苗麗麗，劉秀林，張宏紀(jì)，毛新國，景蕊蓮

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站，黑龍江哈爾濱 150086； 2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物資源研究所，黑龍江哈爾濱150086； 3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所，黑龍江哈爾濱 150086； 4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

干旱、高鹽、極端溫度等非生物逆境極大地限制了植物生長，嚴(yán)重影響農(nóng)作物生產(chǎn)。為了適應(yīng)不利環(huán)境，植物在長期進(jìn)化過程中形成了復(fù)雜的應(yīng)對保護(hù)機(jī)制，如調(diào)控抗逆相關(guān)基因表達(dá)，以維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的完整性。蛋白激酶和蛋白磷酸酶共同參與的蛋白質(zhì)可逆磷酸化是植物在逆境條件下調(diào)節(jié)體內(nèi)能量代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要方式。目前植物逆境脅迫應(yīng)答過程中研究最多、涉及生理代謝與基因調(diào)控最廣的蛋白激酶家族主要有鈣依賴蛋白激酶CDPK、MAPK蛋白激酶和蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶SnRK(sucrose non-fermenting 1-related protein kinase)[1]。SnRK屬于Ser/Thr蛋白激酶，是植物生長發(fā)育和脅迫應(yīng)答調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的樞紐[2]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能不同，分為SnRK1、SnRK2、SnRK3三個(gè)亞家族。SnRK1主要參與碳代謝，如糖和淀粉的生物合成、碳水化合物在器官中的分配[3-4]。植物SnRK1與酵母SNF1(sucrose non-fermenting 1)和哺乳動物AMPK(腺苷酸活化蛋白激酶，AMP-activated protein kinase)在結(jié)構(gòu)和功能上高度相似，被認(rèn)為是真核生物的能量傳感器。SnRK2和SnRK3是植物特有的蛋白激酶亞家族，主要參與對滲透脅迫和逆境信號分子ABA(abscisic acid)的應(yīng)答。

目前SnRK2的功能及其作用機(jī)理尚未完全解析。為了促進(jìn)植物SnRK2基因家族的研究和利用，結(jié)合筆者所在課題組多年來對小麥SnRK2基因家族的研究結(jié)果，本文對SnRK2結(jié)構(gòu)和分類、調(diào)控機(jī)制和生物學(xué)功能進(jìn)行了綜述。

1 SnRK2的結(jié)構(gòu)和分類

SnRK2是一個(gè)相對較小的蛋白激酶亞家族。在擬南芥、水稻、玉米、小麥和大豆等多種植物中均發(fā)現(xiàn)了SnRK2基因家族成員，不同物種中SnRK2成員數(shù)量不同(表1)。

表1 不同植物中 SnRK2基因數(shù)目Table 1 The members of SnRK2 genes in different plant species

SnRK2蛋白分子量約為40 kD，含有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域： N端激酶結(jié)構(gòu)域和C端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域[18]。N端結(jié)構(gòu)域異常保守，與AMPK和SNF1的激酶結(jié)構(gòu)域高度同源，相似性達(dá)42%～46%; C端結(jié)構(gòu)域又分為2個(gè)亞結(jié)構(gòu)域Domain I 和Domain II。 Domain I由靠近N端激酶結(jié)構(gòu)域后的30個(gè)氨基酸組成，存在于所有SnRK2成員中，主要受逆境脅迫激活，但不依賴ABA。Domain II由靠近C端的40個(gè)氨基酸組成，為ABA依賴型SnRK2所特有，是響應(yīng)ABA應(yīng)答的必須結(jié)構(gòu)(圖1)。研究發(fā)現(xiàn)，SnRK2的C端結(jié)構(gòu)域與酶激活性、ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及蛋白間互作有關(guān)[11]。

圖1 SnRK2的結(jié)構(gòu)域[19]

目前有兩種分類方法，一種是根據(jù)C端酸性氨基酸不同，將SnRK2分為SnRK2a和SnRK2b，其中SnRK2a富含天冬氨酸，SnRK2b富含谷氨酸；另一種分類方法較為常用，依據(jù)是否受ABA誘導(dǎo)，將SnRK2分為3個(gè)群：GroupⅠ、Group Ⅱ和Group Ⅲ，其中GroupⅠ不受ABA誘導(dǎo)，Group Ⅱ受ABA微弱誘導(dǎo)，而Group Ⅲ受ABA強(qiáng)烈誘導(dǎo)。擬南芥10個(gè)SnRK2基因成員中，AtSnRK2.1、AtSnRK2.4、AtSnRK2.5、AtSnRK2.9和AtSnRK2.10屬于GroupⅠ；AtSnRK2.7和AtSnRK2.8屬于Group Ⅱ；AtSnRK2.2、AtSnRK2.3和AtSnRK2.6屬于Group Ⅲ[20]。而小麥的10個(gè)SnRK2基因成員與擬南芥無同源對應(yīng)關(guān)系，TaSnRK2.4、TaSnRK2.5、TaSnRK2.6和TaSnRK2.7屬于GroupⅠ；TaSnRK2.1、TaSnRK2.2和TaSnRK2.3屬于Group Ⅱ；TaSnRK2.8、TaSnRK2.9和TaSnRK2.10屬于Group Ⅲ[15]。

2 SnRK2參與調(diào)控基因表達(dá)的機(jī)制

磷酸化對于激活SnRK2有促進(jìn)作用，SnRK2主要通過磷酸化修飾來調(diào)控下游基因表達(dá)和蛋白質(zhì)活性。目前有多個(gè)SnRK2磷酸化位點(diǎn)已被鑒定，最具代表性的是AtSnRK2.6的Ser175，其磷酸化狀態(tài)是激酶活性的關(guān)鍵，該磷酸化位點(diǎn)在蛋白激酶中普遍存在，如AtSnRK2.10和煙草SnRK2成員NtOSAK的Ser158是相似的磷酸化位點(diǎn)[21]。

SnRK2活性調(diào)控以自身磷酸化為基礎(chǔ)。目前對ABA依賴型SnRK2的可逆磷酸化已有比較深入的研究。ABA受體PYR/PYL/RCAR的發(fā)現(xiàn)是ABA信號通路研究的標(biāo)志性進(jìn)展[22]。在ABA依賴信號通路中，SnRK2蛋白激酶Group Ⅲ 成員是信號傳遞的樞紐，組成了ABA-PYR-PP2C-SnRK2-轉(zhuǎn)錄因子相偶聯(lián)的信號通路。缺乏ABA時(shí)，A類磷酸酶PP2C與SnRK2結(jié)合，此時(shí)SnRK2沒有活性；ABA存在時(shí)，ABA首先與其受體PYR/PYL/RCAR家族成員結(jié)合并引起受體構(gòu)象變化，異構(gòu)化的受體作用于PP2C的催化位點(diǎn)進(jìn)而抑制其催化活性。ABA受體與PP2C結(jié)合促使后者釋放出SnRK2，后者通過自身磷酸化而被激活，激活后的SnRK2可以作用于下游底物，從而將ABA信號傳遞到不同的信號通路[23]。ABA信號傳遞途徑中，SnRK2在去磷酸化后失活，那么必然存在SnRK2活性的負(fù)調(diào)控因子，除PP2C外，與SnRK2互作的鈣離子感應(yīng)因子SCS和一氧化氮(NO)等也是負(fù)調(diào)控因子[24-25]。SnRK2的下游作用底物有ABA應(yīng)答元件結(jié)合因子ABF、S型陰離子通道SLAC1、K+通道KAT1、NADPH氧化酶AtrdohF等[26-29]。如擬南芥SnRK2.2、SnRK2.3和SnRK2.6通過調(diào)控下游AREB/ABF(bZIP類轉(zhuǎn)錄因子)參與干旱等滲透脅迫的ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑[30]。此外，在滲透脅迫條件下，非ABA依賴型SnRK2在未知激酶的作用下發(fā)生磷酸化，直接作用于下游基因，進(jìn)而引發(fā)一系列應(yīng)答反應(yīng)[31]。

除磷酸化外，SnRK2還通過其他方式調(diào)控基因表達(dá)，如RNA剪接、mRNA降解、microRNA積累、DNA甲基化和組蛋白去乙?；萚32-34]。其中RNA剪接是ABA應(yīng)答反應(yīng)的一種重要調(diào)控機(jī)制?；诹姿峄鞍捉M學(xué)的方法，鑒定了6種與RNA剪接相關(guān)的功能蛋白，包括已經(jīng)證實(shí)的RNA剪接因子BTR1L(AtSnRK2.6的底物)[32]。組蛋白去乙?；閷?dǎo)的表觀修飾也參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控。SNL2是組蛋白去乙酰化復(fù)合物的重要組成成分，SnRK2可能通過磷酸化SNL2調(diào)節(jié)組蛋白去乙?；痆32]?？梢?，SnRK2在轉(zhuǎn)錄、翻譯、表觀修飾等多個(gè)層面參與調(diào)控基因表達(dá)。

3 SnRK2的功能

3.1 SnRK2參與響應(yīng)逆境脅迫應(yīng)答

SnRK2參與響應(yīng)激素、鹽、旱、極端溫度、養(yǎng)分、病害等各種非生物和生物逆境脅迫。SnRK2基因啟動子區(qū)通常含有與激素、逆境脅迫應(yīng)答相關(guān)的順式作用元件，如ABA應(yīng)答元件ABRE、赤霉素應(yīng)答元件GARE-motif、茉莉酸甲酯應(yīng)答元件CGTCA-motif、熱激應(yīng)答元件HSE、低溫脅迫應(yīng)答元件LTRE、干旱應(yīng)答元件DRE、逆境脅迫響應(yīng)元件TC-rich repeats、MYB轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件MBS等，這些元件可能與激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和逆境脅迫應(yīng)答有關(guān)[35]。

第一個(gè)被克隆的SnRK2成員是PKABA1，它是從ABA處理后的小麥幼胚cDNA文庫中分離獲得[26]。PKABA1可以磷酸化底物TaABF(ABA應(yīng)答元件結(jié)合因子)，并受ABA、冷害、高鹽、干旱等誘導(dǎo)表達(dá)[26]。

在擬南芥中，除AtSnRK2.9外，其余9個(gè)SnRK2成員均可被蔗糖、甘露醇、山梨醇和NaCl誘導(dǎo)。其中，AtSnRK2.2、AtSnRK2.3、AtSnRK2.6、AtSnRK2.7和AtSnRK2.8(Group II和III)均能夠不同程度地被ABA誘導(dǎo)，但所有AtSnRK2成員都不受低溫誘導(dǎo)[5]。

水稻的10個(gè)SnRK2成員均能被鹽脅迫誘導(dǎo)，然而僅有SAPK8、SAPK9和SAPK10這3個(gè)成員可以被ABA激活[11]。玉米的11個(gè)SnRK2成員中，ZmSnRK2.2、ZmSnRK2.4、ZmSnRK2.5、ZmSnRK2.7和ZmSnRK2.10能被ABA誘導(dǎo)激活，ZmSnRK2.3和ZmSnRK2.6能夠被鹽脅迫強(qiáng)烈誘導(dǎo)，ZmSnRK2.3和ZmSnRK2.7能被低溫誘導(dǎo)，ZmSnRK2.5、ZmSnRK2.6和ZmSnRK2.9的表達(dá)會被高溫抑制[17]。

過表達(dá)玉米SAPK8的擬南芥[36]和過表達(dá)水稻SAPK4的水稻[37]，耐鹽性較野生型增強(qiáng)。NaCl溶液處理后，水稻SAPK4基因通過降低氧化損傷和調(diào)節(jié)離子平衡，細(xì)胞中積累較少的Na+和Cl-，從而提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性[37]。過表達(dá)小麥TaSnRK2.4基因會誘導(dǎo)下游抗逆相關(guān)基因的表達(dá)，引起一系列抗逆生理變化，如組織的滲透勢降低、相對含水量增加、細(xì)胞膜穩(wěn)定性增強(qiáng)等，從而提高了轉(zhuǎn)基因植株的耐鹽性，還增強(qiáng)了其對低溫、干旱的抗性[38]。

SnRK2也可以參與養(yǎng)分脅迫應(yīng)答。萊茵衣藻中，PSR1轉(zhuǎn)錄因子涉及磷和硫的代謝，其中SNRK2.1和 SNRK2.2響應(yīng)低硫脅迫[39]。高等植物中，在硫不足時(shí)擬南芥AtSnRK2.3調(diào)控硫酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SULTR2-2的表達(dá)和O-乙?；?L-絲氨酸(硫饑餓反應(yīng)推定的信號化合物)的積累[40]。小麥TaSnRK2.7-B和控制磷素高效利用的位點(diǎn)均位于染色體2AL[41]。利用篩選酵母文庫獲得小麥TaSnRK2.4候選互作蛋白TaPHR1(磷素應(yīng)答蛋白)，經(jīng)酵母雙雜、熒光素酶互補(bǔ)成像和熒光定量PCR技術(shù)驗(yàn)證，推測TaSnRK2.4可能通過磷酸化TaPHR1參與磷素的吸收利用(未發(fā)表數(shù)據(jù))。除了非生物脅迫外，SnRK2還參與響應(yīng)病原菌等引起的生物脅迫應(yīng)答，在植物與病原物互作初期的信號識別與轉(zhuǎn)導(dǎo)，以及后期的防御反應(yīng)調(diào)控等階段發(fā)揮重要作用。SnRK2還可以通過調(diào)控植物的氣孔關(guān)閉來避免病菌的侵害，如擬南芥AtSnRK2.6基因可能通過調(diào)控OST1(open stomata 1)基因表達(dá)參與氣孔開閉過程[42]。擬南芥受到無毒丁香假單胞番茄變種Pst DC3000/avrRpt2侵染后，葉片中SnRK2.8的轉(zhuǎn)錄水平明顯上升，且SnRK2.8能與植物系統(tǒng)抗病的關(guān)鍵調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子NPR1互作。磷酸化試驗(yàn)表明，SnRK2.8可以磷酸化NPR1的589位Ser和373位Thr[43]。

3.2 SnRK2參與調(diào)控植物生長發(fā)育

SnRK2調(diào)控種子休眠與萌發(fā)、性別分化、根系形態(tài)建成、開花、果實(shí)成熟、產(chǎn)量形成、株高等多個(gè)環(huán)節(jié)，從而影響植物的生長發(fā)育進(jìn)程[32,44-50]。以下集中介紹SnRK2在調(diào)節(jié)植物根系生長、果實(shí)成熟和農(nóng)藝性狀發(fā)育三個(gè)方面的研究進(jìn)展。

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，在穩(wěn)固植株、營養(yǎng)儲存、繁殖、次級代謝物合成等方面具有重要作用。研究表明，擬南芥AtSnRK2.4和AtSnRK2.10分別在維持根長及側(cè)根數(shù)量方面發(fā)揮重要作用[20]，并參與調(diào)控鹽脅迫下根系的生長與形態(tài)建成[51]；干旱脅迫下擬南芥AtSnRK2.8(SRK2C)的突變導(dǎo)致了側(cè)根數(shù)量減少、根長變短[46]；AtSnRK2.2則調(diào)控根系的向水性生長[52]。小麥TaSnRK2.3、TaSnRK2.4、TaSnRK2.7和TaSnRK2.8過量表達(dá)均能促進(jìn)轉(zhuǎn)基因擬南芥根系的生長[38,53-55]。SnRK2參與根系生長的機(jī)理值得深入研究。

果實(shí)成熟是一個(gè)復(fù)雜的生理過程。在櫻桃果實(shí)成熟過程中，PacSnRK2.1、PacSnRK2.3、PacSnRK2.4和PacSnRK2.6基因均呈現(xiàn)出“上調(diào)-下調(diào)-上調(diào)”的規(guī)律性表達(dá)模式[12]。蘋果MdSnRK2.4/2.9可與調(diào)節(jié)乙烯合成酶ACO1表達(dá)的兩個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子 MdHB1和MdHB2互作，并通過磷酸化協(xié)同調(diào)控MdHB1和MdHB2的轉(zhuǎn)錄活性及穩(wěn)定性，從而調(diào)控乙烯合成，影響果實(shí)成熟[56]。

SnRK2參與糖代謝，影響產(chǎn)量。作為主要碳源，糖不僅是能量代謝的物質(zhì)基礎(chǔ)和細(xì)胞的組成成分，還是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和信號分子。有學(xué)者推測SnRK2和SnRK3均由SnRK1復(fù)制演化而來，所以保留了SnRK1的糖代謝功能，與產(chǎn)量密切相關(guān)[49]，如擬南芥AtSnRK2.6參與調(diào)控了蔗糖代謝和不飽和脂肪酸的合成[57]。小麥TaSnRK2.8-A與灌漿中期和成熟期的莖稈可溶性糖含量顯著關(guān)聯(lián)[58]，不同水分條件下TaSnRK2.10-A與千粒重、單株穗數(shù)和每穗小穗數(shù)等產(chǎn)量性狀顯著關(guān)聯(lián)[59]。多種環(huán)境條件下TaSnRK2.9-5A與穗粒數(shù)、千粒重顯著關(guān)聯(lián)，過表達(dá)TaSnRK2.9-5A能顯著增加轉(zhuǎn)基因水稻的穗粒數(shù)[60]。SnRK2增產(chǎn)的分子機(jī)理尚未闡明。

SnRK2參與調(diào)控株高。關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，小麥TaSnRK2.3-1B與株高、穗下節(jié)長、莖稈倒二節(jié)長和千粒重顯著關(guān)聯(lián)[50]。借助DH群體將TaSnRK2.3-1B定位于小麥染色體1B的標(biāo)記 wmc156(2.1 cM)和P3446-183(2.9 cM)之間，在該區(qū)域內(nèi)曾報(bào)道有一個(gè)控制株高的QTL[53]。對小麥極端株高品種的節(jié)間組織進(jìn)行基因表達(dá)量分析的結(jié)果表明，TaSnRK2.3-1B負(fù)調(diào)控株高[61]。

綜上所述，SnRK2是典型的“一因多效”基因家族，它一方面響應(yīng)逆境脅迫應(yīng)答，增強(qiáng)植物的抗逆性，一方面參與調(diào)控植物生長發(fā)育的多個(gè)方面。

4 展 望

SnRK2是植物特有的蛋白激酶，它通過磷酸化修飾調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性，調(diào)控下游基因表達(dá)，從而參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和代謝過程，在植物生長發(fā)育和逆境脅迫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用。

目前對SnRK2的研究主要集中在ABA依賴的信號通路，其作用機(jī)理和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也因此被闡述得很清楚。而對SnRK2參與的非ABA依賴信號途徑研究得卻非常之少，其上游激活因子、下游靶標(biāo)，以及其作用機(jī)理均知之甚少，因此未來應(yīng)該加強(qiáng)對該領(lǐng)域的研究。

隨著轉(zhuǎn)基因、高通量測序和基因組編輯技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基因功能解析將變得越來越容易；同時(shí)伴隨著關(guān)聯(lián)分析技術(shù)在復(fù)雜性狀解析方面的成功應(yīng)用，我們深信SnRK2的新功能將會被不斷發(fā)現(xiàn)，尤其是其在調(diào)控主要農(nóng)藝性狀發(fā)育方面的作用將進(jìn)一步豐富我們的認(rèn)知。SnRK2功能的全面解析，將為充分利用該基因家族改良植物的抗逆性、提高產(chǎn)量提供理論依據(jù)和基因資源。