朱健康著 倪建平譯

（1中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物逆境生物學(xué)和分子植物學(xué)中心，上海201602；2普渡大學(xué)西拉法葉校區(qū)園藝系，美國(guó)47907；3中國(guó)水稻研究所，杭州310006）

植物非生物脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及應(yīng)答

朱健康1,2著 倪建平3譯

（1中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物逆境生物學(xué)和分子植物學(xué)中心，上海201602；2普渡大學(xué)西拉法葉校區(qū)園藝系，美國(guó)47907；3中國(guó)水稻研究所，杭州310006）

作為固著生物，植物必須適應(yīng)土壤鹽堿害、干旱以及極端溫度等非生物脅迫。植物主要脅迫信號(hào)途徑與酵母SNF1激酶和哺乳動(dòng)物AMPK激酶有關(guān)，顯示這些途徑可能由能量感知途徑進(jìn)化而來(lái)。脅迫信號(hào)通過(guò)調(diào)控離子和水的運(yùn)輸，代謝和轉(zhuǎn)錄重組過(guò)程中的關(guān)鍵蛋白以維持脅迫條件下離子和水的動(dòng)態(tài)平衡，保持細(xì)胞的穩(wěn)定。對(duì)非生物脅迫的信號(hào)傳遞和應(yīng)答過(guò)程的深入了解將有助于提高作物的逆境適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并保障日益增長(zhǎng)的世界人口的糧食安全。

非生物脅迫；植物；信號(hào)；應(yīng)答

植物需要應(yīng)對(duì)持續(xù)變化的環(huán)境，包括經(jīng)常性的不利于植物生長(zhǎng)和發(fā)育的脅迫環(huán)境。這些不良環(huán)境包括生物脅迫（如病原體感染和食草動(dòng)物的啃食）和非生物脅迫（例如干旱、高溫、冷害、營(yíng)養(yǎng)匱乏、鹽害以及土壤中鋁、砷、鎘等有毒金屬毒害）。干旱、鹽害以及溫度脅迫是影響植物的地理分布、限制農(nóng)作物產(chǎn)量，并威脅糧食安全的主要環(huán)境因子。極端天氣越來(lái)越頻繁的出現(xiàn)，將加劇非生物脅迫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響（Fedoroff et al,2010）。植物如何感受和響應(yīng)環(huán)境脅迫是一個(gè)根本性的生物學(xué)問(wèn)題。另外，提高植物抗逆性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境的可持續(xù)性也至關(guān)重要，因?yàn)榈涂鼓孀魑镄枰母嗟乃头柿?，極大增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。

區(qū)分缺水和高鹽導(dǎo)致的初級(jí)脅迫信號(hào)和次級(jí)脅迫信號(hào)，對(duì)于理解干旱脅迫和鹽脅迫來(lái)說(shuō)非常重要。干旱造成的初級(jí)脅迫信號(hào)是高滲透壓脅迫，通常被簡(jiǎn)稱為滲透脅迫。這是由于典型的低滲透壓條件對(duì)植物細(xì)胞來(lái)說(shuō)并不是問(wèn)題。鹽脅迫同時(shí)對(duì)細(xì)胞造成滲透脅迫和離子毒害。干旱脅迫和鹽脅迫的次級(jí)影響較復(fù)雜，包括導(dǎo)致氧化脅迫、破壞膜脂、蛋白質(zhì)和核酸等細(xì)胞組分，并引起代謝紊亂。因此，一些細(xì)胞應(yīng)答來(lái)自初級(jí)脅迫信號(hào),而另外一些主要來(lái)自次級(jí)信號(hào)。干旱脅迫和鹽脅迫有各自獨(dú)立和一些共同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。干旱和鹽脅迫的一個(gè)重要特征是滲透脅迫信號(hào)能夠引起植物激素脫落酸（ABA）的累積，進(jìn)而引起植物的適應(yīng)性反應(yīng)（Zhu,2002）。

本文綜述了已知的脅迫信號(hào)感受器，以及細(xì)胞器在脅迫感受和應(yīng)答中的作用；同時(shí)也概述了離子脅迫、滲透脅迫、ABA和溫度脅迫相關(guān)信號(hào)途徑的最新進(jìn)展。本文將重點(diǎn)介紹SNF1/AMPK相關(guān)蛋白激酶以及其他激酶是如何被激活，以及這些激酶如何應(yīng)答上游信號(hào)感受機(jī)制，并調(diào)控基因表達(dá)、新陳代謝、生理、生長(zhǎng)及發(fā)育等下游過(guò)程。

1 脅迫信號(hào)感知及潛在的感受器

不同的環(huán)境脅迫會(huì)引起植物在基因表達(dá)、代謝和生理性狀等方面的特異的反應(yīng)。因此可以推測(cè)，植物細(xì)胞能夠感知不同的環(huán)境信號(hào)。盡管科學(xué)家做出了諸多努力，目前也只發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾個(gè)脅迫感受器。感受蛋白的功能冗余，即一個(gè)感受蛋白的缺失并不導(dǎo)致脅迫應(yīng)答的顯著變化，可能是科學(xué)家面臨的主要困難。另外一種情形是，某個(gè)感受器可能是植物生長(zhǎng)必需的，而功能缺失突變體將不會(huì)存活，致使無(wú)法對(duì)其深入研究。此外，很難從技術(shù)上證明一種蛋白質(zhì)或其他大分子是物理信號(hào)（如滲透壓的變化、離子濃度或溫度）的感受器。這導(dǎo)致即使對(duì)于一些被廣泛承認(rèn)的細(xì)菌、酵母或者哺乳動(dòng)物的滲透或溫度受體，也缺乏這些受體直接感受滲透或溫度等物理信號(hào)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

擬南芥OSCA1（reduced hyperosmolality-induced calcium increase 1）被認(rèn)為是一個(gè)滲透脅迫的感受器（Yuan et al.,2014）。研究者利用水母發(fā)光蛋白（Aequorin）或其他鈣因子檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，高鹽、冷害、熱害導(dǎo)致的滲透脅迫以及氧化脅迫、重金屬和ABA處理會(huì)導(dǎo)致植物細(xì)胞質(zhì)自由鈣離子濃度增加。相對(duì)于野生型，osca1功能缺失突變體在山梨醇和甘露醇處理下鈣離子釋放減少（Yuan et al.,2014）。OSCA1基因編碼一種質(zhì)膜定位的滲透壓控制的鈣離子通道。由于突變體植株并無(wú)干旱脅迫或者鹽脅迫相關(guān)的表型，OSCA1對(duì)于滲透脅迫的重要性尚存疑問(wèn)。我們不清楚OSCA1如何感知滲透脅迫，推測(cè)可能是通過(guò)減少細(xì)胞膨脹，影響膜牽張以及質(zhì)膜和細(xì)胞壁的相互作用。在非植物體系中，許多機(jī)械敏感通道，包括TRP、MscS-like、Piezo、DEG/ENaC以及K2P已被發(fā)現(xiàn)（rnadóttir and Chalfie,2010;Hedrich, 2012）。動(dòng)物TRP通道是眾所周知的鈣通道，可以感知溫度或滲透壓波動(dòng)引起的膜變化（rnadóttir and Chalfie,2010）。植物基因組中缺乏TRP和DEG/ENaC基因，但含有一個(gè)MscS-like蛋白家族和一個(gè)Piezo同源體（Hedrich,2012）。一個(gè)擬南芥MscS-like蛋白MSL8，是花粉在缺水滲透脅迫下生存所必需的，研究表明，MSL8是低滲脅迫誘發(fā)的膜張力變化的感受器（Hamilton et al.,2015）。植物也有一個(gè)大的環(huán)核苷酸門(mén)控離子通道（CNGCs）家族以及類谷氨酸受體（GLR）家族，可能對(duì)于調(diào)控脅迫應(yīng)答的胞質(zhì)Ca2+信號(hào)具有重要作用（Swarbreck et al.,2013）。

最近報(bào)道的調(diào)控水稻冷脅迫感知的COLD1是另一個(gè)潛在的脅迫感受器。COLD1對(duì)于水稻亞種日本晴抵抗冷害（0～15℃）是必需的（Ma et al.,2015）。COLD1是一種細(xì)胞膜和ER的跨膜蛋白。COLD1與植物中α-異源三聚體G蛋白的RGA1亞基相互作用。作者推測(cè)，COLD1能調(diào)節(jié)鈣通道或者其本身就是一個(gè)冷激活鈣通道（Ma et al.,2015）。目前尚不清楚COLD1如何調(diào)控鈣信號(hào)并增強(qiáng)抗冷能力。

冷和熱都能影響細(xì)胞膜磷脂雙分子層的流動(dòng)性（Sangwan et al.,2002）。這種變化可能被一些整合膜蛋白，包括通道和各種其他轉(zhuǎn)運(yùn)體以及膜錨定受體激酶（RLKs）所感知。高溫脅迫下熱變性引起蛋白的錯(cuò)誤折疊也可能被與其結(jié)合的分子伴侶所感知（Scharf et al., 2012）。與錯(cuò)誤折疊蛋白的結(jié)合使熱脅迫轉(zhuǎn)錄因子從與分子伴侶結(jié)合態(tài)中釋放，并激活熱敏基因的表達(dá)。最近，H2A.Z-核小體被認(rèn)為是植物和酵母高溫感受體（Kumar and Wigge,2010）。作者認(rèn)為，H2A.Z-核小體包裝DNA比H2A-核小體包裝的DNA更加致密，溫度導(dǎo)致H2A.Z-核小體解離，使DNA更容易被Pol II轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)熱激蛋白（HSPs）及其他基因的表達(dá)。這是一個(gè)非常有吸引力的假設(shè)，但仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 細(xì)胞器脅迫應(yīng)答

圖1 不同細(xì)胞器中脅迫的感受和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

脅迫感知經(jīng)常被用來(lái)與配體的感知相比較，它被認(rèn)為通常發(fā)生在細(xì)胞表面或細(xì)胞膜上。然后，信號(hào)會(huì)傳遞到不同的亞細(xì)胞位置如細(xì)胞核。從理論上講，物理脅迫特別是溫度信號(hào)，可以在細(xì)胞的任何地方被感知，只要脅迫信號(hào)能導(dǎo)致細(xì)胞組分的狀態(tài)發(fā)生改變（蛋白質(zhì)、DNA、RNA、碳水化合物或脂肪）或區(qū)域化（如，代謝反應(yīng)的區(qū)域化），只要這些改變能夠影響其他細(xì)胞組分或活性。脅迫導(dǎo)致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）應(yīng)激蛋白質(zhì)折疊的變化，稱為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫，目前已被廣泛認(rèn)為是一個(gè)重要的細(xì)胞脅迫應(yīng)答方式。同樣，脅迫也與葉綠體、線粒體、過(guò)氧化物酶體、細(xì)胞核、細(xì)胞壁等細(xì)胞器有關(guān)，從所有細(xì)胞器產(chǎn)生的脅迫信號(hào)，被整合后調(diào)控逆境相關(guān)基因的表達(dá)及其他細(xì)胞活性，從而恢復(fù)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)（圖1）。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）脅迫

生物和非生物脅迫都會(huì)引起蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊或者未折疊蛋白質(zhì)的積累，這能被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上由特定的受體蛋白所感受并產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫。通過(guò)PKR類似的ER elF2a激酶，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫會(huì)導(dǎo)致一些編碼分子伴侶以及與增強(qiáng)蛋白折疊能力、調(diào)控ER相關(guān)降解（ERAD）或抑制蛋白質(zhì)翻譯相關(guān)基因的表達(dá)，從而降低加載到ER上的新合成蛋白質(zhì)的總量（Walter and Ron,2011)。這些變化幫助恢復(fù)ER內(nèi)的穩(wěn)態(tài)，即蛋白質(zhì)折疊的需求和折疊能力之間的平衡，被稱為未折疊蛋白反應(yīng)（UPR）。UPR是真核生物的一個(gè)保守的脅迫反應(yīng)（Walter and Ron,2011）。植物中兩類主要的ER脅迫受體已被確定：ER膜相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子和一個(gè)RNA剪接因子（Liu and Howell,2016）（圖1 B）。在ER中，亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)bZIP28可能通過(guò)與分子伴侶蛋白BIP（binding immunoglobulin protein）互作來(lái)感知熱信號(hào)和其他ER脅迫信號(hào)。未折疊或錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)在脅迫過(guò)程中積累并與BIP作用，從而使bZIP28從與BIP的結(jié)合狀態(tài)釋放出來(lái)并向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)。在高爾基體中，bZIP28被降解。bZIP28的胞質(zhì)部分則重新定位到細(xì)胞核，激活脅迫相關(guān)基因的表達(dá)并重建ER動(dòng)態(tài)平衡。bZIP28也可以感知能量水平和氧化還原狀態(tài)的改變，或與BIP以及包含DNAJ功能域的分子伴侶的相互作用等，致使其與BIP分離（Liu and Howell,2016）。鹽脅迫也以類似的方式激活bZIP17。此外，一些ER或者質(zhì)膜相關(guān)NAC轉(zhuǎn)錄因子可以被ER脅迫激活并參與UPR（Liu and Howell,2016）。植物第二種類型的ER脅迫感知器是IRE1，一種從酵母到后生動(dòng)物保守的剪接因子。據(jù)推測(cè)，植物IRE1蛋白質(zhì)以類似酵母中同源蛋白類似的方式結(jié)合未折疊蛋白并感知ER脅迫。擬南芥中激活的IRE1蛋白識(shí)別并剪接bZIP60和其他靶mRNAs。被剪接后的bZIP60會(huì)產(chǎn)生一個(gè)bZIP60變體，從而進(jìn)入細(xì)胞核激活UPR基因的表達(dá)（Liu and Howell,2016）。

4 葉綠體脅迫應(yīng)答

葉綠體是光合電子傳遞和許多代謝反應(yīng)發(fā)生的細(xì)胞器，葉綠體的代謝平衡很容易被環(huán)境脅迫影響。葉綠體穩(wěn)態(tài)的紊亂可以通過(guò)逆向（retrograde）信號(hào)傳遞到細(xì)胞核，以協(xié)調(diào)細(xì)胞活性，使其與葉綠體脅迫程度一致，調(diào)控糖和其他化合物的供應(yīng)（圖1C）。葉綠體是產(chǎn)生超氧陰離子、過(guò)氧化氫、羥基自由基和單線態(tài)氧等ROS的主要場(chǎng)所（Mignolet-Spruyt et al.,2016）。各種環(huán)境脅迫，特別是高光強(qiáng)會(huì)促使ROS產(chǎn)生，嚴(yán)重影響ROS控制系統(tǒng)，產(chǎn)生一系列的次級(jí)信號(hào)分子。

單線態(tài)氧觸發(fā)一個(gè)需要核基因編碼的定位于類囊體膜上的EXECUTER（EX1）和EX2兩個(gè)蛋白參與的信號(hào)途徑（Wagner et al.,2004）。由于葉綠素前體原葉綠素酸脂的積累，擬南芥flu突變體在由黑到亮轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生單線態(tài)氧的猝發(fā)。單線態(tài)氧的積累引發(fā)核基因表達(dá)劇烈變化，導(dǎo)致野生型植株出現(xiàn)缺綠表型和細(xì)胞死亡，而ex突變體不死亡（Wagner et al.,2004）。EX1 和EX2是否直接感知單線態(tài)氧，以及它們?nèi)绾螌尉€態(tài)氧信號(hào)傳遞到細(xì)胞核，都需要進(jìn)一步研究。單線態(tài)氧引發(fā)信號(hào)也可以不依賴于EX1和EX2，推測(cè)與β-胡蘿卜素非酶促氧化分解有關(guān)（Ramel et al.,2012）。

高光強(qiáng)和其他脅迫能夠?qū)е沦|(zhì)體代謝物甲基赤蘚醇環(huán)焦磷酸（MEcPP）含量的增加，MEcPP是一種類異戊二烯前體。MEcPP作為一個(gè)逆向信號(hào)，激活編碼質(zhì)體蛋白質(zhì)的逆境應(yīng)答核基因的表達(dá)（Xiao et al,2012）。另一個(gè)對(duì)應(yīng)激反應(yīng)非常重要的質(zhì)體代謝物是磷酸核苷3'-磷酸腺苷5'-磷酸鹽（PAP）。在干旱和高光強(qiáng)條件下PAP的含量增加（Estavillo et al,2011）。SAL1/FRY1是雙功能磷酸酶，可以使肌醇磷脂和PAP去磷酸化（轉(zhuǎn)變?yōu)锳MP）。SAL1/FRY1的功能缺失導(dǎo)致體內(nèi)PAP的積累。PAP抑制5'-3'-核糖核酸外切酶的活性，有助于增加一類干旱和高光強(qiáng)應(yīng)答基因的表達(dá)，從而改變抗旱性（Estavillo et al.,2011)。除了PAP和MEcPP，其他葉綠體代謝物，如四吡咯（Noren et al.,2016）和β-胡蘿卜素氧化分解產(chǎn)物（Ramel etal.,2012）也被認(rèn)為可以作為逆向信號(hào)。脅迫信號(hào)是如何影響MEcPP、PAP、四吡咯含量以及其他逆向信號(hào)產(chǎn)物的水平尚不清楚。

5 線粒體和過(guò)氧化物酶體的脅迫應(yīng)答

與葉綠體類似，線粒體和過(guò)氧化物酶體可以產(chǎn)生一些對(duì)脅迫應(yīng)答很重要的逆向信號(hào)。線粒體和過(guò)氧化物酶體可產(chǎn)生ROS和許多代謝物，其中一些可能作為逆向信號(hào)分子（Ng et al.,2014）。線粒體DEXH框RNA解旋酶或線粒體PPR（pentatricopeptide repeat protein）蛋白的突變導(dǎo)致ROS積累，會(huì)改變植物對(duì)逆境激素ABA的反應(yīng)（He et al.,2012）。線粒體復(fù)合體I的突變也導(dǎo)致ROS積累，并降低突變植株冷應(yīng)答基因的表達(dá)，使突變體對(duì)冷害和凍害敏感（Lee et al.,2002）。CHY1基因編碼一個(gè)過(guò)氧化物酶體β-羥異丁酰（HIBYL）輔酶A水解酶，是纈氨酸分解代謝和脂肪酸β-氧化所必需的。CHY1基因的突變也能夠?qū)е翿OS積累，降低冷害相關(guān)基因的表達(dá)，從而降低植物耐寒性（Dong et al.,2009）。線粒體和過(guò)氧化物酶體產(chǎn)生的ROS信號(hào)可能通過(guò)影響鈣信號(hào)調(diào)節(jié)冷脅迫應(yīng)答。

6 細(xì)胞壁脅迫應(yīng)答

在植物體中，初級(jí)細(xì)胞壁是由纖維素微纖絲與木葡聚糖和阿糖基木聚糖等半纖維素相互聯(lián)結(jié)并嵌入在果膠膠體組合而成（Tenhaken,2014）。細(xì)胞壁還含有酚醛樹(shù)脂、過(guò)氧化物酶、果膠酯酶以及其他酶類；伸展蛋白，擴(kuò)張蛋白以及其他蛋白質(zhì)和Ca2+離子。鹽害、干旱脅迫以及其他滲透脅迫導(dǎo)致ROS積累以及細(xì)胞壁的變化（Tenhaken,2014）。ROS的積累會(huì)引起酚醛樹(shù)脂和細(xì)胞壁伸展蛋白等糖蛋白的交聯(lián)，最終導(dǎo)致細(xì)胞壁硬化。另一方面，脅迫可增加擴(kuò)張蛋白和木葡聚糖修飾酶基因的表達(dá)，從而重塑細(xì)胞壁（Tenhaken,2014）。鹽脅迫還能夠?qū)е录?xì)胞壁Ca2+的損失。最近，細(xì)胞壁脅迫被認(rèn)為可引起與真菌細(xì)胞-細(xì)胞壁整合（CWI）途徑類似的專一的信號(hào)途徑（Voxeur and Hfte,2016;Jendretzki et al.,2011）。在酵母中，細(xì)胞壁應(yīng)激反應(yīng)主要是由細(xì)胞壁結(jié)合的質(zhì)膜蛋白Wsc1-3、Mid2和Mtl1感知（Jendretzki et al.,2011），但這些感受器怎樣檢測(cè)到細(xì)胞壁變形尚不清楚。因?yàn)檫@些蛋白質(zhì)都含有一個(gè)大的富含絲氨酸和蘇氨酸殘基的O-糖基化胞外結(jié)構(gòu)域，推測(cè)這些蛋白質(zhì)可能有牽張受體的功能。這些感受器的下游依次是GDP/GTP交換因子、小GTP蛋白R(shí)ho1、蛋白激酶C和MAPK級(jí)聯(lián)途徑（Jendretzki et al.,2011）。但具體的植物細(xì)胞壁脅迫感受器尚未被鑒定。植物有上百個(gè)RLKs和其他包含胞外區(qū)域、跨膜區(qū)和一個(gè)胞質(zhì)激酶域的蛋白激酶，其中一些可能感受細(xì)胞壁的變化。

細(xì)胞壁變化極大地影響植物抗逆性。在擬南芥sos6（鹽超敏感6）突變體中，果膠生物合成酶AtCSLD5的功能紊亂，引起細(xì)胞壁發(fā)生微妙的缺陷，導(dǎo)致氧化脅迫，并顯著增加突變體對(duì)滲透脅迫、鹽和干旱脅迫的敏感性（Zhu et al.,2010）。最近，Endler等（2015）鑒定出纖維素合成酶復(fù)合體中的兩種蛋白質(zhì)，能幫助復(fù)合體與微管連接，對(duì)鹽脅迫下植物的生長(zhǎng)很重要（Endler et al.,2015）。脅迫條件下植物細(xì)胞壁的生理和化學(xué)變化，以及這些變化如何被植物感知，信號(hào)如何被傳導(dǎo)，以及CWI的輸出等仍有待研究。

7 離子脅迫信號(hào)

土壤鹽害影響了相當(dāng)比例的耕地，是限制全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)主要因素。高鹽濃度會(huì)導(dǎo)致離子毒性（主要是Na+）、高滲脅迫以及如氧化損傷等次級(jí)脅迫（Zhu, 2002）。目前還不清楚植物細(xì)胞如何感受Na+。在酵母Saccharomyces cerevisiae中，鈣調(diào)磷酸酶途徑在Na+脅迫信號(hào)的感受和耐受中起著重要作用（Thewes,2014）。Na+脅迫引起的胞質(zhì)鈣與EF鈣結(jié)合-鈣調(diào)蛋白和B亞基鈣調(diào)磷酸酶（CnB）結(jié)合。Ca2+-CnB和Ca2+-鈣調(diào)蛋白激活鈣調(diào)磷酸酶的磷酸酶催化亞基CnA。活化的鈣調(diào)磷酸酶去磷酸化鋅指轉(zhuǎn)錄因子CRZ1并使其轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核中激活ENA1和其他目的基因的表達(dá)。ENA1編碼Na+-ATPase，將有毒的Na+泵出細(xì)胞，使細(xì)胞恢復(fù)離子動(dòng)態(tài)平衡。植物基因組不編碼任何鈣調(diào)磷酸酶蛋白，即使類鈣調(diào)磷酸酶 （CBL）已經(jīng)被廣泛地用來(lái)指代植物EF鈣結(jié)合蛋白家族（Yu et al.,2014）。植物運(yùn)用一個(gè)被稱作SOS途徑的鈣依賴蛋白激酶途徑介導(dǎo)鹽脅迫信號(hào)和Na+的耐受性（Zhu,2002）（圖2）。在這個(gè)途徑中，EF鈣結(jié)合蛋白SOS3感應(yīng)鹽脅迫介導(dǎo)的胞質(zhì)鈣信號(hào)，SOS3與絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SOS2相互作用并激活SOS2。SOS3主要在根中表達(dá)，SOS3的旁系同源蛋白SCaBP8/CBL10則主要在地上部表達(dá)，與SOS3的功能類似（Quan et al.,2007）。激活的SOS2磷酸化并激活質(zhì)膜Na+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)體SOS1（Zhu,2002）。

SOS1在根表皮細(xì)胞和木薄壁組織細(xì)胞中表達(dá)，激活的SOS1使Na+排出到土壤溶液中，以及裝載Na+進(jìn)入木質(zhì)部中進(jìn)行長(zhǎng)距離運(yùn)輸，通過(guò)蒸騰流一直運(yùn)輸?shù)饺~片中（Shi et al.,2002;Zhu et al.,2016）。SOS1在Na+長(zhǎng)距離運(yùn)輸中扮演的角色并不完全清楚，因?yàn)镾OS1也在葉片木質(zhì)部薄壁組織細(xì)胞中表達(dá)且功能尚不明確。也許在葉片木質(zhì)部薄壁組織中有一個(gè)類似凱氏帶的結(jié)構(gòu)，阻止木質(zhì)部液流直接進(jìn)入植物葉肉細(xì)胞的質(zhì)外空間?？傊?，SOS1可能使Na+從木質(zhì)部薄壁組織中排出到葉肉細(xì)胞的質(zhì)外空間。基于這一模型的一個(gè)預(yù)測(cè)是SOS1可能優(yōu)先集中于葉肉細(xì)胞臨近質(zhì)外空間的一側(cè)。HKT1是另一個(gè)重要的轉(zhuǎn)運(yùn)體，在長(zhǎng)距離Na+運(yùn)輸中起著主要作用（Mser et al.,2002）。在擬南芥中HKT1是Na+主要輸入者，在植株木質(zhì)部薄壁組織細(xì)胞和脈管系統(tǒng)中的其他細(xì)胞中表達(dá)（Mser et al.,2002）。在根部，HKT1可能卸載木質(zhì)部中的Na+，限制蒸騰流中的Na+總量。在葉片中HKT1裝載Na+到韌皮部中再循環(huán)回根部。任何一個(gè)SOS基因功能紊亂，包括SOS1，會(huì)顯著增加突變植物對(duì)鹽脅迫的敏感性（Zhu.,2000）。實(shí)際上正是由于這些突變體對(duì)鹽害敏感的表型，SOS基因才被發(fā)現(xiàn)（Zhu.,2000）。HKT1基因突變材料會(huì)增加蒸騰植物的鹽脅迫敏感性，但會(huì)抑制維持最小蒸騰量的生長(zhǎng)在培養(yǎng)基上的SOS突變體的鹽敏感性（Rus et al., 2004）。SOS1和HKT1拮抗作用如何被協(xié)調(diào)是鹽脅迫研究中的一個(gè)重要的問(wèn)題。目前尚不清楚SOS1和HKT1是否在維管系統(tǒng)的同一細(xì)胞中表達(dá)?？傊?，SOS1似乎促進(jìn)Na+從根到葉的運(yùn)輸，然而HKT1似乎限制這一過(guò)程。這兩種轉(zhuǎn)運(yùn)體在Na+長(zhǎng)距離運(yùn)輸中的重要性可能取決于鹽脅迫的程度。在溫和的鹽脅迫下，植物激活木薄壁組織細(xì)胞SOS1對(duì)于本身有利，因?yàn)榭梢赞D(zhuǎn)移更多Na+到葉片中，存儲(chǔ)在葉肉細(xì)胞中的大液泡內(nèi)參與細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。在嚴(yán)重鹽脅迫下，過(guò)量Na+傳輸?shù)饺~片中將超出葉片本身的承載容量，因此必須卸載根部木質(zhì)部中的Na+，并將葉片中Na+重新富集到根部。

圖2 Ca2+-CBL-CIPK模塊介導(dǎo)不同的離子脅迫

幾個(gè)SOS3類似的鈣結(jié)合蛋白能被與其結(jié)合的類SOS2的蛋白激酶磷酸化。磷酸化對(duì)于鈣結(jié)合蛋白激酶的激活很重要（Du et al.,2011）。在靜止?fàn)顟B(tài)或無(wú)脅迫條件下，SOS2結(jié)合14-3-3蛋白，以確保SOS2處于非激活狀態(tài)（Zhou et al.,2014）。此外，SOS2與磷酸酶2C類的蛋白磷酸酶ABI2相互作用，也使SOS2處于非激活狀態(tài)（Ohta et al.,2003）。

SOS途徑是植物中建立的第一個(gè)非生物脅迫信號(hào)途徑（Zhu,2000）。核心信號(hào)組分SOS2代表了一個(gè)大的蛋白激酶家族，這些蛋白激酶的催化區(qū)域與酵母蔗糖非發(fā)酵蛋白激酶SNF1以及和哺乳動(dòng)物AMP激活的蛋白激酶（AMPK）相似。在擬南芥中，這些蛋白質(zhì)通常稱為SNF1相關(guān)激酶（SnRKs）。SnRKs包括3個(gè)亞家族，其中亞家族1（SnRK1s）中有3個(gè)成員，亞家族2 （SnRK2s）中有10個(gè)成員，亞家族3（SnRK3s）中有25個(gè)成員（Hrabak et al.,2003）。SnRK3s（也被稱作PKSs 或CIPKs）亞家族中的任一成員都能和10個(gè)類SOS3鈣結(jié)合蛋白（SCaBPs，也被稱作CBLs）中的一個(gè)或多個(gè)成員相互作用（Guo et al，2001）。這種相互作用是由激酶的N末端的FISL基序介導(dǎo)的（Guo et al，2001）。FISL基序或整個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)域的缺失會(huì)導(dǎo)致激酶的持續(xù)性激活（Guo et al，2001）。大量SCaBP/CBL-PKS/CIPK的可能組合表明，Ca2+-SOS3-SOS2信號(hào)途徑在植物中被廣泛使用。事實(shí)上，CBL-CIPK模塊在鈣作為第二信使，尤其是調(diào)控離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性的各種非生物信號(hào)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中有重要作用（圖2）。例如低鉀脅迫可能觸發(fā)胞質(zhì)鈣信號(hào)，通過(guò)CBL1和CBL9激活CIPK23，磷酸化并激活鉀通道AKT1（Xu et al，2006）。SCaBP1激活PKS5/CIPK11以及PKS24/CIPK14，繼而磷酸化并抑制質(zhì)膜上H+-ATPase活性。這種抑制作用對(duì)于細(xì)胞pH值的調(diào)節(jié)非常重要（Fuglsang et al，2007）。CBL2和CBL3與蛋白CIPK3/9/23/26相互作用，調(diào)節(jié)液泡中的Mg2+含量，對(duì)高濃度Mg2+脅迫的耐受有重要意義（Tang et al，2015）。其他已知的CBL-CIPK組合調(diào)節(jié)不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對(duì)植物響應(yīng)硝酸鹽、脫落酸和其他非生物脅迫逆境具有重要作用（Yu et al，2014）。

8 滲透脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

植物MAP激酶途徑組分家族成員較多，可以組合形成上千種不同的MAP激酶模塊。例如，擬南芥含有60多個(gè)MAP三聯(lián)激酶（MAP3K）、10個(gè)MAP二聯(lián)激酶（MAP2K）和20個(gè)MAP激酶（MAPK）（de Zelicourt et al, 2016）。很久以來(lái)，在植物應(yīng)對(duì)生物和非生物脅迫，如鹽、干旱、寒冷、炎熱和受傷以及應(yīng)對(duì)生長(zhǎng)和發(fā)育信號(hào)過(guò)程中觀察到多個(gè)MAPKs，主要是MPK3、4和6的快速激活（de Zelicourt et al，2016）。在非生物逆境下，MAPK信號(hào)途徑研究的困難源于上游感受蛋白的鑒別，以及決定MAPK激活的MAP3Ks和MAP2Ks的發(fā)現(xiàn)，還有如何將激酶的激活與下游效應(yīng)蛋白和生理輸出聯(lián)系起來(lái)。目前還不清楚植物是否存在與酵母高滲透性甘油MAPK途徑類似的介導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)的MAPK級(jí)聯(lián)途徑（Hohmann，2002）。也許MAPK的激活主要依賴于鹽和干旱脅迫引起的次級(jí)信號(hào)，而不是初級(jí)的滲透調(diào)節(jié)信號(hào)。

鹽、干旱和滲透脅迫也可迅速激活SnRK2家族蛋白激酶。在擬南芥中，除SnRK2.9之外的所有10個(gè)SnRK2s都能被滲透調(diào)節(jié)激活，而SnRK2.2/3/6/7/8則被ABA激活（Boudsocq et al，2004）。盡管 ABA激活SnRK2s的分子機(jī)制已被闡明（參見(jiàn)下文），但滲透脅迫如何激活SnRK2激酶尚不清楚。遺傳學(xué)證據(jù)表明，滲透脅迫的耐受依賴于SnRK2s，缺失所有10個(gè)SnRK2s的擬南芥十突變體對(duì)于滲透脅迫引起的生長(zhǎng)抑制超敏感（Fujii et al，2011）。snrk2十突變體植物中大量滲透脅迫應(yīng)答基因的表達(dá)，脫落酸、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸以及第二信使IP3積累受到影響，但是滲透脅迫誘導(dǎo)的ROS的積累并不受影響。這些結(jié)果表明，SnRK2激活位于ABA積累的上游，并控制滲透調(diào)節(jié)和其他滲透脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)（圖3）。未來(lái)的努力應(yīng)集中于尋找滲透脅迫條件下對(duì)于SnRK2激活有重要作用的上游組分，以及鑒定滲透脅迫激活的SnRK2s的底物蛋白。因?yàn)闈B透脅迫會(huì)誘導(dǎo)胞質(zhì)的鈣信號(hào)且鈣通道OSCA1也是潛在的滲透?jìng)鞲衅鳎╕uan et al，2014），SnRK2s上游的候選組分可能有包括鈣調(diào)節(jié)的蛋白激酶如CPKs和SCaBP/CBL-PKS/CIPKs（圖3）。在Physcomitrella patens中，最近的研究顯示，類Raf激酶對(duì)于滲透壓和ABA處理下SnRK2的激活至關(guān)重要（Saruhashi et al，2015）。探尋高等植物是否有相似的蛋白激酶以及這些蛋白激酶如何整合滲透脅迫和ABA信號(hào)，將是一個(gè)非常有趣的課題。

圖3 滲透脅迫和ABA感受和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

滲透脅迫和溫度脅迫引起各種脂質(zhì)信號(hào)的形成，包括磷脂酸、磷酸肌醇、鞘脂類、溶血磷脂、氧化脂類，N-酰基乙醇胺等（Hou et al，2016）。對(duì)于脅迫是如何調(diào)節(jié)產(chǎn)生脂質(zhì)信號(hào)的合成酶的活性尚不清楚。一般來(lái)說(shuō)，脂質(zhì)分子與信號(hào)蛋白結(jié)合并影響后者的活性和膜定位。

9 脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

脫落酸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是植物中干旱脅迫和鹽脅迫的核心（Zhu，2002）。過(guò)去十年脅迫信號(hào)的研究中，最重要的一個(gè)進(jìn)展就是ABA受體的鑒別以及ABA核心信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的發(fā)現(xiàn)?；瘜W(xué)遺傳學(xué)和蛋白互作研究鑒定出可溶、包含START結(jié)構(gòu)域的PYR/PYL/RCAR（以下稱為PYL）蛋白家族是ABA的受體（Park et al，2009；Ma et al，2009）。PYL通過(guò)微摩爾級(jí)別的KD結(jié)合ABA，當(dāng)A類型的PP2Cs如ABI1、ABI2、HAB1和PP2CA存在時(shí)，PYL與ABA的親和力可以增加近100倍。因此A類型的PP2Cs可被認(rèn)為是ABA的共受體（Ma et al，2009）。當(dāng)沒(méi)有ABA時(shí)，PP2Cs與SnRK2激酶包括SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6（又名OST1）結(jié)合，通過(guò)與去磷酸活化環(huán)并覆蓋催化中心使激酶處于失活狀態(tài)（Soon et al，2012）。ABA進(jìn)入PYL的中央疏水區(qū)域，誘導(dǎo)疏水區(qū)域處于關(guān)閉狀態(tài)，并創(chuàng)建一個(gè)PP2Cs結(jié)合表面（Melcher et al，2009）。在PYL-ABA-PP2C復(fù)合物的里面，PP2C中一個(gè)色氨酸殘基插入到ABA結(jié)合區(qū)域，將ABA鎖定在該區(qū)域，復(fù)合物中PP2C的蛋白磷酸酶活性被ABA-PYL復(fù)合體所抑制（Park et al，2009）。ABA-PYL對(duì)PP2Cs的結(jié)合和抑制導(dǎo)致SnRK2s從PP2Cs的結(jié)合中釋放出來(lái)。釋放的SnRK2s通過(guò)自身磷酸化激活，并磷酸化許多下游的效應(yīng)蛋白（Fujii et al，2009）（圖3）。小G蛋白R(shí)OP11與ABI1相互作用并保護(hù)ABI1使其避免被PYL9抑制（Li et al，2012）。反之，ABI1和其他 PP2Cs保護(hù)三磷酸鳥(niǎo)苷交換因子RopGEF1，避免遭受ABA誘導(dǎo)的降解，從而形成一個(gè)RopGEF-ROP-PP2C控制回路，在沒(méi)有脅迫的條件下消除單體PYL可能導(dǎo)致的ABA信號(hào)的部分泄漏（Li et al，2016）。

擬南芥PYLs家族成員間存在功能冗余，盡管每個(gè)PYL可能擁有獨(dú)特的生化性質(zhì)和表達(dá)模式。PYL8缺失導(dǎo)致脅迫后恢復(fù)過(guò)程中突變體的側(cè)根的生長(zhǎng)對(duì)ABA不敏感（Zhao et al.,2014）。PYL8調(diào)節(jié)側(cè)根生長(zhǎng)的過(guò)程不依賴于ABA核心信號(hào)途徑，而是由PYL8直接作用于MYB77，ABA介導(dǎo)的PYL8與MYB77的互作增強(qiáng)MYB77介導(dǎo)的生長(zhǎng)素應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄（Zhao et al., 2014）。同樣，PYL6與JA應(yīng)答的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子MYC2相互作用，連接ABA和JA信號(hào)途徑（Aleman et al.,2016）。大多數(shù)其他PYLs單基因突變體并沒(méi)有顯著的ABA表型。與其相反，pyr1prl1ply2pyl4四突變體植株在發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)階段對(duì) ABA不敏感（Park et al., 2009），pyr1pyl1pyl2prl4ply5pyl8突變體表現(xiàn)出種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)以及氣孔關(guān)閉過(guò)程中對(duì)ABA更強(qiáng)的耐受性（Gonzalez-Guzman et al.,2012）。

ABA強(qiáng)烈激活 SnRK2.2、SnRK2.3和 SnRK2.6/ OST1，也能微弱地激活SnRK2.7和SnRK2.8（Boudsocq et al.,2004）。擬南芥snrk2.2/3/6三突變體表現(xiàn)出在種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、氣孔關(guān)閉、基因調(diào)控等方面對(duì)ABA極不敏感（Fujii and Zhu,2009）。許多響應(yīng)ABA的效應(yīng)蛋白是SnRK2激酶的直接底物。bZIP家族轉(zhuǎn)錄因子如ABI5和ABFs（ABA響應(yīng)元件結(jié)合因子）能被SnRK2s磷酸化（Furihata et al.,2006）。大部分發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)膜的ABA信號(hào)過(guò)程可能由與PYL相互作用的C2結(jié)構(gòu)域蛋白介導(dǎo)（Rodriguez et al.,2014）。質(zhì)膜蛋白質(zhì)如陰離子通道SLAC1是SnRK2的底物。SLAC調(diào)控干旱脅迫下ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉以減少水分的蒸騰損失（Geiger et al.,2009）。最近磷酸化蛋白組學(xué)研究鑒定了數(shù)十個(gè)新的SnRK2的底物蛋白，包括一些調(diào)控葉綠體功能、開(kāi)花時(shí)間、miRNA和染色質(zhì)調(diào)節(jié)、RNA拼接過(guò)程相關(guān)的重要蛋白質(zhì)（Wang et al,2013）。PYL-PP2CSnRK2核心ABA信號(hào)途徑激活也可以與一個(gè)由MAP3Ks MAP3K17/18、MAP2K MKK3以及 MAPKs MPK1/2/7/14組成的MAPK級(jí)聯(lián)相關(guān)，后者也可能磷酸化許多ABA的效應(yīng)蛋白（de Zelicourt et al.,2016）。

ABA激活的SnRK2s也可以使質(zhì)膜NADPH氧化酶RbohF磷酸化，在質(zhì)外體空間產(chǎn)生O。O隨后形成H2O2，作為信號(hào)分子調(diào)節(jié)包括氣孔關(guān)閉在內(nèi)的各種ABA應(yīng)答過(guò)程（Sirichandra et al.,2009）。在擬南芥pip2; 1突變體中，ABA誘導(dǎo)保衛(wèi)細(xì)胞ROS產(chǎn)生減弱，表明共質(zhì)體H2O2可以通過(guò)水通道蛋白PIP2；1進(jìn)入細(xì)胞（Grondin et al.,2015）。MAP激酶MPK9和MPK12在保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道調(diào)控中功能冗余，可能在ROS下游參與ABA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉（Jammes et al.,2009）。另一個(gè)連接ABA信號(hào)和ROS的重要組件是質(zhì)膜類受體蛋白激酶 GHR1（Hua et al.,2012）（圖3）。GHR1與SLAC1互作并激活SLAC1，GHR1對(duì)ABA和ROS調(diào)節(jié)的氣孔關(guān)閉至關(guān)重要。有趣的是，GHR1功能被ABI2拮抗，但不受ABI1的影響（Hua et al.,2012）。H2O2也可以調(diào)節(jié)鈣信號(hào)從而影響ABA的應(yīng)答，H2O2活化質(zhì)膜鈣離子通道也需要GHR1的介導(dǎo)（Hua et al.,2012）。鈣信號(hào)對(duì)ABA調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉至關(guān)重要，ABA不能誘導(dǎo)缺失CPK5、CPK6、CPK11、CPK23四個(gè)功能冗余的鈣依賴的蛋白激酶四突變體的氣孔關(guān)閉（Brandt et al.,2015）。與SnRK2s一樣，CPKs可以使保衛(wèi)細(xì)胞ABA響應(yīng)的效應(yīng)蛋白（包括SLAC1）磷酸化（Geiger et al.,2010; Brandt et al.,2015）。此外，ABA引起的鈣信號(hào)可以激活CBL1/9-CIPK26模塊，導(dǎo)致RbohF等效應(yīng)蛋白的磷酸化（Drerup et al.,2013）。除了誘導(dǎo)H2O2和鈣信號(hào)，ABA也引發(fā)一氧化氮（NO）和磷脂分子如磷脂酸的合成（Hou et al.,2016）（圖3）。NO導(dǎo)致鄰近SnRK2s的催化中心的半胱氨酸殘基的巰基亞硝基化，導(dǎo)致SnRK2失活（Wang et al.,2015）。NO也導(dǎo)致PYLs蛋白的酪氨酸硝基化以及半胱氨酸殘基的巰基亞硝基化（Castillo et al.,2015）。酪氨酸硝基化抑制PYL活性并伴隨多聚泛素化和蛋白酶體介導(dǎo)的PYLs降解。磷脂酸通過(guò)結(jié)合和激活RbohD和RbohF，參與ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（Zhang et al.,2009）。綜上所述，SLAC1、Rbohs以及其他ABA響應(yīng)效應(yīng)蛋白的調(diào)節(jié)依賴于一個(gè)由PYL-PP2C-SnRK2核心途徑以及鈣、ROS、NO、磷脂和上述其他蛋白激酶途徑組成的復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)（圖3）。

10 冷害和熱害脅迫信號(hào)

冷害脅迫極大地影響植物新陳代謝和基因表達(dá)。低溫對(duì)植物代謝的影響來(lái)自直接抑制代謝酶，或者基因表達(dá)的重組（Chinnusamy et al.,2007）。溫帶植物暴露于低溫，非凍害的溫度能提高其對(duì)凍害脅迫的耐受能力，這一過(guò)程稱為冷馴化。冷脅迫能迅速引發(fā)許多轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，包括AP2家族轉(zhuǎn)錄因子CBFs，從而激活大量的下游冷應(yīng)答（COR）基因的表達(dá)（Chinnusamy et al.,2007）。CBF基因的表達(dá)由包括bHLH轉(zhuǎn)錄因子ICE1在內(nèi)的上游轉(zhuǎn)錄因子控制的。ICE1通過(guò)SUMO類泛素化和多聚泛素化及隨后的蛋白酶體降解。上述過(guò)程分別由SUMO E3連接SIZ1和E3泛素連接HOS1介導(dǎo)（Chinnusamy et al.,2007）。冷脅迫誘導(dǎo)的CBF和COR基因的表達(dá)也受生物節(jié)律控制，后者的活性受質(zhì)體逆向信號(hào)四吡咯的晝夜的振蕩調(diào)控（Noren et al., 2016）。

Ding等（2015）最近報(bào)道，冷脅迫激活SnRK2.6/ OST1，SnRK2.6與 ICE1互作并磷酸化 ICE1，激活CBF-COR基因表達(dá)，并增加凍脅迫的耐受能力。此外，冷害激活SnRK2.6抑制ICE1和HOS1之間的相互作用，阻止ICE1的降解。冷害脅迫誘導(dǎo)的SnRK2激活并不依賴于ABA，盡管其仍受ABI1和其他PP2Cs負(fù)調(diào)控。因此，PYL ABA受體可能并不參與冷誘導(dǎo)的SnRK2的激活。與報(bào)道冷脅迫激活SnRK2.6有所不同，Boudsocq等（2004）的結(jié)果顯示，所有10個(gè)擬南芥SnRK2s都不被冷脅迫激活。

圖4 冷脅迫感受和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

圖5 系統(tǒng)性脅迫信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模型

Teige等（2004）研究表明，冷脅迫和鹽脅迫激活擬南芥MAP2K MKK2，并控制COR基因表達(dá)，調(diào)控植物耐冷性和耐鹽能力。MKK2上游的MAP3K MEKK1以及下游的MPK4和MPK6，都能被各種脅迫包括低溫所激活。藥理學(xué)研究表明，膜流動(dòng)性、細(xì)胞骨架以及鈣內(nèi)流都與冷脅迫調(diào)節(jié)的COR基因和MAPKs有關(guān)（Sangwan et al.,2002）。類受體激酶CRLK1可能連接了冷脅迫介導(dǎo)的鈣信號(hào)和MAPK級(jí)聯(lián)途徑，這是由于CRLK1結(jié)合鈣和鈣調(diào)蛋白，并與MEKK1相互作用，是冷脅迫激活MAPK所必需的（Yang et al.,2010）。由此可見(jiàn)，冷脅迫影響膜流動(dòng)性，這可能被質(zhì)膜蛋白如鈣通道或相關(guān)蛋白感知，導(dǎo)致鈣離子內(nèi)流并激活鈣響應(yīng)的蛋白激酶（CPKs和CRLK1）和MAPK級(jí)聯(lián)，調(diào)節(jié)COR基因表達(dá)（圖4）。在未來(lái)，有必要使用遺傳、分子和生化分析方法，進(jìn)一步闡明這些激酶的作用以及它們之間、它們與SnRK2.6之間在冷脅迫下的關(guān)系。

熱脅迫誘導(dǎo)HSPs表達(dá)，其中許多HSP可作為分子伴侶防止蛋白質(zhì)變性和維持體內(nèi)蛋白平衡（Scharf et al.,2012）。與哺乳動(dòng)物熱脅迫轉(zhuǎn)錄因子（HSFs）類似，熱脅迫下植物HSFs從與HSP70和HSP90結(jié)合和抑制狀態(tài)下釋放出來(lái)，并結(jié)合熱脅迫導(dǎo)致的錯(cuò)誤折疊的蛋白。因此，HSFs可用來(lái)激活熱脅迫應(yīng)答（Scharf et al., 2012）。熱脅迫也激活MAPKs并調(diào)節(jié)HSP基因的表達(dá)（Sangwan et al.,2002）。MAPK的激活可能與熱脅迫誘發(fā)的膜流動(dòng)性和鈣信號(hào)改變有關(guān)，后者對(duì)與HSP基因表達(dá)和耐熱性很重要（Sangwan et al.,2002）。冷和熱脅迫信號(hào)之間的共同特征是不限于膜流動(dòng)性的改變，鈣信號(hào)和MAPK激活，還包括ROS、NO、磷脂信號(hào)、蛋白質(zhì)SUMO類泛素化和蛋白酶體降解（Chinnusamy et al., 2007;Scharf et al.,2012）。

11 系統(tǒng)性的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

病原體感染和機(jī)械損傷引發(fā)植物系統(tǒng)性響應(yīng)。同樣，干旱、鹽害、冷害、熱害、高光強(qiáng)等非生物脅迫也引起系統(tǒng)性反應(yīng)，局部脅迫處理不僅會(huì)導(dǎo)致局部產(chǎn)生反應(yīng)，還會(huì)在遠(yuǎn)端組織引發(fā)反應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)性獲得適應(yīng)（SAA）。SAA涉及電信號(hào)和液壓信號(hào)，以及鈣信號(hào)和ROS波動(dòng)信號(hào)的長(zhǎng)距離傳導(dǎo)（Choi et al.,2014;Miller et al.,2009）。脅迫誘導(dǎo)的鈣信號(hào)和ROS信號(hào)可以1000微米每秒的速度移動(dòng)，該現(xiàn)象已在鈣敏感熒光蛋白（Choi et al.,2014）和ROS應(yīng)答啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的熒光素酶報(bào)告基因表達(dá)系統(tǒng)（Miller et al.,2009）中分別被觀察到。鈣信號(hào)和ROS分別已被證明參與遠(yuǎn)端組織轉(zhuǎn)錄調(diào)控（Choi et al.,2014;Miller et al.,2009）。ROS波動(dòng)需要質(zhì)膜 NADPH氧化酶 RbohD的參與（Miller et al., 2009），而鈣波動(dòng)取決于參與鈣誘導(dǎo)的鈣釋放的液泡離子通道TPC1的參與（Choi et al.,2014）。RbohD可以被鈣依賴的蛋白激酶CPK5所磷酸化。CPK5的激活可由ROS介導(dǎo)，這是系統(tǒng)性防御反應(yīng)所必需的（Dubiella et al.,2013）。由此得出這樣一個(gè)模型：NADPH氧化酶介導(dǎo)ROS生成，觸發(fā)胞質(zhì)鈣信號(hào)通過(guò)鈣調(diào)蛋白激酶激活更多的NADPH氧化酶類，從而在ROS和鈣信號(hào)之間生成一個(gè)放大信號(hào)的正反饋環(huán)（圖5）。RbohD所產(chǎn)生的H2O2可能通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)在蛋白/水通道（PIP）進(jìn)入細(xì)胞（Grondin et al.,2015），而質(zhì)膜鈣通道的激活可能需要GHR1（Hua et al.,2012）或RLK類似物的參與，ROS是否能激活質(zhì)膜鈣通道尚未確定。此外，目前尚不清楚鈣和ROS波動(dòng)是否與長(zhǎng)距離電信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)。

12 結(jié)論和展望

植物細(xì)胞信號(hào)對(duì)鹽害、干旱脅迫和脅迫激素ABA的響應(yīng)，在很大程度上取決于SnRK蛋白激酶家族。SnRKs與酵母和哺乳動(dòng)物中感應(yīng)細(xì)胞能量狀態(tài)的關(guān)鍵感受器SNF1和AMPK相關(guān)（Hardie et al.,2016）。在植物中，非生物脅迫通過(guò)抑制光合作用和釋能分解反應(yīng)，減少能源供給。因此，在進(jìn)化過(guò)程中SNF1/AMPK相關(guān)的激酶數(shù)量不斷增加并表現(xiàn)出多樣性，從而調(diào)控各種非生物脅迫。SnRK1s是SNF1/AMPK直系同源物，參與植物代謝的調(diào)節(jié)過(guò)程。所有SnRK2s都參與滲透脅迫和ABA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，而SnRK3s是離子動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器，是植物適應(yīng)土壤中鹽脅迫和養(yǎng)分脅迫所必需的。許多脅迫信號(hào)途徑也涉及鈣依賴的蛋白激酶CPKs。CPKs激酶功能域與SnRKs的激酶功能域高度同源（Hrabak et al.,2003）。此外，事實(shí)上幾乎所有脅迫途徑都涉及到MAPKs，MAPKs是從真菌到植物再到后生動(dòng)物中保守的脅迫信號(hào)。其他保守特性包括廣泛使用的鈣、ROS、NO和脂質(zhì)分子作為次級(jí)信號(hào)分子，但這些次級(jí)信號(hào)分子的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)導(dǎo)在植物中與其他生物有所不同。

研究植物的非生物脅迫，鑒定脅迫感受器仍然是一個(gè)重要但極富挑戰(zhàn)性的目標(biāo)。高效的基因編輯技術(shù)和化學(xué)遺傳方法將幫助我們克服由于基因冗余造成的脅迫感受器的遺傳篩選上的困難。目前，各種細(xì)胞器在脅迫感受和應(yīng)答過(guò)程中的作用逐漸顯現(xiàn)，逐步揭示了脅迫信號(hào)分散感受的模型（圖1）。盡管來(lái)自于受干擾的細(xì)胞器的分散信號(hào)如何整合仍不清楚，但這一模型仍有助于我們理解植物脅迫感受和脅迫抗性。由于植物脅迫應(yīng)答必須與生長(zhǎng)和發(fā)育相協(xié)調(diào)，理解脅迫信號(hào)和激素，以及生長(zhǎng)和發(fā)育途徑之間的相互關(guān)聯(lián)就顯得尤為重要。同樣，應(yīng)當(dāng)更多關(guān)注植物如何同步響應(yīng)多個(gè)非生物脅迫，以及非生物和生物脅迫信號(hào)之間的相互關(guān)聯(lián)，因?yàn)槟壳盀橹勾蟛糠值姆巧锩{迫研究一直在無(wú)菌實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。然而在自然環(huán)境中，植物與昆蟲(chóng)和微生物共存。根和地上部分很可能包括許多有益的細(xì)菌和真菌幫助植物抵御脅迫。了解細(xì)菌和真菌如何提高植物抗逆性，可以增加我們利用這些有益生物的能力，同時(shí)還有助于我們深入了解植物的脅迫抗性。

致謝

感謝Mike Hasegawa博士、鞏志忠博士和郭巖博士的有益建議，感謝鄒長(zhǎng)松博士幫助我準(zhǔn)備圖片。我實(shí)驗(yàn)室的研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的資助。

原文載于《Cell》2016，167（2）：313-324。

略

Abstrat:As sessile organisms,plants must cope with abiotic stress such as soil salinity,drought,and extreme temperatures.Core stress-signaling pathways involve protein kinases related to the yeast SNF1 and mammalian AMPK,suggesting that stress signaling in plants evolved from energy sensing.Stress signaling regulates proteins critical for ion and water transport and for metabolic and geneexpression reprogramming to bring about ionic and water homeostasis and cellular stability under stress conditions.Understanding stress signaling and responses will increase our ability to improve stress resistance in crops to achieve agricultural sustainability and food security for a growing world population.

Abiotic Stress Signaling and Responses in Plants

ZHU Jiankang1,2,NI Jianping3
（1Shanghai Center for Plant Stress Biology and Center for Excellence in Molecular Plant Sciences,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201602,China;2Department of Horticulture and Landscape Architecture,Purdue University,West Lafayette,IN 47907,USA;3China National Rice Research Institute,Hangzhou 310006,China）

abiotic stress;plant;signaling;response

Q945

A

1006-8082（2016）06-0052-09

2016－09－25