植物調(diào)控鹽脅迫下離子動態(tài)平衡

陳鵬程　顧志敏

摘要 在鹽脅迫下，植物在細(xì)胞質(zhì)溶膠中維持高濃度的K+和低濃度的Na+。植物通過調(diào)控K+和Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和為這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白提供轉(zhuǎn)運(yùn)動力的H+泵蛋白活性及其表達(dá)量來維持。盡管鹽脅迫感受器蛋白仍不清楚，但是已明確鑒定其信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的一些中介化合物。跡象表明，一類蛋白激酶化合物SOS3和絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SOS2能夠被鹽脅迫引起的鈣信號激活。其CBL/CIPK復(fù)合物隨后磷酸化和激活多種離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，例如位于細(xì)胞膜上的Na+/H+反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶；鈣信號；SOS1

中圖分類號 S188+.1；Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-016-03

Abstract Under salt stress，plants maintain a high concentration of K+ and a low concentration of Na+ in the cytosol.They do this by regulating the expression and activity of K+ and Na+ transporters and of H+ pumps that generate the driving force for transport.Although saltstress sensors remain elusive，some of the intermediary signaling components have been identified.Evidence suggests that a protein kinase complex consisting of the myristoylated calciumbinding protein SOS3 and the serine/threonine protein kinase SOS2 is activated by a saltstress elicited calcium signal.The protein kinase complex then phosphorylates and activates various ion transporters，such as the plasma membrane Na+/H+ antiporter SOS1.

Key words Transporters； Serine/threonine protein kinase； Calcium singal； SOS1

細(xì)胞內(nèi)離子濃度動態(tài)平衡對活細(xì)胞發(fā)揮正常生理功能非常重要。適當(dāng)?shù)恼{(diào)控進(jìn)出細(xì)胞的離子流量對細(xì)胞維持低濃度具有毒害作用離子和積累必須離子十分重要。植物細(xì)胞采用H+ATPases調(diào)控的初級主動運(yùn)輸?shù)鞍缀碗x子通道和共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的次級轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來維持細(xì)胞質(zhì)中典型的高濃度的K+和低濃度的Na+。細(xì)胞內(nèi)K+和Na+的動態(tài)平衡對細(xì)胞質(zhì)中多種酶活性非常重要，并且對維持細(xì)胞膜電勢和一個適宜的滲透壓從而調(diào)控細(xì)胞體積也非常重要。

在鹽脅迫下，維持K+和Na+動態(tài)平衡顯得更加重要。因而，調(diào)控鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來理解植物細(xì)胞整體水平調(diào)控離子動態(tài)平衡提供一個模型案例。Na+脅迫阻斷根K+吸收[1]。當(dāng)Na+進(jìn)入細(xì)胞且積累到較高濃度，它將對細(xì)胞質(zhì)中的酶產(chǎn)生毒害作用。為了預(yù)防生長中止或細(xì)胞死亡，多余的Na+將被擠出細(xì)胞或隔離進(jìn)入液泡中。不像動物細(xì)胞，植物細(xì)胞沒有Na+ATPases或Na+/K+ATPases，并且植物細(xì)胞僅依賴H+ATPases和H+焦磷酸酶產(chǎn)生質(zhì)子動力。它能夠推動離子運(yùn)輸和新陳代謝[1]。許多H+、Na+和K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白被鑒定出來。控制轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)和活性的調(diào)控機(jī)制開始被闡明。筆者綜述了植物調(diào)控鹽脅迫下離子動態(tài)平衡，以期了解細(xì)胞通過鹽脅迫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控植物Na+轉(zhuǎn)運(yùn)。

1 植物感受鹽脅迫

植物細(xì)胞可以感受到高滲透壓和鹽脅迫的特定離子信號。雖然在Na+轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)中特定離子信號比高滲透壓更重要，但是滲透脅迫也起一定作用（圖1）。滲透脅迫激活A(yù)BA的合成，使得編碼液泡Na+/H+交換器的AtNHX1轉(zhuǎn)錄上調(diào)[2]。伸展激活的通道和跨膜蛋白激酶如組氨酸激酶[3]和細(xì)胞壁相關(guān)激酶[4]可以部分感受到鹽脅迫。目前，尚缺乏這些蛋白在植物鹽脅迫響應(yīng)中作用的遺傳學(xué)證據(jù)。

對于Na+在細(xì)胞中被感知的報(bào)道很少，理論上Na+在進(jìn)入細(xì)胞前后都可以被感受到。細(xì)胞膜受體可以感受到細(xì)胞外的Na+，而細(xì)胞內(nèi)的Na+則可以被細(xì)胞膜蛋白或細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的許多對Na+敏感的酶。質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SOS1（Salt overly sensitive 1）可能是一個Na+感受器[5]。SOS1蛋白有10～12個跨膜結(jié)構(gòu)域和一個推測位于細(xì)胞質(zhì)中的超過700個氨基酸的長尾巴[5]。SOS1 有Na+/H+交換器活性。這些轉(zhuǎn)運(yùn)活性對擬南芥細(xì)胞的Na+外排是必要的[6-7]。SOS1的長的細(xì)胞質(zhì)尾巴表明這個蛋白并不是僅僅轉(zhuǎn)運(yùn)Na+，還可以感受Na+。許多帶有長的細(xì)胞質(zhì)尾巴或環(huán)的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白都被證明是Na+感受器。例如，酵母中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白Snf3（Sucrose nonfermenting 3）和Rgt2 （Regulator of glucose transporter 2）分別作為低濃度和高濃度的葡萄糖感受器[8]。雖然酵母蛋白Snf3和Rgt2沒有明顯的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)活性。對其他蛋白的研究表明，感受和轉(zhuǎn)運(yùn)沒有相互獨(dú)立的功能。例如，大腸桿菌中的糖通透酶BglF既可以感受又可以轉(zhuǎn)運(yùn)β糖苷[9]。酵母中的銨基轉(zhuǎn)運(yùn)器Mep2p既可以感受銨基，又可以將它轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)細(xì)胞，起始調(diào)節(jié)纖維生長的營養(yǎng)信號[10-11]。所以，SOS1也可能是Na+的感受器和轉(zhuǎn)運(yùn)器。

2 Na+進(jìn)入植物細(xì)胞

植物細(xì)胞質(zhì)膜巨大的負(fù)電位有利于Na+進(jìn)入細(xì)胞的主動轉(zhuǎn)運(yùn)。Na+細(xì)胞通過高度親和性的K+轉(zhuǎn)運(yùn)子HKT1[12-13] 和非選擇性陽離子通道[14]進(jìn)入細(xì)胞。此外，在一些植物種類中如水稻，通過非質(zhì)體排入蒸騰流的Na+為進(jìn)入細(xì)胞Na+的主要部分[15]。通過非質(zhì)體途徑攝取Na+受到植物根發(fā)育和細(xì)胞壁上二氧化硅沉積的影響。控制這個非選擇性陽離子通道的細(xì)胞特性還不明確。非選擇性陽離子通道介導(dǎo)的Na+流對Ca2+部分敏感。這個特性與植物根中Ca2+抑制Na+進(jìn)入細(xì)胞有著 一一對應(yīng)的關(guān)系[16] 。Ca2+是直接地還是不直接地通過細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)蛋白調(diào)控非選擇性陽離子通道的活性還尚不清楚。

擬南芥中的AtHKT1蛋白在異源系統(tǒng)如非洲爪產(chǎn)出卵母細(xì)胞和酵母中的表達(dá)可以介導(dǎo)Na+流動[17]。在對鹽高度敏感的擬南芥突變sos3的抑制突變中，鑒定出AtHKT1的等位基因[12]。sos3突變體中athkt1的抑制表達(dá)是由Na+積累減少造成的。在小麥中，K+Na+共轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)子HKT1在高鹽條件下也可以發(fā)揮Na+流動的功能[18]。在野生型細(xì)胞中，AtHKT1對Na+流動活性可能受到SOS3（鈣結(jié)合蛋白）和SOS調(diào)控途徑的其他組成部分的負(fù)調(diào)控（圖1）?；蛘?，SOS途徑可能不調(diào)控AtHKT1。athkt1的抑制作用可能僅僅是由于Na+進(jìn)入細(xì)胞減少而產(chǎn)生的。為什么像AtHKT1之類對Na+進(jìn)入細(xì)胞具有毒性的Na+流轉(zhuǎn)運(yùn)子在進(jìn)化過程中被保留下來是一個有趣的問題。athkt1突變體沒有明顯的生長發(fā)育缺陷。在組織培養(yǎng)基中，它們比野生型有對Na+更強(qiáng)的耐受性，但是在土壤中生長條件下更加敏感。AtHKT1在鹽堿地中的基本特征可能可以用它潛在的對Na+從根和莖之間的長距離轉(zhuǎn)運(yùn)功能來解釋[13]。

3 植物細(xì)胞Na+外排作用

由于Na+從一個細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)出去會對相鄰細(xì)胞造成影響，多細(xì)胞植物的Na+溢出不明顯，Na+排出的作用在特定組織和整株植物都有存在。在擬南芥中，Na+溢出是由于質(zhì)膜上SOS1編碼的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白催化而成[6-7，19]。在鹽脅迫植株中才可以檢測到SOS1活性[6]。電中性的Na+/H+轉(zhuǎn)換器特異性轉(zhuǎn)運(yùn)Na+，而不能轉(zhuǎn)運(yùn)Li+或K+[6.20]。在所有組織中都能檢測到SOS1啟動子的活性，但是根表皮細(xì)胞特別是根尖表皮細(xì)胞和植株維管組織細(xì)胞中活性最高[19]。SOS1表達(dá)模式和sos1突變體植株離子分析結(jié)果表明，SOS1有多重作用，是Na+排出進(jìn)入根的介質(zhì)，降低細(xì)胞質(zhì)中Na+積累速率，從而延長積累時間，控制從木質(zhì)部和韌皮部卸載Na+，并載入根到葉中的Na+轉(zhuǎn)運(yùn)。SOS1在長途轉(zhuǎn)運(yùn)中的作用對于調(diào)節(jié)Na+溢出和葉中Na+液泡隔離有重要意義。擬南芥轉(zhuǎn)基因植株SOS1表達(dá)的增加會提升植株對鹽的耐受性[21]。

在鹽脅迫下，SOS1的轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)[5]。這個上調(diào)是轉(zhuǎn)錄后水平的。由于在鹽脅迫下SOS1啟動子活性沒有上調(diào)，但是花椰菜花葉病毒35S啟動子啟動的SOS1的表達(dá)上調(diào)[21]。SOS1部分在SOS2 和SOS3的控制下表現(xiàn)鹽脅迫上調(diào)[5]。質(zhì)膜細(xì)胞膜上的H+ATP酶為SOS1Na+轉(zhuǎn)運(yùn)提供驅(qū)動力。在擬南芥AHA4突變體中，根部-內(nèi)皮層-特定等離子體-細(xì)胞膜H+ATP酶的破壞導(dǎo)致鹽敏感性上升[22]。在鹽脅迫下，H+ATP酶的轉(zhuǎn)錄水平上升[23]。擬南芥H+磷酸化酶AVP1過表達(dá)可以提高植株對鹽和干旱的耐受力[24]。SOS3和SOS2是否參與這個調(diào)節(jié)過程不得而知。

鹽脅迫下，SOS1激活Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性是由SOS3和SOS2控制的[6-7]（圖1）。SOS3是一個豆蔻酰化鈣結(jié)合蛋白，在鹽脅迫下可以感受細(xì)胞內(nèi)釋放的鈣信號[25-26]。SOS2是一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。它有一個特殊的C端調(diào)控結(jié)構(gòu)域和一個和酵母蛋白SNF1、哺乳動物AMPK類似的N端催化結(jié)構(gòu)域[27]。SOS2的N端激酶催化結(jié)構(gòu)域與C端調(diào)控結(jié)構(gòu)域互作[28]。SOS2的C端調(diào)控結(jié)構(gòu)域與SOS3互作，并且這個互作是由于FISL基序的21個氨基酸序列調(diào)節(jié)的[28]。在鈣存在的情況下，SOS3會激活底物SOS2的磷酸化[29]。FISL基序是自抑制。它的缺失會導(dǎo)致SOS2激活[30-31]。

4 植物細(xì)胞Na+隔離作用

Na+的液泡隔離作用不僅降低細(xì)胞質(zhì)中Na+濃度，而且有助于滲透調(diào)校，從而維持植物高鹽溶液下水分的吸收。其他細(xì)胞器如原質(zhì)體和線粒體也可能積累一些Na+，因此總體上有助于Na+的隔離作用。在擬南芥中，AtNHX家族的Na+/H+反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有隔離Na+的功能[31]。AtNHX1和AtNHX2都位于液泡膜上，并且它們的轉(zhuǎn)錄量能夠被ABA和滲透脅迫上調(diào)[32]。在鹽脅迫下H+ATPases復(fù)合物的轉(zhuǎn)錄量也上調(diào)[33]。AtNHX1在多種植物[34]中過量表達(dá)都被報(bào)道能夠在很大程度上增強(qiáng)植物的鹽耐受能力。

擬南芥sos1、sos2和sos3突變體都不損害鹽脅迫調(diào)控的AtNHX1的表達(dá)[35]。然而，導(dǎo)致ABA合成缺陷或abi1（不包括abi2）突變體在鹽脅迫下部分損害AtNHX1的表達(dá)[32，36]。這意味著一種SOS非依賴性的但依賴ABA的途徑調(diào)控著鹽脅迫下液泡反轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)（圖1）。然而，SOS途徑可能調(diào)控液泡Na+/H+方轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性[37]。

5 細(xì)胞中K+動態(tài)平衡

細(xì)胞質(zhì)高K+/ Na+比對維持細(xì)胞代謝是至關(guān)重要的。在鹽脅迫下，Na+ 和K+以互相競爭的方式進(jìn)入根部細(xì)胞。在鹽脅迫下，K+轉(zhuǎn)運(yùn)器基因的表達(dá)水平下調(diào)或上調(diào)，可能反映在鹽脅迫下不同植物對K+吸收能力的差異。鹽脅迫增加了擬南芥根部K+轉(zhuǎn)運(yùn)器基因AtKC1的轉(zhuǎn)錄水平[38]。在冰葉日中花植物中，KMT1 （1個 AKT/KAT家族成員）和不同的HAK/KUP（高親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)器或K+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)器）類型基因表達(dá)上調(diào)，然而MKT1（另外一個AKT/KAT家族成員）的表達(dá)下調(diào)[39-40]。由于轉(zhuǎn)運(yùn)器特點(diǎn)和體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)器的角色不清楚，這種轉(zhuǎn)錄水平調(diào)節(jié)的重要性很難確定。蛋白激酶[41]和磷酸化酶[42]調(diào)節(jié)K+通道的活性。然而，鹽脅迫通過這些或其他的蛋白激酶和磷酸化酶來調(diào)節(jié)K+吸收轉(zhuǎn)運(yùn)器的活性還不得而知。利用來自赤桉的2個HKT1的同系物，發(fā)現(xiàn)一個新穎的活性調(diào)節(jié)模式[43]。這些Na+/K+共轉(zhuǎn)運(yùn)器在爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)，有內(nèi)在的滲透感受能力。Na+ 和 K+轉(zhuǎn)運(yùn)器活性由于降低細(xì)胞外的滲透液濃度而得到提高。

擬南芥sos突變體在低K+限制條件下表現(xiàn)生長缺陷[44]。Athkt1突變體抑制了鹽超敏，sos3突變體K+獲得缺陷[12]。SOS信號途徑可能是間接的。sos突變體Na+溢出缺陷可能導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)Na+過多，從而抑制K+吸收轉(zhuǎn)換器如AKT1的活性（圖1）。在低K+限制條件下，盡管生長在有足夠NaCl的介質(zhì)中，sos突變體細(xì)胞質(zhì)Na+的抑制水平上調(diào)。

6 結(jié)論

在許多植物中，發(fā)現(xiàn)多種H+、K+和Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。現(xiàn)已明確了鹽脅迫調(diào)控這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)和活性。有證據(jù)表明，SOS途徑在脅迫一些轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。未來的工作應(yīng)針對那些還沒有確定的鹽脅迫感受器蛋白的發(fā)現(xiàn)方面和鑒定額外的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)化合物。它調(diào)控著鹽脅迫下離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的表達(dá)和活性。

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