植物鈣信號系統(tǒng)的機(jī)制

鈣不僅是植物生長發(fā)育所必需的大量養(yǎng)分，也是影響多個(gè)生理過程的內(nèi)源性和外源性信號分子。鈣對植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和生理功能有重要作用,能維持細(xì)胞壁、細(xì)胞膜及膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性,參與胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和生長發(fā)育的調(diào)節(jié)過程,在細(xì)胞內(nèi)起第二信使作用。鈣作為植物細(xì)胞的第二信使,對環(huán)境信號和內(nèi)源激素信號等許多刺激有靈敏反應(yīng),觸摸、病原物侵染、植物激素、逆境(包括鹽脅迫、氧化脅迫、低溫、高溫和干旱等),均能引起胞內(nèi)Ca2+水平改變。Ca2+參與的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程一方面依靠濃度的振蕩傳遞信號,另一方面依靠其下游功能蛋白(如蛋白激酶/蛋白磷酸酶級聯(lián)系統(tǒng))放大信號。近年來,通過對擬南芥葉片保衛(wèi)細(xì)胞進(jìn)行研究,Han等在細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)鈣敏感受體(Ca2+sensingreceptor,CAS),并證實(shí)胞外Ca2+作為胞外信使可將胞外Ca2+變化與胞內(nèi)Ca2+特異性變化聯(lián)系起來,確定了Ca2+在植物中第一信使的位置。鄭海雷等在此研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并確定了擬南芥胞質(zhì)鈣離子周期性振蕩與鈣受體-三磷酸肌醇途徑相偶聯(lián)。從而進(jìn)一步證實(shí)了胞外Ca2+作為第一信使的作用,這對鈣信號系統(tǒng)特別是鈣信號的產(chǎn)生過程做出了有力補(bǔ)充。作者對鈣信號系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,以期對同類研究提供借鑒參考。1ca2+濃度變化的細(xì)胞外質(zhì)界表1在植物體中,細(xì)胞必須對一系列環(huán)境及生長因素做出回應(yīng)。而在植物進(jìn)化的過程中就產(chǎn)生了能夠做出適當(dāng)回應(yīng)的形式多樣的信號網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),包括一系列受體,非蛋白信使,酶系統(tǒng)及轉(zhuǎn)錄因子。受體對特定生理刺激高度敏感,并且能將其區(qū)分識別。同樣的酶系統(tǒng)和轉(zhuǎn)錄因子也具有特異性,這反映在豐富基因組水平上。細(xì)胞質(zhì)中的自由Ca2+濃度變化顯然就是對外質(zhì)界生理及非生理信號的一個(gè)反應(yīng)。即Ca2+通過Ca2+通道內(nèi)流進(jìn)入胞質(zhì),并通過Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白外流以保持胞質(zhì)內(nèi)低Ca2+濃度。為了應(yīng)對植物發(fā)育和環(huán)境脅迫信號,Ca2+由質(zhì)膜、液泡膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的Ca2+通道內(nèi)流進(jìn)入胞質(zhì),導(dǎo)致胞質(zhì)Ca2+濃度迅速增加,產(chǎn)生鈣瞬變和鈣振蕩,傳遞到鈣信號靶蛋白,如鈣調(diào)素、鈣依賴型蛋白激酶及鈣調(diào)磷酸酶B類蛋白,引起特異的生理生化反應(yīng)。1.1ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)細(xì)胞質(zhì)中濃度過高的游離Ca2+可與磷酸鹽形成沉淀,干擾與磷代謝有關(guān)的過程,妨礙正常的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),對植物生長不利。因此,植物細(xì)胞內(nèi)存在精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制,既能使細(xì)胞質(zhì)中游離Ca2+濃度迅速升高以響應(yīng)環(huán)境變化,又能使其維持基態(tài)條件下的低濃度,這些精細(xì)的調(diào)節(jié)機(jī)制主要通過體內(nèi)的Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),包括胞質(zhì)Ca2+外流系統(tǒng),即Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,以及Ca2+進(jìn)入胞質(zhì)的內(nèi)流系統(tǒng),即鈣離子通道(圖1)。這些通道使鈣離子由高電勢處(從細(xì)胞外或從細(xì)胞內(nèi)鈣庫)流向低電勢處,而調(diào)節(jié)通道的開關(guān)由各種刺激因素決定,鈣信號就是通過離子通道開關(guān)來產(chǎn)生(圖2)。1.1.1ca2+-atpase的動態(tài)胞質(zhì)Ca2+外流系統(tǒng)主要是Ca2+-ATPase和Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。Ca2+-ATPase也稱Ca2+泵(calciumpump),幾乎存在于植物細(xì)胞中所有的膜系統(tǒng)上,包括質(zhì)膜、液泡膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、線粒體膜、質(zhì)體和葉綠體膜以及核膜等,其分布與植物的種類和組織特異性有關(guān)。Ca2+-ATPase對Ca2+有較高的親合性(Km=0.2～1.0μmol/L),但運(yùn)輸能力低。Ca2+-ATPase存在兩種構(gòu)像狀態(tài),E1態(tài)(對Ca2+親和性高)和E2態(tài)(對Ca2+親和性低)。E1和E2通過與Ca2+的結(jié)合與釋放,進(jìn)行不同的反應(yīng),伴隨天冬氨酸的磷酸化而將ATP的能量貯存入蛋白質(zhì)中,并在以后的水解過程中將能量釋放出來。細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度的微弱變化能夠激活Ca2+-ATPase,其通過水解ATP提供能量把Ca2+主動從胞質(zhì)運(yùn)輸?shù)桨饣蚣?xì)胞器中。因此,在調(diào)節(jié)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)時(shí)起到一種靈敏的微調(diào)作用。Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白依賴H+-ATPase或H+-PPase產(chǎn)生的跨膜質(zhì)子梯度來驅(qū)動Ca2+的運(yùn)輸,屬于次級主動運(yùn)輸(secondaryactivetransport)。與Ca2+-ATPase相反,Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是低親合(Km=10μmol/L),但運(yùn)輸能力強(qiáng)的載體,在胞質(zhì)Ca2+濃度水平很高時(shí)發(fā)揮作用。1.1.2質(zhì)膜的特殊功能到2000年止,在植物細(xì)胞質(zhì)膜上主要有2種鈣離子通道:一類是電壓依賴型(voltagedependent)鈣離子通道,可分為去極化鈣離子通道(depolarization-activatedcationchannel,DACC)和超極化鈣離子通道(hyperpolarization-activatedcationchannel,HACC)。一般來說,高等植物細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)外存在-120～-180mV的電勢差(外正內(nèi)負(fù))。許多生理性刺激因素,如結(jié)瘤因子、生長素、脫落酸、光以及植物毒素等都可以使植物細(xì)胞質(zhì)膜電位迅速發(fā)生變化,隨后胞質(zhì)Ca2+濃度升高,產(chǎn)生特定反應(yīng),這些刺激因素有可能通過質(zhì)膜上的電壓依賴型Ca2+通道完成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。細(xì)胞質(zhì)膜上多數(shù)去極化激活的鈣離子通道(DACC)在膜電位去極化高于-150～-100mV時(shí)被激活,而細(xì)胞質(zhì)膜的去極化通常由陽離子(如鉀離子)內(nèi)流引起。超極化激活的細(xì)胞質(zhì)膜鈣通道(HACC)在膜電位水平超極化到低于-150～-100mV時(shí)被激活。另一類是牽張激活(stretch-activated)鈣離子通道。這類通道受到機(jī)械張力的調(diào)控,在沒有外加張力的情況下,通道不開放。牽張激活通道平均開放時(shí)間較短,對離子選擇性較嚴(yán)格,電流幅度較低。植物的液泡是細(xì)胞內(nèi)貯量最大的鈣離子庫,其游離Ca2+水平在1.5～2.3mmol/L,比細(xì)胞質(zhì)中高出約1000個(gè)數(shù)量級。當(dāng)受到刺激時(shí)液泡膜上的鈣離子通道釋放鈣離子到細(xì)胞質(zhì)中,提高胞質(zhì)的Ca2+水平。液泡膜上有2類Ca2+通道:一類是電壓依賴(voltage-dependent)型,受液泡膜兩側(cè)膜電位控制,當(dāng)液泡內(nèi)與細(xì)胞質(zhì)之間的膜電勢差為正值時(shí),通道被打開;另一類是配位體激活(ligandactivatedcalciumchannel)型,包括受環(huán)腺苷二磷酸核糖(cyclicADP-ribose,cADPR)激活的Ca2+通道和受三磷酸肌醇(inositol1,4,5-triphosphate,IP3)激活的Ca2+通道。植物細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中鈣離子濃度約為10mmol/L。穿越內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的鈣離子內(nèi)流和外流之間的動態(tài)平衡維持著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)外鈣離子濃度梯度的相對穩(wěn)定,同時(shí)也刺激Ca2+通道的開放,向胞質(zhì)中釋放Ca2+。1.2ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的作用機(jī)制植物細(xì)胞中許多刺激反應(yīng)都涉及到鈣,各種刺激的強(qiáng)度不同,Ca2+介導(dǎo)的反應(yīng)的程度也不同,這是植物對環(huán)境刺激作出反應(yīng)的一個(gè)特點(diǎn)。對于鈣信號作用的方式主要涉及到以下幾個(gè)方面:振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間以及Ca2+與其他細(xì)胞成分及信號途徑之間的作用。Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)是胞質(zhì)中Ca2+濃度的改變,最初反應(yīng)幾乎都是引起胞內(nèi)Ca2+濃度的升高。刺激引發(fā)的Ca2+濃度變化可以是瞬時(shí)、持續(xù)或呈現(xiàn)周期性,從接受刺激到發(fā)生明顯鈣離子濃度變化所需的時(shí)間從幾秒到幾個(gè)小時(shí)不等。胞質(zhì)游離Ca2+濃度的變化方式包括鈣瞬變(calciumtransient)和鈣振蕩(calciumoscillation)。1.2.1外或者細(xì)胞內(nèi)鈣庫管理不當(dāng)引起ca2+濃度的變化在外源刺激下,胞外Ca2+通過Ca2+通道的開啟進(jìn)入胞內(nèi),同時(shí)胞內(nèi)鈣庫(如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和液泡等)向胞質(zhì)中釋放Ca2+,引起胞質(zhì)游離Ca2+濃度的迅速升高。或者Ca2+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和Ca2+-ATPase迅速將Ca2+轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外或者細(xì)胞內(nèi)鈣庫中,消除了Ca2+濃度的增長。這種鈣信號轉(zhuǎn)導(dǎo)方式通常是短暫存在的,Ca2+濃度先升高后降低,該變化模式稱為鈣瞬變,是最常見的一種鈣信號。對于給定刺激,能引起Ca2+濃度瞬時(shí)升高方面有許多例子。如:觸摸或冷刺激能引起Ca2+濃度的迅速升高,包括液泡膜和質(zhì)膜Ca2+的流入。氧化脅迫、激發(fā)子、系統(tǒng)素和低滲處理能引起不同持續(xù)時(shí)間的Ca2+濃度瞬時(shí)升高。在煙草的熱激反應(yīng)中,熱激誘導(dǎo)的胞質(zhì)Ca2+水平增加來自于胞外和胞內(nèi)2個(gè)鈣庫。在低溫誘導(dǎo)苜蓿的冷馴化過程中,胞質(zhì)Ca2+水平的增加來自于胞外鈣庫;觸摸和大風(fēng)均能使Ca2+從胞內(nèi)鈣庫釋放出來。煙草中,低滲處理導(dǎo)致的Ca2+濃度瞬時(shí)升高表明其包括兩個(gè)過程,先是較慢的幅度較小的Ca2+濃度升高,緊接著是快的大幅度Ca2+濃度升高。1.2.2葉片表皮抗氧化酶系統(tǒng)的調(diào)控幾種植物細(xì)胞類型對一系列生理及非生理刺激的反應(yīng)是胞質(zhì)Ca2+濃度的重復(fù)升高,稱為鈣振蕩或鈣波。根毛Ca2+濃度的重復(fù)升高是對結(jié)瘤因子的一種應(yīng)答反應(yīng)。在厭氧條件下,擬南芥根在重復(fù)的Ca2+峰之后表現(xiàn)出厭氧基因的表達(dá)。集中于花粉管尖端的Ca2+濃度梯度存在的振蕩與花粉管生長速率密切相關(guān)。人們認(rèn)為,不同Ca2+振蕩(頻率、幅度)模式或產(chǎn)生具體結(jié)果的機(jī)制包括Ca2+依賴型磷酸酶的活動及不依賴Ca2+的蛋白激酶的活動。Ca2+振蕩的產(chǎn)生是由于當(dāng)細(xì)胞受到某種刺激時(shí),胞質(zhì)Ca2+濃度升高,使得依賴IP3與Ca2+的Ca2+通道被打開,相臨近的通道周圍的Ca2+濃度升高,繼而這些Ca2+通道被打開。Ca2+振蕩的移動實(shí)際上是Ca2+釋放的移動,而不是Ca2+本身的移動。最近對于鈣信號傳遞的研究有一個(gè)突破性的進(jìn)展,就是在擬南芥葉片保衛(wèi)細(xì)胞表面發(fā)現(xiàn)的鈣敏感受體(Ca2+sensingreceptor,CAS),并且確定了胞外Ca2+在植物中第一信使的位置。葉片表皮1對保衛(wèi)細(xì)胞形成氣孔,水分和氣體在這里發(fā)生交換。非原生質(zhì)體中的調(diào)控因子通過改變保衛(wèi)細(xì)胞的膨脹壓來調(diào)節(jié)氣孔的大小,這些調(diào)控因子包括植物激素ABA、CO2,生長素以及胞外Ca2+的升高。而胞內(nèi)Ca2+是調(diào)節(jié)氣孔開閉信號網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要組分。通過對Commelinacommunis離體葉片表皮保衛(wèi)細(xì)胞的研究證實(shí),胞外Ca2+升高引起胞內(nèi)Ca2+的升高。當(dāng)胞外Ca2+從0.01mmol/L升高到0.1mmol/L,在幾分鐘時(shí)間就可以引起胞內(nèi)Ca2+不斷上升。在此基礎(chǔ)上,又發(fā)現(xiàn)擬南芥胞質(zhì)內(nèi)Ca2+振蕩與胞外Ca2+濃度變化同步,很大程度上是通過CAS介導(dǎo)的CAS-IP3途徑進(jìn)行的。CAS調(diào)節(jié)三磷酸肌醇(IP3)的含量水平,IP3進(jìn)一步激活胞內(nèi)鈣庫的Ca2+釋放。胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度振蕩與胞外Ca2+濃度振蕩幅度還受土壤中Ca2+含量和蒸騰速率的調(diào)控(圖3)。注:從木質(zhì)部體液(紅色箭頭所示)到保衛(wèi)細(xì)胞(GC),Ca2+的濃度會降低。Ca2+被葉肉細(xì)胞(Pm)、香毛簇(T)以及保衛(wèi)細(xì)胞周圍的輔助細(xì)胞(Sc)所運(yùn)送。保衛(wèi)細(xì)胞中胞外[Ca2+]低于0.1mmol/L,而木質(zhì)部體液中可以達(dá)到幾個(gè)mmol/L。新發(fā)現(xiàn)的位于細(xì)胞表面的CAS受體能夠感受胞外Ca2+,CAS激活后,使胞內(nèi)Ca2+升高,從振幅和頻率上與ABA的作用類似。Note:Ca2+deliveredfromthexylemsap(redarrows)undergoesprogressivedilutionfromthexylemsaptotheguardcells(Gc).Ca2+isremovedfromtheapoplastbycellsofthepalisademesophyll(Pm),thetrichomes(T)andthesubsidiarycells(Sc)surroundingeachpairofguardcells.Ca2+intheapoplastaroundtheguardcellsislowerthan0.1mmol/L,comparedwithlevelsofthatseveralmmol/Linthexylemsap.TheapoplasticCa2+issensedbythenovelCASreceptorlocatedatthecellsurface.ActivationofCASgivesrisetocytosolicCa2+oscillationsthataresimilarinmagnitudeandfrequencytothoseobservedinresponsetoABAapplication.圖3植物中Ca2+的信號傳遞(仿ColinBrownlee)Fig.3Ca2+signallinginplants2信號型的免疫活性和酶活性最初對鈣信號的感應(yīng),是通過一系列不同鈣信號元件與鈣結(jié)合產(chǎn)生。細(xì)胞中感受Ca2+信號的元件被稱為Ca2+感受器或者Ca2+信號靶蛋白。鈣信號靶蛋白的激活或抑制是Ca2+信使產(chǎn)生后信號繼續(xù)傳遞的下游事件,其參與特異性鈣信號的解碼和植物生長發(fā)育的調(diào)節(jié)及對外界各種逆境信號的應(yīng)答轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。鈣信號元件主要分為信號傳遞型和信號應(yīng)答型兩種類型。信號傳遞型如鈣調(diào)素,通過Ca2+誘導(dǎo)的構(gòu)象變化將信息傳遞給對應(yīng)的蛋白激酶,并使其產(chǎn)生相應(yīng)的酶活性或構(gòu)象產(chǎn)生變化(如,鈣調(diào)素激活的ACA鈣離子泵活性)。這種類型的鈣信號元件包括鈣調(diào)素(calmodulin,CaM)和鈣調(diào)磷酸酶B類蛋白(calcineurinBlikeprotein,CBL)。與之相對的就是信號應(yīng)答型,通過Ca2+誘導(dǎo)的構(gòu)象變化直接使其本身產(chǎn)生相應(yīng)的酶活性(例如,鈣依賴蛋白激酶CDPK分子內(nèi)活性的產(chǎn)生)。正是這兩種不同鈣信號的解碼方式在植物細(xì)胞中的廣泛使用,才使得鈣信號能通過多種途徑產(chǎn)生不同的應(yīng)答反應(yīng)。2.1生理生化活性鈣調(diào)素是植物細(xì)胞內(nèi)最重要的Ca2+結(jié)合蛋白,是一種單鏈可溶性球蛋白,分子量為16.7kDa,由148個(gè)氨基酸組成,其中1/3的氨基酸殘基是帶有酸性側(cè)鏈的谷氨酸和天冬氨酸,不含半胱氨酸和脯氨酸。該蛋白等電點(diǎn)為4.0。熱穩(wěn)定性好,保守性強(qiáng)。其帶負(fù)電荷的羧基部位與Ca2+相結(jié)合,結(jié)合后分子構(gòu)像發(fā)生改變,疏水區(qū)域呈激活態(tài),從而增加催化活性。鈣調(diào)蛋白本身沒有活性,只有當(dāng)其與鈣離子結(jié)合后,引起蛋白構(gòu)像的改變,使之與其他蛋白酶,如激酶或磷酸酶結(jié)合,調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。CaM主要通過與CaM結(jié)合蛋白(CaMbindingprotein,CaMBP)的結(jié)合來介導(dǎo)信號傳遞,從而調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的生理生化反應(yīng)。CaM介導(dǎo)的Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo),是在CaM與其目的蛋白相互作用中對Ca2+依賴性的不同使得細(xì)胞對其胞質(zhì)中Ca2+的升高作出各種復(fù)雜的生理反應(yīng)。熱激和Ca2+處理都可增加細(xì)胞的鈣調(diào)素含量,Ca2+-CaM參與了玉米幼苗熱激誘導(dǎo)的耐熱性發(fā)育的調(diào)控,其中,SOD作為一種鈣調(diào)素結(jié)合蛋白最終通過增強(qiáng)植物的抗氧化能力提高植物的耐熱性。目前,對CaM生理功能的研究涉及面相當(dāng)廣泛,在離子轉(zhuǎn)運(yùn)、酶活性調(diào)節(jié)、細(xì)胞分裂與分化、細(xì)胞骨架與細(xì)胞運(yùn)動、光合作用、孢子種子和花粉萌發(fā)、激素反應(yīng)、胞內(nèi)酶類及基因表達(dá)等生理過程中,都有CaM的參與。2.2與下游蛋白cipk和bol糖質(zhì)膜的相互作用鈣調(diào)磷酸酶B類蛋白(CBL)是植物中與動物鈣調(diào)磷酸酶調(diào)控B區(qū)同源的一類特殊鈣離子受體家族,是最早在動物和酵母中發(fā)現(xiàn)的鈣離子信號效應(yīng)器。在擬南芥、蠶豆和煙草等植物體內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的鈣調(diào)磷酸酶為Ca2+/CaM依賴性的異源二聚體蛋白磷酸酶。每個(gè)CBL通常擁有4個(gè)EF結(jié)構(gòu)域,具有鈣離子結(jié)合能力,缺乏其他功能區(qū)域,只能通過與下游蛋白CIPK(CBLinteractingproteinkinase,與CBL作用的蛋白激酶)的相互作用才能將信號向下游傳遞。保衛(wèi)細(xì)胞的內(nèi)向K+流在氣孔關(guān)閉過程中受到調(diào)控,其活性受到鈣調(diào)磷酸酶B類蛋白的抑制,但是被能逆轉(zhuǎn)鈣調(diào)磷酸酶作用的免疫抑制劑所活化。研究發(fā)現(xiàn),擬南芥的SOS3(AtCBL4)與酵母鈣調(diào)磷酸酶的B亞基(Bsubunitofcalcineurin,CNB)和動物神經(jīng)鈣傳感器(neuronalcalciumsensors,NCS)相似,都具有豆蔻?；拿黠@特征。SOS3感受鹽脅迫激發(fā)的鈣信號(胞內(nèi)Ca2+濃度增加),特異性地與SOS2的C末端自我抑制區(qū)結(jié)合,對質(zhì)膜上的Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1進(jìn)行調(diào)控,實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)外K+和Na+的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié),增強(qiáng)植物的抗鹽性。CBL參與植物對干旱和低溫的適應(yīng)性調(diào)節(jié),CBL1基因的缺失會大大提高擬南芥對干旱和低溫脅迫的敏感性,影響轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)。2.3cdpk重組酶活性鈣依賴蛋白激酶(CDPKs)類蛋白是Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中另一個(gè)重要的初級感受器,它是植物中獨(dú)特的激酶家族,通過其C端與CaM相似的4個(gè)與Ca2+結(jié)合的EF手型的調(diào)控區(qū)而鑒定出來。CDPKs含有3個(gè)功能區(qū):催化區(qū)、自抑制區(qū)及Ca2+結(jié)合區(qū)。其可分為鈣依賴蛋白激酶(CDPKs)家族、CDPK關(guān)聯(lián)蛋白激酶(CDPKrelatedproteins,CRKs)家族、鈣調(diào)素依賴蛋白激酶(CaMdependentproteinkinases,CaMKs)家族、鈣和鈣調(diào)素依賴蛋白激酶家族(Ca2+andCaMdependentproteinkinases,CCaMKs)共4種類型,在結(jié)構(gòu)上具有典型的Ser/Thr蛋白激酶保守序列。當(dāng)CDPKs與鈣離子結(jié)合后,它才能表現(xiàn)出活性,進(jìn)而通過磷酸化作用將信號向下游傳遞。純化的CDPKs在mmol/L級Mg2+存在下,受mol/L級Ca2+的激活而使活性提高50～100倍,2mol/LCa2+可使酶活性達(dá)到最高值的1/2。當(dāng)CDPKs被鈣信號激活時(shí),其連接區(qū)與C末端CaM樣結(jié)構(gòu)域之間的相互作用非常重要,它們可能通過形成分子內(nèi)復(fù)合物來解除連接區(qū)對催化區(qū)的抑制作用,從而激活CDPKs的酶活性。CDPKs涉及多種生理功能,包括參與調(diào)節(jié)滲透脅迫、干旱、低溫、病害和離子運(yùn)輸?shù)冗^程。3鈣信號系統(tǒng)對特定刺激的識別3.1ca2+信號產(chǎn)生的特殊的應(yīng)激反應(yīng)不同刺激信號通過不同的應(yīng)答機(jī)制產(chǎn)生特定的應(yīng)答反應(yīng)。問題是在單細(xì)胞水平上,一個(gè)簡單的Ca2+信號如何能通過不同的刺激產(chǎn)生并傳達(dá)相應(yīng)的信息,從而產(chǎn)生特定的應(yīng)答反應(yīng)。例如,生長素和ABA都能夠?qū)е職饪妆Ｐl(wèi)細(xì)胞內(nèi)的Ca2+升高,但是生長素導(dǎo)致氣孔開放,ABA導(dǎo)致氣孔關(guān)閉。還有當(dāng)擬南芥在生長發(fā)育中經(jīng)歷了干旱或低溫脅迫時(shí)Ca2+信號的產(chǎn)生所需要的Ca2+來源不同。但在植物中也存在不同的刺激信號產(chǎn)生相同的Ca2+信號并產(chǎn)生相同的應(yīng)答反應(yīng)。最好的例子還是在氣孔關(guān)閉中,如在光照、CO2及干旱條件下植物氣孔的關(guān)閉過程中,Ca2+信號就起到了關(guān)鍵作用。3.2胞質(zhì)ca2+和aba信號盡管多種環(huán)境刺激均可引起胞質(zhì)Ca2+增加,但不同刺激引發(fā)的鈣信號,在變化幅度、動力學(xué)及空間分布方面有所不同,即鈣信號存在時(shí)空(spatio-temporal)特異性,稱為Ca2+記號(Ca2+signature)。如低溫引起的胞質(zhì)Ca2+增加幅度較大,十分短暫,僅持續(xù)幾秒到幾十秒,為尖釘(sharpspike)型。氧化脅迫、鹽脅迫所引起的鈣信號中Ca2+增加幅度相對較小,持續(xù)幾分鐘到幾十分鐘,低氧脅迫引起的鈣信號可持續(xù)幾個(gè)小時(shí)。ABA則可誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞中產(chǎn)生振蕩性(oscillatory)鈣信號。此外,Ca2+記號還與脅迫刺激本身有關(guān)。如在低溫下擬南芥產(chǎn)生的鈣信號因降溫速率的不同而不同,降溫速率越快鈣信號也越強(qiáng),其峰也越高越尖;如果降溫速率相同而絕對溫度越低(在植物忍受范圍內(nèi))鈣信號也越強(qiáng),并且降溫速率和絕對溫度相同的重復(fù)性低溫刺激會減弱鈣信號。不同脅迫刺激所引發(fā)的特異性鈣信號應(yīng)是植物體感受和傳遞不同信號刺激的一種機(jī)制,從而可以相應(yīng)引起不同生理反應(yīng),以應(yīng)答不同的外界刺激。3.3滲透脅迫對鈣信號的影響此外,鈣信號還存在休復(fù)期(refractoryperiod),即一種刺激引發(fā)植物細(xì)胞產(chǎn)生鈣信號后在一定時(shí)間內(nèi)同種刺激不能或不能充分再次引發(fā)鈣信號。但在休復(fù)期內(nèi)非同種的其他刺激卻可以再次引發(fā)鈣信號,表明植物細(xì)胞能夠區(qū)分不同的環(huán)境刺激。鈣信號存在休復(fù)期的作用尚不清楚,但由于胞質(zhì)內(nèi)持續(xù)高Ca2+可干擾胞內(nèi)以磷酸為基礎(chǔ)的能量代謝而對細(xì)胞產(chǎn)生毒害,存在休復(fù)期可防止在同種刺激下引起過度延長的高胞質(zhì)Ca2+而防止細(xì)胞受到傷害。Knight等發(fā)現(xiàn),擬南芥經(jīng)低溫預(yù)處理適應(yīng)后再經(jīng)受低溫脅迫時(shí),鈣信號的特征會發(fā)生改變;經(jīng)氧化脅迫預(yù)處理后再經(jīng)滲透脅迫處理鈣信號強(qiáng)度會下降,而滲透脅迫預(yù)處理后再經(jīng)滲透脅迫處理鈣信號強(qiáng)度會增強(qiáng)。Knight等還認(rèn)為,脅迫預(yù)處理對鈣信號的修飾可為擬南芥適應(yīng)逆境脅迫提供記憶(memory),從而改變植物對逆境脅迫刺激的感受狀態(tài),增強(qiáng)植物對逆境脅迫的適應(yīng)性。鈣信號在時(shí)空特征上的多樣性是植物體感受和傳導(dǎo)多種環(huán)境刺激,引發(fā)不同生理反應(yīng)的基礎(chǔ)。4ca2+的成像技術(shù)Ca2+是一種最簡單的信使,因?yàn)槠洳恍枰瘜W(xué)合成和修飾,并且是最為通用的信使,在胞內(nèi)胞外的許多位點(diǎn)發(fā)揮著功效。生物信號系統(tǒng)至少由3個(gè)基本元素組成:信號、受體以及連接信號和受體之間的途徑。簡單地說,植物中Ca2+的調(diào)節(jié)由許多時(shí)間和空間上具有一定次序的Ca2+調(diào)節(jié)單元組成,其中,質(zhì)膜Ca2+內(nèi)流通道和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、液泡及線粒體Ca2+釋放通道提供了多種方式,建立Ca2+梯度,并使胞質(zhì)Ca2+濃度迅速增加。一旦胞質(zhì)Ca2+濃度增加,植物中大量的Ca2+感受器,如CaM、CDPK以及CBL與Ca2+相結(jié)合,通過磷酸化過程,刺激或抑制某一生化反應(yīng),最后經(jīng)過放大調(diào)節(jié),植物表現(xiàn)出獨(dú)特的周期性Ca2+信號應(yīng)答機(jī)制。對擬南芥的蛋白質(zhì)組學(xué)研究分析表明,其在不同生長時(shí)期擁有700多種由Ca2+信號調(diào)控的蛋白單元,而正是如此豐富的Ca2+信號變化方式保證植物將刺激轉(zhuǎn)化為正確的應(yīng)答反應(yīng)。電生理學(xué)家研究怎樣通過Ca2+通道作用增加胞質(zhì)Ca2+濃度,啟動Ca2+信號,而生化學(xué)家則研究如何通過Ca2+/H+