鞏雪峰，宋占鋒*，苗明軍，李躍建

(1 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，成都 610066；2四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，成都 610066)

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Ca2+信號(hào)在植物與環(huán)境微生物互相作用中的分子調(diào)控機(jī)制

鞏雪峰1，宋占鋒1*，苗明軍1，李躍建2

(1 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，成都 610066；2四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，成都 610066)

自然界植物與環(huán)境微生物之間的相互關(guān)系除了脅迫以外，同時(shí)也有互利互惠的共生互作關(guān)系。無(wú)論是能對(duì)植物造成脅迫傷害的植物-病原菌互作體系，還是能夠?yàn)橹参锾峁I(yíng)養(yǎng)的植物-微生物共生互作體系，其細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中Ca2+信號(hào)的分子調(diào)控對(duì)兩種互作體系都有著非常重要的作用。該文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)植物-病原菌和植物-微生物互作體系在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中Ca2+信號(hào)上游的分子調(diào)控機(jī)制分別進(jìn)行了綜述。

Ca2+信號(hào)；內(nèi)共生；病原菌；細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

自然界中，植物與動(dòng)物的本質(zhì)區(qū)別之一是沒(méi)有自然行走的能力，它們一旦固定了生長(zhǎng)環(huán)境，一生都不可更換。那么，當(dāng)植物在遭受環(huán)境帶來(lái)的不適時(shí)，它們就不能用移動(dòng)或者遷移的方式躲避傷害。通常植物既要面對(duì)由環(huán)境氣候改變而帶來(lái)的各種逆境刺激，如干旱、寒冷、高溫、高濕等非生物脅迫；也要面對(duì)其所在自然生物群落中各種外源微生物的侵染，如由病原菌導(dǎo)致的生物脅迫。植物為了生存，只能通過(guò)將外界脅迫信息整合到內(nèi)在細(xì)胞中，再通過(guò)完整、精確的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)體系實(shí)現(xiàn)對(duì)自身機(jī)制的調(diào)節(jié)。在這個(gè)過(guò)程中，外源脅迫刺激被細(xì)胞膜識(shí)別進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，并以特異的信號(hào)形式傳遞給細(xì)胞核，隨后轉(zhuǎn)化成能適應(yīng)這個(gè)刺激的特異基因表達(dá)，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)答反應(yīng)，最終調(diào)控植物生理和生長(zhǎng)[1]。

在一個(gè)自然生物群落中，植物受到環(huán)境微生物的入侵后，彼此隨即建立相互作用的關(guān)系。這種關(guān)系除了脅迫以外，同時(shí)也存在互利互惠的共生關(guān)系。植物與微生物的互作關(guān)系就微妙得猶如硬幣的正反面，雖然一面有害，但是另一面又有利。其正反雙方內(nèi)在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)體系信號(hào)調(diào)控分子具有相似性，該相似性反應(yīng)為Ca2+對(duì)胞內(nèi)信號(hào)通路所具有的調(diào)控作用。研究表明，微生物如根瘤菌或者叢枝菌根菌等是通過(guò)互惠的內(nèi)共生信號(hào)系統(tǒng)入侵到植物的根系細(xì)胞，形成根瘤或根系生節(jié)的過(guò)程。在該信號(hào)通路中，植物與微生物雙方成功發(fā)生互作的標(biāo)志即是鈣離子振蕩(Ca2+oscillation)的形成[2-4]。與此同時(shí)，病原菌微生物與植物的互作是植物通過(guò)先天免疫系統(tǒng)抵御外源刺激的過(guò)程。在該信號(hào)通路中，細(xì)胞質(zhì)第二信使Ca2+通過(guò)參與瞬間改變細(xì)胞質(zhì)鈣離子濃度([Ca2+]cyt)的形式將刺激信號(hào)傳遞至下游[5-10]。

在上述兩個(gè)植物細(xì)胞信號(hào)通路系統(tǒng)中，Ca2+將細(xì)胞外的刺激以信號(hào)的形式整合到細(xì)胞內(nèi)，同時(shí)將刺激信號(hào)特異地放大并傳遞到下游，細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，誘導(dǎo)相應(yīng)基因表達(dá)和細(xì)胞應(yīng)答。只有Ca2+信號(hào)上游的細(xì)胞膜受體對(duì)外界刺激實(shí)現(xiàn)跨膜轉(zhuǎn)換，激活細(xì)胞膜系統(tǒng)上鈣離子通道的開放，引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度在時(shí)間、空間、頻率、幅度等不同形式的特異性變化后，才能導(dǎo)致下游特異的基因表達(dá)及生理應(yīng)答。因此，在環(huán)境微生物與植物互作的分子機(jī)制中，Ca2+信號(hào)的調(diào)控是植物感受外界刺激后引起細(xì)胞信號(hào)應(yīng)答及生理反應(yīng)的主要調(diào)控因子之一，對(duì)整個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)體系發(fā)揮著非常重要的作用。

近年來(lái)，科學(xué)家在植物基因組學(xué)領(lǐng)域?qū)χ参锘蚬δ艿奶剿饕呀?jīng)取得了大量的研究成果。從而使得我們對(duì)植物共生互作和生物脅迫互作體系有了更深層次的了解。本文就植物細(xì)胞Ca2+上游信號(hào)分子在微生物與植物的共生互作和脅迫互作中的調(diào)控進(jìn)行概述。

1 植物與微生物互作的正面關(guān)系——植物內(nèi)共生體系

自然界多數(shù)植物能夠與微生物建立互利互惠的共生關(guān)系，形成植物根系內(nèi)共生體系(symbiosis pathway)。在內(nèi)共生體系中，目前研究最廣泛的兩個(gè)類型分別是真菌類的叢枝菌根菌(arbuscular mycorrhizal fungi)-植物互作[11]，以及細(xì)菌類固氮根瘤菌(rhizobial bacteria)-豆科植物的互作[12]。通常在根瘤菌(rhizobium)-豆科植物互作的根細(xì)胞內(nèi)共生體系中，根瘤菌將環(huán)境中的氮?dú)膺€原為植物可利用的含氮化合物，同時(shí)根瘤菌則從植物根系獲得其生長(zhǎng)繁殖所需的能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，最終促成植物根系結(jié)瘤[13-14]。在叢枝菌根菌-植物互作的根細(xì)胞內(nèi)共生體系中，菌根菌所形成叢枝菌絲(arbuscule)能夠擴(kuò)大根系與土壤的接觸面積，增加根系對(duì)土壤中水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素(尤其是P)的吸收。叢枝菌根再通過(guò)植物根系獲得生長(zhǎng)和生節(jié)所需的碳水化合物以及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[15]。

在共生互作體系中，細(xì)菌和真菌分別對(duì)宿主植物進(jìn)行侵染，宿主植物的根細(xì)胞固定根瘤菌或叢枝菌根菌后并分別釋放化學(xué)信號(hào)類黃酮(flavonoids)或獨(dú)腳金內(nèi)酯(strigolactones)，誘導(dǎo)宿主根細(xì)胞自身產(chǎn)生信號(hào)分子結(jié)瘤因子(nod factors)或菌根因子[Myc(orrhizal) factors]，并進(jìn)入宿主植物細(xì)胞，開啟共生信號(hào)通路(symbiotic signalling)，激活細(xì)胞共生信號(hào)應(yīng)答反應(yīng)體系(圖1，A)[16]。信號(hào)分子結(jié)瘤因子和菌根因子在結(jié)構(gòu)上都屬于脂質(zhì)幾丁寡糖類物質(zhì)(lipochitooligosaccharides，即LCOs)[16-17]。

在根瘤菌-豆科植物互作體系中，結(jié)瘤因子通過(guò)識(shí)別細(xì)胞膜上含有LysM受體激酶結(jié)構(gòu)域(lysine motif)的受體蛋白進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，目前，已被定義的受體蛋白如百脈根(Lotusjaponicus)細(xì)胞膜上的受體蛋白NFR1 (nod-factor receptor 1) 和NFR5 (nod-factor receptor 5)；豆類植物細(xì)胞膜上的受體蛋白 SYM2(symbiosis receptor 2)[18-20]。共生信號(hào)通路中同時(shí)也有另一類受體如百脈根細(xì)胞膜上SYMRK蛋白(symbiosis receptor-like kinase)和蒺藜苜蓿(Medicagotruncatula)的DMI2受體蛋白，也稱NORK(does not make infection 2/nordulation receptor kinase)。這兩個(gè)受體都含亮氨酸重復(fù)序列LRR(leucine-rich-repeat)，但目前該類受體的功能尚未得到完整定義，研究報(bào)道指出在共生信號(hào)體系中SYMRK或DMI2是作為受體復(fù)合體轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)瘤信號(hào)[19-20]。叢枝菌根菌-植物互作體系與根瘤菌-豆科植物互作基本相似，菌根菌與蒺藜苜蓿根細(xì)胞共生體系信號(hào)的應(yīng)答反應(yīng)，菌根菌同樣依賴所產(chǎn)生的菌根因子LCOs類物質(zhì)來(lái)啟動(dòng)與宿主植物根系的生節(jié)生長(zhǎng)反應(yīng)，通過(guò)識(shí)別根細(xì)胞膜上LysM受體蛋白激酶(lysine-like kinase)類物質(zhì)[17]。

A. 植物—根瘤菌/叢枝菌根互作信號(hào)通路;B. 植物—病原菌互作信號(hào)通路圖1 植物與環(huán)境微生物互作信號(hào)通路A. The signaling pathway on plant-Rhizobium / Arbuscule interaction; B. The signaling pathway on plant-pathogen interactionsFig.1 The signaling pathway on plant and environmental microorganism interactions

根瘤因子和菌根因子通過(guò)細(xì)胞膜受體蛋白進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)共生信號(hào)級(jí)聯(lián)通路，隨后信號(hào)分子鈣在細(xì)胞核和核膜區(qū)域發(fā)生鈣離子振蕩[12,16]。研究指出，蒺藜苜蓿DMI1(doesn’t make infections 1)在根瘤菌結(jié)瘤的過(guò)程中與產(chǎn)生鈣信號(hào)有關(guān)。DMI1就是產(chǎn)生鈣離子振蕩的通道蛋白[21]。該蛋白由于其基因缺陷突變體苗不能結(jié)瘤而得名[22]。通過(guò)熒光GFP融合蛋白和免疫金標(biāo)記技術(shù)表明，DMI1被定義在表皮細(xì)胞核膜的內(nèi)核上[23-24]。目前DMI1對(duì)鈣離子信號(hào)如何進(jìn)行調(diào)控還沒(méi)有完全被揭示，Capoen、Charpentier等認(rèn)為DMI1蛋白自身并不是鈣離子通道，在信號(hào)級(jí)聯(lián)中是一個(gè)能夠通過(guò)第二信使活化的鉀離子通道。通過(guò)改變細(xì)胞核膜上的膜電位，進(jìn)而激活核膜上的未知電壓門控型鈣離子通道[21,24]。也有另一種認(rèn)為，DMI1可能扮演由反離子到鈣離子通道的作用[25]。

DMI1同源蛋白質(zhì)家族都共同擁有RCK功能結(jié)構(gòu)域。RCK是電導(dǎo)調(diào)節(jié)鉀離子(regulate the conductance of K+)結(jié)構(gòu)域。晶體結(jié)構(gòu)研究揭示，在細(xì)菌MthK鈣離子激活鉀離子通道(M.thermautotrophicumK+channel)中，C端的RCK結(jié)構(gòu)域?qū)νǖ赖拇蜷_起主要作用。MthK復(fù)合體一共有8個(gè)RCK結(jié)構(gòu)域，在細(xì)胞內(nèi)膜表面形成一個(gè)門控環(huán)。4個(gè)RCK結(jié)構(gòu)域?qū)儆贛thK全長(zhǎng)的亞基，另外4個(gè)是可溶性結(jié)構(gòu)域。當(dāng)鈣離子結(jié)合到該結(jié)構(gòu)域，則會(huì)導(dǎo)致通道離子門控打開[26-28]。在dmi1突變體和DMI1酵母表達(dá)的試驗(yàn)中，DMI1的功能會(huì)隨 RCK結(jié)構(gòu)域的改變而改變[21]。

無(wú)論是單子葉植物還是雙子葉植物都存在DMI1同源蛋白質(zhì)，而目前在同源蛋白中僅有一小部分得到研究。在豆科模式植物百脈根的研究報(bào)道中，同源蛋白CASTOR和POLLUX的功能在叢枝菌根和根瘤菌共生體系中和DMI1類似，對(duì)細(xì)胞核鈣離子振蕩發(fā)揮著重要作用。電生理學(xué)和酵母互補(bǔ)分析研究表明CASTOR和POLLUX是鉀離子滲透型通道。GFP融合蛋白的實(shí)驗(yàn)表明它們位于細(xì)胞核區(qū)域的核膜上[29]。POLLUX是更接近DMI1的基因，但是POLLUX在苜蓿中不能單獨(dú)完成和DMI1同樣功能。目前認(rèn)為菌根因子和結(jié)瘤因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是由CASTOR和POLLUX共同激活第二信使，使細(xì)胞核周區(qū)域鉀離子流入，最終導(dǎo)致超極化并激活未知門控電壓鈣離子通道[30]。豌豆(Pisumsativum)作物中同源蛋白SYM8在蒺藜苜蓿突變體中能夠互補(bǔ)DMI1的功能[31]。在非結(jié)瘤植物中也有DMI1的同源蛋白。研究發(fā)現(xiàn)水稻OsCASTOR和OsPOLLUX缺陷型突變體不能建立叢枝菌根共生體系。說(shuō)明這兩個(gè)基因是叢枝菌根共生體系信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的重要原件。另外， OsPOLLUX能夠修復(fù)蒺藜苜蓿dmi1-1突變體的結(jié)瘤，但不能感染叢枝菌根[32]。

在內(nèi)共生信號(hào)級(jí)聯(lián)通路Ca2+信號(hào)的下游，鈣調(diào)素CCaMK(也稱DMI3)(calcium-and-calmudulin-dependent protein kinase/ dose not make infection 3)位于細(xì)胞核，結(jié)合CYCLOPS互作，感知并解碼鈣振蕩信號(hào)[4,33]，對(duì)共生信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。轉(zhuǎn)錄因子NSP1(nodulation signalling pathway 1)和NSP2等誘導(dǎo)基因表達(dá)[34-36]，最終產(chǎn)生根瘤菌在植物根細(xì)胞的結(jié)瘤以及叢枝菌根在植物根細(xì)胞的生節(jié)反應(yīng)，完成整個(gè)共生互作通路[37]。

2 植物與微生物脅迫互作的反面關(guān)系——植物防御體系

病原微生物(也就是病原菌)能夠與植物產(chǎn)生互作作用，對(duì)植物產(chǎn)生致病物質(zhì)，造成各種感染性病害。例如，炭疽菌屬真菌(Colletotrichum)，能夠侵染大多數(shù)糧食作物和果蔬植物，致使其莖葉及果實(shí)等出現(xiàn)褐色病斑與褐色凹陷，最終導(dǎo)致死亡。不僅影響糧食、果蔬的品質(zhì)和產(chǎn)量，而且給植物生長(zhǎng)和繁殖造成毀滅性災(zāi)害。

當(dāng)植物遭受病原微生物脅迫入侵時(shí)，為保護(hù)自身不受病原菌的侵害，先天免疫系統(tǒng)(innate immunity)被激活，該系統(tǒng)是植物細(xì)胞內(nèi)在復(fù)雜的防御反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)體系。植物先天免疫體系分為兩個(gè)部分[38]：Ⅰ.病原物激發(fā)植物細(xì)胞相關(guān)分子模式的免疫(PAMPs-triggered immunity，PTI)，即PAMP誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)；Ⅱ.效應(yīng)因子觸發(fā)的相關(guān)分子模式的免疫(effector-triggered immunity，ETI)，即效應(yīng)誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)。PTI是由基礎(chǔ)防御(basal defence responses)構(gòu)成，能夠幫助植物抵御大部分病原微生物侵染。而ETI是依賴效應(yīng)蛋白(effect protein)和防御蛋白(resistance protein， R-Protein)識(shí)別病原微生物分泌的效應(yīng)子引發(fā)特異反應(yīng)，例如過(guò)敏反應(yīng)HR (hypersensitive response)，能使細(xì)胞程序性死亡[38-40]。

先天免疫系統(tǒng)信號(hào)通路是從植物細(xì)胞膜上的受體PRR (pattern-recognition receptor)識(shí)別病原菌微生物保守的分子模式PAMPs(pathogen-associated molecular patterns)開始的[39]。PAMPs分子不是病原微生物所特有的，而是廣泛存在于微生物中，例如，典型的PAMPs分子模式flg22和elf18，flg22是細(xì)菌鞭毛蛋白(flagellin)N端的22個(gè)氨基酸保守區(qū)域，該段氨基酸序列可以取代鞭毛蛋白的完整序列對(duì)植物引起刺激反應(yīng)[41-43]。細(xì)菌延伸因子(EF-TU)與鞭毛蛋白類似，是一種非常保守的蛋白，elf18是乙酰化N端具有18個(gè)氨基酸的保守序列，可發(fā)揮EF-TU的全功能[44]。

在對(duì)受體PRRs研究中，已有被完整定義的受體蛋白。如，識(shí)別細(xì)菌鞭毛蛋白flg22的FLS2受體(flagellin sensing 2)和識(shí)別細(xì)菌延伸因子elg18的EFR受體(elongation factor tu receptor)，這2個(gè)PRR受體蛋白都富含亮氨酸的重復(fù)序列LRR(leucine-rich-repeat)受體蛋白激酶結(jié)構(gòu)域，為L(zhǎng)RR-type受體激酶[43,45-46]。同時(shí)，擬南芥BAK1受體(BRI1-associated receptor kinase 1)富含亮氨酸的重復(fù)序列LRR，能夠迅速與FLS2或者EFR形成共受體復(fù)合物結(jié)構(gòu)，識(shí)別PAMPs進(jìn)入細(xì)胞[47-50]。受體蛋白激酶BAK1(又稱SERK3)是雙元受體，既作為激素信號(hào)構(gòu)成組件參與調(diào)控植物油菜素內(nèi)脂BR的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，也是病原菌PRRs受體成員，參與病原菌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[51]。

在免疫系統(tǒng)信號(hào)級(jí)聯(lián)通路的分子機(jī)制早期，PAMPs誘導(dǎo)受體信號(hào)識(shí)別開啟信號(hào)級(jí)聯(lián)通路(如圖1，B 所示)。細(xì)胞膜上的離子通道對(duì)病原菌感知，鈣離子作為細(xì)胞質(zhì)第二信使并瞬間向細(xì)胞質(zhì)內(nèi)流[8]，引起胞質(zhì)鈣離子[Ca2+]cyt濃度瞬間提高，鈣離子濃度急劇增加甚至能持續(xù)增加幾分鐘[7,52]。目前在植物基因組中有57個(gè)編碼的離子通道[53]，大約有40個(gè)是屬于2組蛋白質(zhì)家族的。他們分別是谷氨酸受體通道GLR(glutamate receptor)和環(huán)核苷酸門控通道CNGC(cyclic nucleotide gated channel)。GLRs的同源蛋白家族是發(fā)現(xiàn)于哺乳動(dòng)物神經(jīng)中樞系統(tǒng)的無(wú)選擇性配體門控離子通道(包括鈣離子)，植物GLRs已證實(shí)能夠轉(zhuǎn)導(dǎo)植物細(xì)胞的鈣離子[54]，但目前缺乏直接的證據(jù)來(lái)證明病原菌防御信號(hào)中胞質(zhì)鈣離子信號(hào)產(chǎn)生是由GLRs引起的[55]。另一類植物離子通道CNGCs家族蛋白通道(即CNGC1-20)能結(jié)合被激活的環(huán)磷酸腺苷cAMP或者環(huán)磷酸鳥苷cGMP的通道蛋白。目前已經(jīng)有大量證據(jù)證明植物免疫反應(yīng)中，鈣離子信號(hào)與CNGCs調(diào)控有關(guān)，位于細(xì)胞膜上的環(huán)核苷酸離子通道家族CNGCs則負(fù)責(zé)病原菌信號(hào)通路釋放鈣離子到細(xì)胞質(zhì)的作用[40]。

CNGC是非選擇性配體陽(yáng)離子門控通道，其結(jié)構(gòu)包括6個(gè)跨膜區(qū)和位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)多肽鏈C端的鈣調(diào)素結(jié)合區(qū)域(cyclic nucleotide binding domain，CNBD)[56]。CNBD是一個(gè)重疊結(jié)構(gòu)域，參與環(huán)核苷酸的結(jié)合，又參與鈣調(diào)素蛋白的結(jié)合。受體PRRs激活分布在質(zhì)膜或者胞質(zhì)的核苷酸環(huán)化酶，環(huán)核苷酸的濃度得到上升后，激活了CNGC離子通道，使細(xì)胞質(zhì)鈣離子濃度上升。研究發(fā)現(xiàn)，CNGC2和CNGC4的擬南芥功能缺失突變體苗dnd1(defence-no-death 1 mutant)和hlm1 (the HR-like lesion mimic 也稱作dnd2)能夠改變無(wú)毒性病原菌(Pseudomonassyringae)的侵染，突變體苗能夠修復(fù)過(guò)敏反應(yīng)HR[57-60]。CNGC2和CNGC4已被證實(shí)能夠調(diào)控植物免疫系統(tǒng)級(jí)聯(lián)通路中細(xì)胞質(zhì)鈣離子躍遷[5,56]。通過(guò)刪除了3 kb CNGC基因片段的突變體苗cpr22(constitutive expresser of pathogen related genes 22)的表現(xiàn)型能夠反映CNGC11/12 的基因型。cpr22突變體的研究結(jié)果表明，CNGC11/12能引起過(guò)敏反應(yīng)(HR-like)導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并發(fā)現(xiàn)該過(guò)程依賴鈣離子的細(xì)胞跨膜內(nèi)流[61-63]。

科學(xué)家在對(duì)茄科作物西紅柿(Solanumlycopersicum)和馬鈴薯(Solanumtuberosum)的大量易感基因(susceptibility genes,Sgenes)的研究中，利用RNA干擾(RNA interference, RNAi)技術(shù)，將西紅柿和馬鈴薯中編碼了CNGC2的同源基因SlDND1和StDND1沉默失活。研究表明，RNAi突變體Sldnd1的新葉片和老葉片在沒(méi)有接種病原菌的情況下有自發(fā)的細(xì)胞壞死現(xiàn)象；而Stdnd1和擬南芥CNGC2突變體(也稱作Atdnd1)都具有侏儒型表現(xiàn)型，并且也有自發(fā)的細(xì)胞壞死現(xiàn)象[64]。結(jié)果證實(shí)，作物西紅柿和馬鈴薯的擬南芥CNGC2同源基因?qū)ν硪卟『桶追鄄【哂袕V譜抗性[64]。

近年來(lái)研究者還發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞內(nèi)如葉綠體等細(xì)胞器在生物脅迫條件下能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生特異的Ca2+信號(hào)[65]。Nomura等通過(guò)煙草及擬南芥模式植物的研究認(rèn)為外源PAMPs信號(hào)通過(guò)未知信號(hào)通路在細(xì)胞質(zhì)鈣離子濃度[Ca2+]cyt瞬時(shí)提高之后約1～2 min，葉綠體基質(zhì)的Ca2+濃度也隨之出現(xiàn)約10 min持續(xù)的增加[65]。定位于基粒膜上的鈣敏感受體結(jié)合蛋白CAS (calcium-sensing receptor) 參與了葉綠體Ca2+信號(hào)的傳遞。PAMPs分子模式中，CAS膜蛋白通過(guò)參與葉綠體Ca2+信號(hào)的傳遞，引起了煙草和擬南芥突變體免疫反應(yīng)的基礎(chǔ)防御反應(yīng)以及過(guò)敏反應(yīng) HR[66,67]。

鈣離子信號(hào)產(chǎn)生后被下游信號(hào)組件包括鈣調(diào)素CAM以及鈣調(diào)素結(jié)合蛋白CML(calmodulin-like protein)級(jí)聯(lián)有絲分裂原激活蛋白激酶MAPK(mitogen-activated protein kinase)、類鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶B亞基蛋白CBL(calcineurin B-like protein)、鈣依賴型蛋白激酶CDPK(Ca2+-dependent protein kinases)等特異的解碼。鈣離子信號(hào)下游的其他信號(hào)如ROS被激活，NO隨之產(chǎn)生[40,68,69]，誘導(dǎo)基因表達(dá)。最終產(chǎn)生免疫應(yīng)答，如過(guò)敏反應(yīng)HR，胼胝質(zhì)沉積(callose deposition)和幼苗生長(zhǎng)抑制(seedling growth inhibition)[70]以及氣孔關(guān)閉隨之產(chǎn)生[71]。

3 展 望

在植物-微生物互作信號(hào)通路體系中，鈣離子作為細(xì)胞第二信使將外源刺激轉(zhuǎn)導(dǎo)形成特異的鈣信號(hào)，隨之將信號(hào)傳遞給下游解碼鈣信號(hào)的鈣感受蛋白，最終完成信號(hào)通路對(duì)微生物刺激信號(hào)的響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，倘若在整個(gè)信號(hào)通路體系細(xì)胞膜系統(tǒng)上相應(yīng)調(diào)控Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道蛋白缺失或失活，通路將不能實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物刺激的反應(yīng)應(yīng)答，進(jìn)而導(dǎo)致植物的特異生物學(xué)表現(xiàn)型(表1)。深入探索農(nóng)作物中與Ca2+信號(hào)相關(guān)的同源蛋白，對(duì)農(nóng)業(yè)育種及生產(chǎn)具有重要意義。迄今，植物-微生物互作體系中與Ca2+信號(hào)有關(guān)蛋白的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。雖然調(diào)控Ca2+信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道蛋白已經(jīng)相繼得到鑒定和分離，但是研究結(jié)果尚不能完整詮釋外源微生物刺激是如何準(zhǔn)確的在細(xì)胞內(nèi)通過(guò)已知鈣通道蛋白產(chǎn)生特異Ca2+信號(hào)，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度又如何以時(shí)間、空間、頻率、幅度等形式表達(dá)Ca2+信號(hào)并特異地調(diào)控信號(hào)通路下游細(xì)胞生理應(yīng)答反應(yīng)等問(wèn)題。在研究的過(guò)程中，一方面在不同的發(fā)育階段和不同的組織器官上外源微生物對(duì)不同種類植物的刺激具有差異性；另一方面各細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間存在著復(fù)雜、多樣的信號(hào)系統(tǒng)相互作用，形成了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)(cross talk)，這為深入研究特異的Ca2+信號(hào)帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。研究者們通過(guò)分子克隆、定點(diǎn)突變等方法，利用膜片鉗技術(shù)，對(duì)離子通道分子結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能關(guān)系作深入研究；近年來(lái)，研究者們通過(guò)基因工程的方法將Ca2+生物熒光蛋白指示劑Yellow Cameleon (YC) 和aequorin(水母蛋白)轉(zhuǎn)入待研究野生型或轉(zhuǎn)基因植物體內(nèi)，在植物細(xì)胞中建立能夠穩(wěn)定表達(dá)YC熒光蛋白和水母蛋白的高效、快捷、穩(wěn)定的科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。通過(guò)構(gòu)建的植物Ca2+生物熒光蛋白體系，結(jié)合鈣離子拮抗劑如EGTA、U73122、TMB-8等化學(xué)物質(zhì)[9]，應(yīng)用不同外源微生物激發(fā)子誘導(dǎo)植物產(chǎn)生鈣離子信號(hào)的瞬時(shí)變化，在植物整體和細(xì)胞水平上對(duì)實(shí)時(shí)、定點(diǎn)、動(dòng)態(tài)、可視地檢測(cè)鈣離子信號(hào)的瞬時(shí)變化進(jìn)行分析，為進(jìn)一步揭示Ca2+信號(hào)的分子機(jī)制進(jìn)行努力。綜上所述，對(duì)植物細(xì)胞Ca2+信號(hào)的研究，目前主要局限擬南芥、蒺藜苜蓿等模式植物種類中，通過(guò)基因工程建立植物-Ca2+生物熒光蛋白實(shí)驗(yàn)體系，研究糧油作物和園藝作物等的同源Ca2+通道蛋白，具有前沿性和實(shí)踐意義。

表1 植物-微生物互相作中與鈣離子信號(hào)有關(guān)的通道蛋白

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(編輯:裴阿衛(wèi))

Regulation Molecular Mechanisms of Ca2+Signaling on Plant-Environmental Microorganism Interactions

GONG Xuefeng1, SONG Zhanfeng1*, MIAO Mingjun1, LI Yuejian2

(1 Horticulture Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China; 2 Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610066, China)

Interactions between plant and environmental microorganism not only existed stress relationship but also possessed symbiotic relationship. Whether on plant-pathogen interaction system caused damage to plant or on plant symbiotic system provided nutrition for plant, the regulation molecular mechanism of Ca2+signaling in cell transduction pathways all played important roles. In this review, we focused on both interaction systems of regulation upstream mechanism of Ca2+signaling in the cell transduction pathway in details.

Ca2+signaling; symbiosis; pathogen; cell signaling transduction

1000-4025(2016)10-2128-09

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.10.2128

2016-06-17;修改稿收到日期:2016-09-19

四川省財(cái)政創(chuàng)新能力提升工程專項(xiàng)資金，青年基金項(xiàng)目(2016QNJJ-026)；四川省農(nóng)作物育種攻關(guān)項(xiàng)目，突破性蔬菜(食用菌)新品種選育(2011N0098-7)

鞏雪峰(1983-)，女，博士，助理研究員，主要從事辣椒環(huán)境脅迫育種及分子生物學(xué)研究。E-mail：xuefenggong@qq.com

*通信作者:宋占鋒，學(xué)士，副研究員，主要從事辣椒遺傳育種研究。E-mail：289544274@qq.com

Q789

A