植物鈣調(diào)素及其在熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用

趙超越

（遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧省植物生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧　大連　116081）

植物鈣調(diào)素及其在熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用

趙超越

（遼寧師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧省植物生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116081）

植物體的熱激響應(yīng)是指在受到熱刺激誘導(dǎo)后，植物體為抵御熱激脅迫產(chǎn)生的效應(yīng)。在熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中，Ca2+/CaM復(fù)合物參與調(diào)控?zé)峒まD(zhuǎn)錄與熱激調(diào)控元件的結(jié)合活性調(diào)節(jié)，從而增加HSP基因的轉(zhuǎn)錄以及HSP蛋白的合成。本文以鈣調(diào)素作為主要研究對象，鏈接通路中其他成員，通過已有的研究結(jié)論，說明熱激條件下CaM參與的熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通路組成。

熱激；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路；鈣離子；鈣調(diào)素；熱激蛋白

在真核生物中，鈣調(diào)素、類鈣調(diào)素［1］和鈣調(diào)素依賴的蛋白激酶［2］是胞內(nèi)Ca2+重要的受體蛋白。其中鈣調(diào)素作為Ca2+受體廣泛分布在不同的組織、器官和質(zhì)體中，是一種最重要的鈣依賴性調(diào)節(jié)蛋白，并在Ca2+/CaM信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

1　CaM的結(jié)構(gòu)及分布

鈣調(diào)素是由148個(gè)氨基酸組成的單鏈可溶性球狀蛋白，分子量約為16 700 Da，鈣調(diào)素多肽鏈由4個(gè)區(qū)域（Ⅰ～Ⅳ）組成，每個(gè)區(qū)域由一個(gè)離子鍵結(jié)合一個(gè)Ca2+，結(jié)合Ca2+后，鈣調(diào)素分子構(gòu)象發(fā)生改變并激活其疏水區(qū)，催化活性增加［3］。擬南芥中CaM是最早被克隆到的，隨后從馬鈴薯、大豆、小麥、玉米和豌豆中分別克隆多條CaM基因。

2　CaM的作用原理

鈣調(diào)素是植物細(xì)胞重要的鈣離子受體，自身沒有酶的活性，當(dāng)與鈣離子結(jié)合后，自身構(gòu)象改變，形成的Ca2+/CaM復(fù)合物后才能與靶酶短肽序列結(jié)合，從而催化靶酶活性。由于CaM分子EF手型兩端的結(jié)合Ca2+區(qū)域?qū)Π麅?nèi)自由Ca2+的親和力不同，使得CaM分子可能會(huì)敏感捕捉胞內(nèi)Ca2+濃度的變化，在激活狀態(tài)和失活狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換。CaM分子的構(gòu)象變化是其發(fā)揮生理作用的基礎(chǔ)［4］。

3　鈣調(diào)素參與熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

3.1熱激對胞內(nèi)鈣離子濃度的影響

鈣信號(hào)（Calcium signal，Ca2+signal）作為第二信使參與植物生長發(fā)育、植物抗逆響應(yīng)的調(diào)控［5］。在熱激脅迫方面，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)結(jié)論證實(shí)熱激會(huì)導(dǎo)致胞內(nèi)Ca2+濃度瞬時(shí)增加。有研究表明PLC-IP3和Ca2+通道的協(xié)同作用可能解釋了細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度瞬時(shí)增加的原因：例如Liu等利用熱激擬南芥懸浮培養(yǎng)細(xì)胞，檢測到胞內(nèi)IP3水平的提高，而磷脂酶C（PLC）抑制物U-73122可以產(chǎn)生抑制IP3積累的效應(yīng)；IP3的積累是通過水解磷脂酰肌醇4，5二磷酸［PtdIns（4，5）P2，PIP2］得到的，這一過程由結(jié)合于胞膜的PLC來催化，在熱激的條件下PLC被激活并導(dǎo)致胞內(nèi)IP3水平的積累，通過IP3與鈣離子通道的協(xié)同作用，從而提高胞內(nèi)鈣離子的水平［6］。這些結(jié)果可以說明熱激信號(hào)傳導(dǎo)的順序，而且證明了IP3在胞內(nèi)的積累可能是Ca2+瞬時(shí)增高的上游事件。

3.2熱激對鈣調(diào)素表達(dá)量的影響

在熱激脅迫條件下胞內(nèi)Ca2+增加，CaM基因的大量表達(dá)以及CaM蛋白的積累，也已得到了證實(shí)：例如在植物擬南芥中，Zhang等［7］通過實(shí)驗(yàn)證明在37 ℃熱激的情況下AtCaM3 mRNA的水平顯著增加并在20 min后達(dá)到最大，在30 min后緩慢下降，而AtCaM多基因家族中的其他成員并沒有與AtCaM3基因相類似結(jié)果，而且這個(gè)結(jié)果與AtCaM3基因?qū)崟r(shí)定量PCR的結(jié)果相符；這樣的結(jié)果說明CaM的表達(dá)依賴于Ca2+，并間接的說明CaM可能定位于通路的上游部分。

4　鈣調(diào)素在熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的作用

4.1鈣調(diào)素對HSF與HSE結(jié)合活性的調(diào)節(jié)

在熱激條件下，HSP的誘導(dǎo)合成受控于HSF，HSF活性的調(diào)控是HSP表達(dá)的中心環(huán)節(jié)［8］。例如在44℃熱激的情況下，利用CaM的拮抗劑W7和CPZ或者利用CaM的抗體可以降低HSF 與HSE的結(jié)合活性，而向CaM抗體預(yù)處理的玉米細(xì)胞提取液中加入10-8～10-7mol·L-1的CaM則可部分恢復(fù)HSF的活性。通過這些結(jié)果初步證明了CaM參與了HSP蛋白的表達(dá)，并且通過增強(qiáng)HSF和HSE的結(jié)合活性使得植物體獲得耐熱性。

4.2鈣調(diào)素在提高植物體耐熱性方面的意義

為了在分子和遺傳水平上證明擬南芥AtCaM3可能參與熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，Zhang等利用T-DNA插入的方法獲得AtCaM3突變株。在正常條件下，突變株系與野生株系相比沒有明顯差異，而45℃熱激處理50 min后，該突變株的耐熱性較WT株系相比明顯增強(qiáng)。由于HSP的表達(dá)與積累增加了植物抵御熱脅迫的能力，而且已經(jīng)證實(shí)，HSP的表達(dá)受控于CaM，這些結(jié)果近一步證明了CaM在熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中發(fā)揮作用［8］。

5　Ca2+/CaM參與的熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

近十幾年來，全球性氣候變暖對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響巨大，而導(dǎo)致的直接結(jié)果是農(nóng)作物的大幅減產(chǎn)，而這種影響在未來的幾十年里仍將持續(xù)，在這樣的背景條件下，研究植物的耐熱性和熱信號(hào)傳導(dǎo)就顯得十分必要［9］。綜上所述，植物體對于熱激脅迫的反應(yīng)機(jī)制是高度復(fù)雜的，各條通路之間是相互交叉的，并由此建立起的一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，真正弄清熱激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制對植物耐熱性研究具有重要意義［10］。

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［10］ ZHOU R G，LI B，LIU H T，et al. Progress in the participation of Ca2+-calmodulin in heat shock signal transduction［J］.自然科學(xué)進(jìn)展：英文版，2009，19（10）：1201-1208.

Q582

A

1002-0659（2015）06-0045-02

2015-11-04

趙超越（1990-），男，在讀碩士，從事植物分子生物學(xué)方面的研究工作。Email：zhaochaoyue_1990@163.com