刘默璇，沙伟，张梅娟，马天意

钙依赖蛋白激酶在植物中的研究进展

刘默璇1，2，沙伟1，2，张梅娟1，2，马天意1，2

（齐齐哈尔大学 1. 生命科学与农林学院，2. 抗性基因工程与寒地生物多样性保护黑龙江重点实验室，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

Ca2+在植物生长发育中是重要的第二信使，几乎介导了植物生长发育的全部过程．钙依赖蛋白激酶（CDPKs）是植物中重要的钙传感蛋白，钙依赖蛋白激酶是一类大的蛋白激酶家族，是典型的苏氨酸/丝氨酸类蛋白激酶，极大范围存在于各种原生动物和植物当中，参与多种生命活动的调控，它与钙传感蛋白结合，将钙信号向下游传递并级联放大，从而进行调控植物的生长发育以及胁迫响应．对植物CDPKs的结构、分类及生理功能方面进行介绍，为深入研究CDPKs提供理论基础．

钙依赖蛋白激酶；植物信号转导；植物发育调控

CDPKs全称是钙依赖蛋白质激酶（calcium-dependent protein kinase），又称作类钙调素结构域蛋白激酶（calmodulin-like domain protein kinase）[1]．CDPKs的作用底物具有多样性，包括酶、离子通道、水通道、转录因子等，同时还参与植物细胞内其它重要的信号通路，包括ABA（abscisic acid，ABA）信号转导通路、ROS（reactive oxygen species，ROS）信号通路、茉莉酸信号通路、乙烯信号通路、水杨酸合成途径、非生物胁迫应答等．近年来，CDPKs在抗逆应答方向上也获得了极大发展，CDPKs还能调节植物激素和非生物胁迫信号转导途径中的相关基因表达、代谢、离子通道、气孔运动等[2]1531．

大豆（）钙依赖性蛋白激酶代表了一类新的蛋白激酶活动需要钙，但不需要钙调素，至今是植物中研究较多的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，广泛分布于植物和一些原生生物中．钙作为细胞内第二信使，在植物中，细胞内Ca2+水平被调节以响应各种信号，包括激素、光、机械干扰、非生物胁迫和病原体引发剂等许多压力信号，Ca2+水平的变化经常伴随着蛋白质磷酸化的改变，这一过程主要是由钙依赖蛋白激酶完成的，从而证明CDPKs在增强非生物胁迫能力方面的有效性[3]469．研究证明，CDPKs在植物环境胁迫时发挥作用，多种环境因子（如冷害[4]、光[5]、干旱[6]、盐害[7]5556、低渗透[8]等）都能导致CDPKs基因的特异性表达．目前，植物中很多CDPKs的基因已经被克隆，如在拟南芥（）基因组中发现CDPKs基因34个[8]、水稻（）31个[9]、小麦（）20个[10]、玉米（）35个[11]、毛果杨（）20个[12]．关于CDPKs基因的研究在理解植物生长发育以及增强植物抗环境胁迫能力方面具有非常重要的意义．

1　钙依赖蛋白激酶的结构特点和分类

植物中对Ca2+敏感的蛋白激酶的最大家族是CDPKs，这些蛋白激酶具有Ca2+结合EF-hand基序，在调控区类似CaM，Ca2+与这些区域的结合导致蛋白激酶活性的激活，因此CDPKs可以被认为是Ca2+信号的主要传感器[13]．保守的CDPKs结构由3个结构域组成，即N端可变结构域，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶结构域和CDPKs激活结构域CAD（CDPK activation domain）．CAD由假底物片段和与钙调蛋白高度同源的Ca2+结合结构域组成，因此包含以前的报道中描述为抑制性结合结构域和钙调蛋白样结构域CLD（calmodulin-like domain）的内容，CLD一般包含4个与Ca2+结合的EF hands基序．EF手型结构是成对存在的，因此可以当作有一个N端EF手型结构对（N-EF lobe）和C-端EF手型结构对（C-EF lobe）[14]．

钙依赖性蛋白激酶或钙调蛋白样结构域蛋白激酶超家族由4种类型的蛋白激酶构成．CCaMKs含有钙结合蛋白并含3个EF-hands可能在少数细胞中表达，CaMKs含相同的钙调蛋白结合位点，但缺少C末端包含EF-hands的CDPKs相关蛋白激酶，它们有催化作用与CDPKs及其C端密切相关的结构域与钙调素有一些序列相似性（20%同一性），但它们的EF-hands保守性差[15]．

2　钙依赖蛋白激酶基因的分离与克隆

钙依赖蛋白激酶广泛存在于植物、藻类及部分原生动物中，尚未在细菌、真菌、酵母、线虫和动物中发现[16]．细胞质CDPKs可以进入细胞质或质体表面[17]．钙可以通过刺激钙依赖性蛋白激酶作为第二信使发挥作用，黄瓜（）CDPKs基因编码的蛋白质与葡萄（）同源性最高，为73%，与蓖麻（）的同源性为70%，与大豆的同源性为67%，与琴叶拟南芥（）的同源性为67%，与高粱（）的同源性为63%，与玉米的同源性为61%，均在60%以上[18]．从拟南芥中克隆了编码钙依赖、钙调蛋白非依赖蛋白激酶的2个cDNA克隆，显示出与大豆CDPKs的显著相似性分别为51%和73%[19]．从烟草（）中分离出一个编码钙依赖蛋白激酶的cDNA与胡萝卜（）的CDPKs蛋白质DcCPK1高度同源，同源性为76.5%．烟草NtCDPK1与胡萝卜的CDPKs种DcCPK1高度同源，显示76.5%的氨基酸序列同一性[20]．

3　钙依赖蛋白激酶基因对植物体生长发育过程的阶段影响和生理响应

CDPKs参与细胞中多种亚细胞结构的生命活动，包括细胞核膜、细胞骨架等，由其磷酸化作用控制的信号传导途径控制着植物体不同生长发育过程，尤其是在遭受不同环境胁迫时使植物体做出快速的生理响应[21]．从美国红心芭蕉（）克隆出6个CDPKs基因，分别为MaCDPK1，MaCDPK2，MaCDPK3，MaCDPK4，MaCDPK5，MaCDPK6，这6个基因在幼苗的发育和适应非生物或者生物胁迫中发挥作用．其中，在各种胁迫下，6个MaCDPK反应不同，如MaCDPK3，MaCDPK5，MaCDPK6对低温有反应，MaCDPK6对盐胁迫有反应，而MaCDPK3，MaCDPK6对干旱有反应，并且MaCDPK3对生物和非生物胁迫敏感[22]．从铁皮石斛（）中分离出3个钙依赖蛋白激酶基因（DoCDPK1，DoCDPK2，DoCDPK6），并证明这3个基因在低温和高盐胁迫条件下，其表达量均呈现不同程度的上调，该结果表明CDPKs基因可能参与兰科植物菌根共生、生物和非生物胁迫响应等生理活动[23]．拟南芥CPK10基因表现出对干旱胁迫更加敏感的表型，而CPK10过表达系表现出增强的对干旱胁迫的耐受性．CPK6在拟南芥对盐/干旱胁迫的反应中起着积极的调节作用[24]．过表达OsCPK4在水稻植株中显著增强了对盐和干旱的耐受性压力，数据表明OsCPK4通过保护细胞膜免受盐胁迫和干旱胁迫的影响，在水稻盐胁迫和干旱胁迫反应中起到正向的调节作用来应激诱导的氧化损伤．这些研究表明，CDPKs在植物适应逆境过程中起到重要作用[25]．番茄（）LeCPK2在植物的热胁迫应答中发挥重要作用，能够有效保护植株免受高温胁迫的损害，是优秀的耐热（光）基因[26]．

钙依赖蛋白激酶可随植物细胞内的钙浓度变化而变化，并在抗病和各种胁迫反应的信号传导途径中发挥重要作用．小麦中对10个CDPKs进行干旱、盐度和脱落酸处理，被证明参与多种非生物胁迫．系统发育分析表明，这些基因与其它物种中的CDPKs关系密切，水稻CDPKs的过表达基因OsCDPK7为植物提供耐寒、耐盐和耐旱能力[27]654．

已有研究表明，拟南芥CDPKs家族成员参与了激素应答及非生物学胁迫诱导的多种信号转导过程，如CPK4，CPK11通过调控ABA信号途径参与了植物对盐和干旱胁迫的反应，CPK6，CPK10，CPK21，CPK23通过调控保卫细胞质膜上的阴离子通道介导了植物的抗旱反应[28]．

4　参与胞内信号转导

CDPKs是一个多基因家族，其功能涉及植物，生物和非生物胁迫各种信号转导途径促成CDPKs活动的一个因素是膜结合，磷脂是在压力下参与植物细胞信号通路迅速产生的．随后新合成的脂质可以通过将酶募集到膜位点来激活酶通过增加局部酶浓度促进监管互动[29]，钙在植物细胞信号传导中起着重要作用，并已经被证明其是参与脱落酸信号转导的重要第二信使[30]．钙依赖性蛋白激酶是植物和原生动物中丝氨酸/苏氨酸激酶的一个大家族．从烟草中分离出2个相关的CDPKs基因，这些CDPKs转录本在种族特异性防御引发和低渗透应激后升高[7]5556．面包小麦中CDPKs基因的首次全面研究，小麦CDPKs基因对各种生物和非生物刺激有反应，包括冷、过氧化氢、盐、干旱、白粉病（Blumeriagraministritici，Bgt）、植物激素脱落酸（abscisic acid，ABA），表明小麦CDPKs是多种信号转导途径的汇合点，并为小麦中这个重要基因家族的进一步功能研究奠定了基础[27]654．

5　参与气孔运动的调节

植物受到ABA诱导的气孔关闭，K+从细胞流出，有研究结果表明，刺激诱导保卫细胞中的钙通量可以激活CDPKs参与气孔运动的调节，开放过程使离子达到平衡状态，CDPKs介导的Ca2+参与反应[3]475．此外，各种刺激，如脱落酸、CO2和氧化应激可以快速诱导保卫细胞中细胞溶质钙离子浓度的增加，CDPKs在蚕豆（）保卫细胞原生质体中，细胞溶质Ca2+浓度增加在抑制气孔开放中起关键作用，而CDPKs自磷酸化和催化活性都依赖于Ca2+[31]．拟南芥AtCPK21已被证实参与植物渗透胁迫应答和气孔运动调控，AtCPK23被证实参与干旱和高盐胁迫应答、气孔运动调控[2]1536．

6　展望

近10多年来，各国的研究者对CDPKs进行了深入的研究，获得了一些成果和成就．蛋白质的可逆磷酸化是生物体中普遍存在的一种调节机制，在细胞对各种植物生长发育和逆境信号的识别与转导过程中发挥重要作用．随着越来越多蛋白激酶分离和功能的研究，揭示了CDPKs等蛋白激酶所催化的蛋白磷酸化作用，在植物细胞信号转导中具有重要地位．植物CDPKs的研究虽然起步较晚，但发展很快，作为细胞信号转导途径中的重要组成部分，越来越多的CDPKs基因正在从不同的植物中被克隆鉴定．对于CDPKs的生理功能和作用机理，现有的研究大都停留在表面阶段，还存在大量的难题．因此，加强对CDPKs内源底物和对CDPKs下游事件的研究将有助于清楚CDPKs的生理功能和作用机制．

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Research progress of calcium-dependent protein kinase in plants

Liu Moxuan1，2，Sha Wei1，2，Zhang Meijuan1，2，Ma Tianyi1，2

（1. School of Life Sciences，Agriculture and Forestry，2. Heilongjiang Provincial Key Laboratory of Resistance Gene Engineering and Protection of Biodiversity in Cold Areas，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Ca2+is an important second messenger in plant growth and development，and almost mediates the entire process of plant growth and development．Calcium-dependent protein kinases（CDPKs）are important calcium sensor proteins in plants．Calcium-dependent protein kinases are a large family of protein kinases，which are typical threonine/serine protein kinases．CDPKs exist in a wide range of protozoa and plants and are involved in the regulation of various life activities．CDPKs combine with calcium sensor proteins to transmit downstream calcium signals and cascade amplification，thereby regulating the growth and development of plants and stress responses．In this review，structure，classification and physiological functions of plant CDPKs were introduced，which might provide theoretical foundation for further research of CDPKs．

calcium-dependent protein kinase；plant signal transduction；plant development regulation

Q946.5

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.11.014

1007-9831（2020）11-0067-05

2020-07-20

黑龙江省省属高等学校基本科研业务费青年创新人才项目（135309364）；黑龙江省省属高等学校基本科研业务费科研项目植物性食品加工技术特色学科专项（YSTSXK201876）；黑龙江省人力资源和社会保障厅2018年省级留学回国人员择优资助项目

刘默璇（1996-），女，黑龙江北安人，在读硕士研究生，从事植物分子遗传学研究．E-mail：2489398945@qq.com

马天意（1989-），男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，博士，从事植物逆境分子遗传学研究．E-mail：tyma8902@hotmail.com