因分
离、与 Ca 结合的方式、CaM及其相关蛋白的分离
以及CaM的生理功能等一直是科学家们研究的热
点，也是了解 Ca CaM信号转导的基础。CaM 本
身不具有酶的活性，它必须与 Ca抖及 CaM相关蛋
白结合后才具酶活性功能(Raymongd等，l998)，因
此 Ca抖一CaM信号转导的差异性主要依赖于它的靶
蛋白，分离出更多的靶蛋白仍将是今后的研究热点
之一。了解 CaM 在亚细胞中的分布对 CaM功能的
研究有重要作用，需要借助形态学、遗传学、分子生
物学等多方面的研究手段对CaM的时空分布进行
研究，以更好地掌握 CaM 所介导信号转导的作用。
另外 CaM与不同靶蛋白的作用模式以及CaM家族
的庞大功能等有待进行更深入的探讨研究。
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244 广 西 植 物 25卷
休眠期，待这种抑制作用消除后 ，种子才能萌发。种
胚的离体培养不仅可以打破种子的休眠和缩短育种
周期，而且还可以解决远缘杂种胚不能正常发育的
难题，所以本实验结果也为将来圆瓣姜花的新品种
培育奠定了一定的基础。
通常认为细胞分裂素与生长素的比例决定外植
体的分化再生的方向，较高的细胞分裂素与生长素
的比例将诱导外植体分化芽(Skoog等，1957)。在
本试验中，细胞分裂素 6一BA与生长素 NAA的比例
较高时确实可以大大提高丛生芽的增殖系数，但它
们的比例也不宜过高，如果这种比例过高，反而会抑
制丛芽的增殖，以 6一BA 4．0 mg·L-。+NAA 0．2
mg·L 效果最佳；在试管苗诱导生根方面已有文
献报道，1／2MS培养基对试管植物的长根具有促进
作用(谭文澄等，1991)，在本实验中采用 1／2Ms培
养基附加 0．5 mg·L。IBA在诱导生根时也取得了
很好的效果，生根率达 97．7 ；圆瓣姜花试管苗的
移栽基质适应性比较广，但以疏松透气，有机质含量
高的基质为佳，移栽 1个月后观察，植株叶色浓绿，
生长健壮，长势良好。
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