王夢龍, 駱素微, 李曉詩, 彭小群

( 惠州學院 生命科學學院, 廣東 惠州 516007 )

自然界植物會受到因各種環(huán)境因素影響而引起的脅迫,為了應對多種多樣的生物或非生物脅迫,植物在進化的過程中演變出許多有效機制來抵御外界環(huán)境脅迫。這些機制既可避免植物遭受脅迫損害,又可提高植物的品質(zhì)和產(chǎn)量。在植物的非生物脅迫應答中,一類重要的蛋白——凝集素類受體激酶(lectin receptor-like kinases, LecRLKs),在其中發(fā)揮著關鍵作用。LecRLKs是類受體激酶(receptor-like kinases, RLKs)的一個亞家族,廣泛存在于植物中,王夢龍等(2020)報道其參與生物/非生物脅迫響應和植物的發(fā)育調(diào)控。已有的研究表明LecRLKs可通過感知和轉(zhuǎn)導環(huán)境中的各種信號分子參與非生物脅迫響應,包括鹽脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫、機械損傷和植物激素等(Vaid et al., 2012; 王夢龍等,2020)。例如,凝集素類受體激酶基因PbLRK138參與了植物的耐鹽性(Ma et al., 2018);LecRK-IX.2基因參與了植物的激素信號響應(Luo et al., 2017)。由此可見,凝集素類受體激酶介導的非生物脅迫響應對維持植物的正常生長發(fā)育極其重要。

近年來,隨著研究的持續(xù)深入,參與植物非生物脅迫響應的凝集素類受體激酶被大量報道,但迄今為止尚未有文獻對這些研究進行系統(tǒng)的歸類和總結(jié)。本文概述了植物凝集素類受體激酶的結(jié)構(gòu)特征、分類以及參與各項非生物脅迫響應的信號轉(zhuǎn)導機制和調(diào)控機制,并分析了未來的研究方向和應用前景。

1 凝集素類受體激酶的結(jié)構(gòu)特征及分類

凝集素類受體激酶主要由細胞外凝集素結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域以及細胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域組成。其中,凝集素結(jié)構(gòu)域具有特異性結(jié)合糖類分子的功能,由于該結(jié)構(gòu)域多變且能識別多種不同的信號分子,因此LecRLKs被劃分為L、G和C三種類型(Vaid et al., 2012; 王夢龍等,2020)。其中,L型和G型只存在于植物中,C型主要發(fā)現(xiàn)于哺乳動物中(Vaid et al., 2013; 王夢龍等,2020)。L型LecRLKs中含有豆科類胞外凝集素結(jié)構(gòu)域,廣泛存在于豆科植物中,可以識別細胞外信號并在植物內(nèi)引起一系列信號響應(Vaid et al., 2012, 2013)。G型LecRLKs屬于SRK(S-locus receptor kinase)中的一類,參與了花的發(fā)育過程,與自交不親和性(self-incompatibility, SI)相關(王夢龍等,2020)。G型LecRLKs曾被稱為B型LecRLKs,其凝集素結(jié)構(gòu)域包括了12條β-barrel結(jié)構(gòu),并與α-D甘露糖具有潛在的親和力,但目前其內(nèi)在功能機制尚不清楚(Vaid et al., 2013)。C型LecRLKs是一類廣泛存在于哺乳動物體內(nèi),能識別自我和非自我以及依賴于Ca2+行使功能的凝集素類受體蛋白激酶(王夢龍等,2020)。C型LecRLKs在植物中較少發(fā)現(xiàn),目前在水稻(Oryzasativa)、擬南芥(Arabidopsisthaliana)、毛果楊(Populustrichocarpa)及桉樹(Eucalyptusrobusta)中都只發(fā)現(xiàn)1個該類型LecRLKs,其具體功能尚不了解(Bouwmeester &Govers, 2009; Vaid et al., 2012; 彭小群等,2022)。

LecRLKs的跨膜區(qū)由18～25個氨基酸組成,大多數(shù)氨基酸屬于非極性氨基酸,其序列一致性較差(Morillo &Tax, 2006)。Pi-d2蛋白屬于G型LecRLKs,其跨膜結(jié)構(gòu)域中一個氨基酸的改變會引起蛋白質(zhì)喪失功能,表明跨膜結(jié)構(gòu)域?qū)ecRLKs功能的維持十分重要(Chen et al., 2006)。已有研究發(fā)現(xiàn)跨膜結(jié)構(gòu)域不僅參與信號轉(zhuǎn)導及質(zhì)膜定位過程,還具有識別配體的功能(Bi et al., 2016; Hohmann et al., 2017)。

激酶結(jié)構(gòu)域一般由250～300個氨基酸組成,與凝集素結(jié)構(gòu)域相比具有更高的保守性,其結(jié)構(gòu)域上具有磷酸化位點,主要參與外界信號傳遞(Vaid et al., 2012)。酶動力學研究發(fā)現(xiàn)某些二價金屬陽離子可促進激酶結(jié)構(gòu)域自身磷酸化以及激酶活性,其中Mn2+與Mg2+離子的促進效果較Ca2+與Zn2+離子好(Nishiguchi et al., 2002; He et al., 2004)。

2 凝集素類受體激酶參與植物非生物脅迫響應

2.1 參與鹽脅迫響應

在非生物脅迫中,高鹽脅迫條件不利于植物的生長發(fā)育,這是導致作物產(chǎn)量減少的主要原因之一,并且每年會造成嚴重的經(jīng)濟損失。植物在高鹽環(huán)境下通過自身基因調(diào)控以適應脅迫環(huán)境。擬南芥、大豆(Glycinesoja)、水稻和豌豆(Pisumsativum)等植物中的各種類型凝集素類受體激酶均參與了鹽脅迫的應答反應,表1中已列出參與鹽脅迫響應相關的凝集素類受體激酶基因。

LecRK-I.3是擬南芥L型凝集素類受體激酶基因。已有研究發(fā)現(xiàn),擬南芥LecRK-I.3基因受鹽脅迫誘導表達,將煙草中鹽誘導的乙烯受體基因NTHK1轉(zhuǎn)入擬南芥中過度表達會降低乙烯敏感性(Zhang et al., 2001; Xie et al., 2002)。Deng等(2009)證實了擬南芥LecRK-V.2基因主要在種子萌發(fā)時表達,萌發(fā)后則停止表達,并參與了種子早期發(fā)育過程的鹽脅迫應答。更重要的是,由于LecRK-V.2基因被證實在種子萌發(fā)過程中作為ABA響應的正調(diào)控因子,因此LecRK-V.2基因功能缺陷突變體能夠有效減少擬南芥生長發(fā)育早期對ABA和鹽的敏感性。擬南芥L型凝集素類受體激酶基因LecRK-IV.3的轉(zhuǎn)錄受鹽和ABA雙重調(diào)控,高鹽條件下起著正向調(diào)節(jié)的作用,在種子萌發(fā)階段負向調(diào)控ABA反應(Xin et al., 2009)。在高鹽環(huán)境下過表達LecRK-IV.3基因使植株對鹽脅迫耐性增強,從而提高種子的萌發(fā)率和綠葉率(Huang et al., 2013)。李美玲(2019)的研究發(fā)現(xiàn),LecRKIII.2基因使擬南芥幼苗在萌發(fā)期間對鹽脅迫表現(xiàn)出更高的耐受性。

GsSRK是大豆中的G型凝集素類受體激酶基因,受鹽脅迫、干旱脅迫和ABA的多重誘導,并通過獨立于ABA的反應途徑來調(diào)控植物對鹽和干旱脅迫的耐受性。Sun等(2013)研究發(fā)現(xiàn)過表達該基因可提高植物的耐鹽性,使植物在成熟階段表現(xiàn)為葉綠素含量增加、離子泄露降低、株高增長和果實增多等形態(tài)特征。在擬南芥中過表達GsSRK基因不僅正向調(diào)節(jié)植物對鹽脅迫的耐受性,而且提高了在鹽脅迫環(huán)境下的產(chǎn)量(Sun et al., 2013)。Sun等(2018)研究發(fā)現(xiàn),在苜蓿(Medicagosativa)中過表達大豆全長GsSRK(GsSRK-f)或缺失G型凝集素結(jié)構(gòu)域的截短型GsSRK(GsSRK-t)基因均可提高植株的耐鹽性,并且過表達GsSRK-t的轉(zhuǎn)基因株系的生長性能優(yōu)于過表達GsSRK-f。Zhang等(2022)通過轉(zhuǎn)錄研究鑒定到GmLecRLK為大豆鹽脅迫相關基因,主要在根系中表達,參與調(diào)控大豆的耐鹽能力。GmLecRLK過表達轉(zhuǎn)基因大豆表現(xiàn)出對鹽脅迫耐受,并且增強了大豆清除活性氧(ROS)的能力(Zhang et al., 2022)。雖然有研究結(jié)果表明GmLecRLK能夠提高大豆對鹽的耐受性,但其實際調(diào)控機制尚未研究清楚。

豌豆L型PsLecRLK基因主要在根和嫩枝中積累,鹽脅迫條件下其表達會顯著上調(diào)。Joshi等(2010)通過實驗發(fā)現(xiàn)PsLecRLK基因在低溫和干旱脅迫下也會增加表達,并且在鹽脅迫下表達增長幅度最大。PsLecRLK基因在煙草植株中過度表達可以減少轉(zhuǎn)基因植株的離子平衡和滲透壓,從而獲得耐鹽性。Vaid等(2015)通過實驗發(fā)現(xiàn)過表達PsLecRLK基因的植株在鹽脅迫下能夠表現(xiàn)出更高的萌發(fā)率和綠葉率,既可防止根系組織中ROS積累和膜損傷,又能有效降低Na+/K+比例從而增強了植株對鹽的耐受性。

Li等(2014)證明水稻L型凝集素類受體激酶SIT1在鹽條件下可快速被激活,進而磷酸化下游效應子MPK3和MPK6。SIT1負調(diào)控水稻的耐鹽性,隨著SIT1激酶的表達增加,植物存活率反而降低。擬南芥中SIT1蛋白激酶在鹽脅迫下使ROS積累增加,從而抑制植株的生長發(fā)育且降低植株在鹽脅迫下的存活率(Li et al., 2014)。Ma等(2018)研究發(fā)現(xiàn)白梨(Pyrusbretschneideri)中有6個LecRLKs (4個L型和2個G型)在鹽脅迫條件下顯著表達,提示它們可能在調(diào)節(jié)非生物脅迫方面發(fā)揮一定作用。在煙草中過表達白梨L型凝集素類受體激酶基因PbLEK138可導致細胞死亡,從而提高植物對鹽的耐受性(Ma et al., 2018)。櫻桃(Cerasushumilis)具有較強的耐鹽能力,Han等(2021)研究發(fā)現(xiàn)存在8個ChLecRLK基因(5個G型、2個L型和1個C型)在重度鹽脅迫下表達量顯著提高,輕度鹽脅迫下有5個ChLecRLK基因(4個G型和1個L型)顯著表達,表明它們積極參與鹽脅迫的響應。花生(Arachishypogaea)是我國主要的油料作物之一,通過同源克隆可在栽培種花生中獲得一個L型凝集素類受體激酶基因AhLecRK9。黃若蘭(2022)研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥中過表達花生L型凝集素類受體激酶AhLecRK9,植株對鹽脅迫表現(xiàn)出更強的敏感性。

表 1 參與鹽脅迫響應相關凝集素類受體激酶基因列表Table 1 LecRLK genes involved in salt stress response

2.2 參與低溫脅迫響應

同其他環(huán)境脅迫一樣,低溫是限制植物生長的關鍵性條件之一,其受地理位置影響較大。低溫會導致作物產(chǎn)量降低、生長發(fā)育不良甚至造成生殖發(fā)育阻礙。植物細胞通過不斷進化出現(xiàn)復雜的細胞內(nèi)信號網(wǎng)絡,當遇到冷信號脅迫時可以直接或間接地增強對冷的耐受性。表2中已列出參與低溫脅迫響應相關的凝集素類受體激酶基因。

擬南芥L型凝集素類受體激酶LecRK-V.6在遇到低溫時其表達被強烈抑制(Bouwmeester &Govers, 2009)。陸秀濤等(2016)通過實驗發(fā)現(xiàn),雖然擬南芥LecRK-S.7基因在植株各個時期的表達量并不高,但其啟動子區(qū)含低溫脅迫應答元件,表明LecRK-S.7基因可能參與低溫脅迫響應。李美玲(2019)通過對擬南芥幼苗進行低溫脅迫處理發(fā)現(xiàn),LecRKIII.2基因在植株中的表達量出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,表明LecRKIII.2基因可能參與了冷脅迫的響應。

豌豆PsLecRLK基因雖然在低溫條件下的表達量會增加,但與鹽脅迫相比其增長幅度較小(Joshi et al., 2010)。水稻三葉期嫩苗經(jīng)低溫處理后,植株中的L型凝集素類受體激酶基因OsLecRK1的表達受到抑制(崔欣欣,2012)。Liu等(2017)在一種南極苔蘚黃絲瓜蘚(Pohlianutans)中鑒定出一個L型的凝集素類受體激酶基因PnLecRLK1。Liu等(2017)研究發(fā)現(xiàn),當PnLecRLK1基因在擬南芥轉(zhuǎn)基因植株中過量表達時,植株可對低溫脅迫表現(xiàn)出更強的耐受性。

2.3 參與干旱脅迫響應

如表3所示,凝集素類受體激酶參與植物的干旱脅迫響應。櫻桃是一種廣泛種植于我國北方且具有較強耐旱和耐鹽能力的重要水土保持果樹(Han et al., 2021)。Han等(2021)對櫻桃研究發(fā)現(xiàn),櫻桃中的LecRLKs不僅參與了鹽脅迫的響應,還在應答干旱脅迫上至關重要。從對其170個LecRLK家族基因中選取的9個候選凝集素類受體激酶ChLecRLK基因(5個G型ChLecRLKs基因:ChLecRLK-G22、ChLecRLK-G36、ChLecRLK-G68、ChLecRLK-G82和ChLecRLK-G107;3個L型ChLecRLKs基因:ChLecRLK-L17、ChLecRLK-L32和ChLecRLK-L42;1個C型ChLecRLKs基因:ChLecRLK-C01)的研究表明,這9個基因積極參與了干旱脅迫響應。在強干旱脅迫下,植株的葉片中有8個基因的表達量顯著提高;在弱干旱下,ChLecRLK-G36、ChLecRLK-G68及ChLecRLK-L32在葉片中的表達量降低(Han et al., 2021)。

表 2 參與低溫脅迫響應相關凝集素類受體激酶基因列表Table 2 LecRLK genes involved in cold stress response

已有研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫能夠誘導大豆GsSRK基因的表達,并且GsSRK基因調(diào)控植株的耐旱性過程獨立于ABA信號途徑(Ge et al., 2010; Sun et al., 2013)。Haider等(2021)研究表明在黃瓜中,多個凝集素類受體激酶基因可能參與了干旱脅迫響應。黃若蘭(2022)將花生中獲取的L型凝集素類受體激酶基因AhLecRK9轉(zhuǎn)化到擬南芥植株中,得到轉(zhuǎn)基因過表達植株(OE)。干旱脅迫可抑制OE植株地上部的生長,而地下部與野生型相比相對伸長,表明AhLecRK9的過表達增強了擬南芥植株對干旱的耐受性。

2.4 參與機械損傷響應

當植物受到機械損傷時,會引發(fā)細胞膜去極化、激活鈣離子通道與植物激素調(diào)控等一系列相關反應。LecRLKs在機械損傷脅迫應答中發(fā)揮重要的調(diào)控作用,其能夠通過感知植物遭受的機械損傷參與非生物脅迫響應。表4中已列出參與機械損傷脅迫響應相關的凝集素類受體激酶基因。

LecRK-V.5是擬南芥L型凝集素類受體激酶基因,是一類由45個成員組成的多基因家族的成員之一(Hervé et al., 1996; Barre et al., 2002; Bouwmeester &Govers, 2009)。Hervé等(1996)最早發(fā)現(xiàn)LecRK-V.5具有參與低聚糖與植物激素信號轉(zhuǎn)導的生理功能。隨后的研究發(fā)現(xiàn)LecRK-V.5基因在植物的生物或非生物脅迫(如鹽脅迫、低溫脅迫、干旱、機械損傷等)響應和植物的生長發(fā)育過程中也起重要作用。Riou等(2002)對LecRK-V.5基因的啟動子與GUS基因融合表達的研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)生機械損傷脅迫后LecRK-V.5基因表達的誘導主要與局部反應相關。機械損傷通常會引起包括誘導損傷周圍部位細胞分裂在內(nèi)的植物組織修復及愈合等系列局部反應。從損傷的擬南芥植株組織中發(fā)現(xiàn),LecRK-V.5基因的表達在受到損傷后被局部激活,表達量明顯提高(Riou et al., 2002)。已有研究發(fā)現(xiàn),擬南芥受到損傷后其細胞壁的果膠將會釋放一種低聚半乳糖醛酸,以非茉莉酸(JA)的途徑誘導損傷脅迫響應基因的表達,表明該類分子可能參與了初期的損傷信號轉(zhuǎn)導(Benhamou et al., 1990; Riou et al., 2002)。擬南芥L型凝集素類受體激酶P2K1參與植物的傷口反應。P2K1是第一個在植物中鑒定的細胞外三磷酸腺苷(eATP)受體,通過比對蛋白序列發(fā)現(xiàn)P2K1蛋白是LecRK-I.9(L-type lectin receptor kinase I.9),其在正常條件下高表達(Choi et al., 2014)。當植株受到一定的損傷時會引發(fā)細胞破碎而釋放ATP,而這些釋放到細胞外的ATP能作為信號分子參與生物體的生長發(fā)育和應激響應(Tanaka et al., 2014)。隨著P2K1受體識別損傷脅迫響應中的DAMP信號——ATP功能發(fā)現(xiàn),大多數(shù)與ATP響應相關的基因被證明參與了損傷應答(Tanaka et al., 2014)。Tanaka等(2014)進一步研究發(fā)現(xiàn)P2K1基因突變體對ATP變化與損傷具有相同的應答效果,并且過表達的P2K1能增強對ATP與損傷的響應。這表明P2K1參與了植物的損傷脅迫應答,與ATP作為DAMP信號分子的功能相同。

表 3 參與干旱脅迫響應相關凝集素類受體激酶基因列表Table 3 LecRLK genes involved in drought stress response

與擬南芥中LecRK-V.5基因相反,黑楊(Populusnigra)中PnLPK基因在幼葉受到機械損傷脅迫時表達量會增加(Nishiguchi et al., 2002)。茉莉酸(JA)是介導機械損傷誘導基因表達的重要組分(Pea-Cortés et al., 1995)。然而,Nishiguchi等(2002)的研究發(fā)現(xiàn),當楊樹幼葉受到機械損傷時,PnLPK基因表達的調(diào)控可能不依賴于JA和SA介導的信號轉(zhuǎn)導通道。

在煙草(Nicotianabenthamiana)中,LecRK1參與了機械損傷的脅迫響應。在受到機械損傷的煙草葉片中,LecRK1基因的mRNA豐度增加(Gilardoni et al., 2011)。水稻中的L型凝集素類受體激酶基因OsLecRK1經(jīng)機械損傷脅迫后,其表達量受到誘導上調(diào)(崔欣欣,2012)。Vaid等(2015)研究發(fā)現(xiàn)豌豆中L型凝集素類受體激酶PsLecRLK基因參與機械損傷響應。在辣椒(Capsicumannuum)中,CaLecRK-S.5具有廣譜抗性,不僅參與植株的抗病反應,而且在機械損傷脅迫響應方面具有重要作用(Woo et al., 2016)。損傷脅迫能夠誘導CaLecRK-S.5基因的表達。CaLecRK-S.5是一種辣椒L型凝集素類受體激酶基因,在無外在刺激時,過表達的CaLecRK-S.5基因無法誘導絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級聯(lián)反應、ROS的爆發(fā)及其他反應癥狀(Woo et al., 2016, 2020)。Woo等(2016)通過對CaLecRK-S.5基因沉默與過表達的研究發(fā)現(xiàn),在CaLecRK-S.5基因沉默植株中,與損傷脅迫應答相關的基因表達量將降低,而在過表達CaLecRK-S.5基因植株中,損傷脅迫能誘導植株表現(xiàn)出更強的MAPK級聯(lián)反應以及ROS的爆發(fā)。這表明辣椒CaLecRK-S.5基因能夠?qū)p傷脅迫做出響應。

2.5 凝集素類受體激酶參與植物激素信號響應

植物激素在植物的生長發(fā)育調(diào)控中具有重要的生理功能。植物激素的調(diào)控需要膜蛋白的參與,大量的研究結(jié)果表明凝集素類受體激酶LecRLKs參與植物激素信號響應。

2.5.1 LecRLKs參與脫落酸(ABA)信號應答 如表5所示,凝集素類受體激酶參與ABA信號響應。Xin等(2009)對擬南芥中的凝集素類受體激酶的研究表明,多個LecRLKs受到ABA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Xin et al., 2009; Bouwmeester &Govers, 2009)。Xin等(2009)研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥L型凝集素類受體激酶中存在一類為LecRKsA4的亞家族,共包括4個成員,即LecRKA4.1、LecRKA4.2、LecRKA4.3以及LecRKA4.4,它們在種子的萌發(fā)過程中負向調(diào)控ABA脅迫,從而抑制種子萌發(fā)。Xin等(2009)對LecRKA4.1突變體的進一步研究發(fā)現(xiàn),LecRKA4.1的T-DNA敲除突變體在種子萌發(fā)的抑制作用中對ABA脅迫做出弱增強的響應。隨后,對LecRKA4.2、LecRKA4.3以及LecRKA4.4的功能缺失突變體的研究也發(fā)現(xiàn)相同的弱增強應答?；贚ecRKsA4基因的表達研究以及轉(zhuǎn)錄網(wǎng)格調(diào)控分析,LecRKA4.1與LecRKA4.2被證實參與調(diào)控部分ABA應答基因的表達?；趯υ摷易宄蓡T基因在種子萌發(fā)中對ABA脅迫響應的負調(diào)控存在冗余功能的猜測,Xin等(2009)研究發(fā)現(xiàn)LecRKsA4成員基因雙突變或三重突變時ABA對種子萌發(fā)的抑制作用更強烈。Zhang等(2019)研究發(fā)現(xiàn),LecRKA4.4參與調(diào)控ABA介導的氣孔開閉過程。擬南芥中LecRK-V.2在種子萌發(fā)階段參與了ABA脅迫響應。LecRK-V.2在種子萌發(fā)階段受ABA正向調(diào)節(jié)。與LecRKsA4家族的突變系不同的是,LecRK-V.2的功能性缺失突變體能輕微減小ABA對種子萌發(fā)的抑制作用(Deng et al., 2009)。當LecRK-V.5基因過表達時,其可以通過抑制ABA脅迫的應答反應來調(diào)控氣孔的開閉(Desclos-Theveniau et al., 2012)。豌豆L型凝集素類受體激酶PsLecRLK基因參與ABA的信號應答。豌豆經(jīng)ABA處理后,PsLecRLK基因在后期會產(chǎn)生強烈的應答(Vaid et al., 2015)。Liu等(2017)將黃絲瓜蘚中的L型凝集素類受體激酶基因PnLecRLK1轉(zhuǎn)入擬南芥中過表達發(fā)現(xiàn),可以提高擬南芥種子萌發(fā)時對ABA的敏感性。此外,在PnLecRLK1過表達的擬南芥轉(zhuǎn)基因植株中,ABA響應基因轉(zhuǎn)錄物豐度顯著提高。

表 4 參與機械損傷脅迫響應相關凝集素類受體激酶基因列表Table 4 LecRLK genes involved in mechanical damage stress response

表 5 參與ABA信號響應相關凝集素類受體激酶基因列表Table 5 LecRLK genes involved in ABA stress response

2.5.2 LecRLKs參與水楊酸(SA)信號應答 如表6所示,凝集素類受體激酶參與SA信號響應。Luo等(2017)研究發(fā)現(xiàn),擬南芥中的L型凝集素類受體激酶基因LecRK-IX.2參與植物激素SA的信號應答。LecRK-IX.2基因能夠誘導鈣依賴蛋白激酶(CPKs)磷酸化且激活RBohD,從而引起ROS的爆發(fā),并增強ROS觸發(fā)的SA生物合成。LecRK-IX.2介導的細胞死亡需要SA的積累,當LecRK-IX.2過表達引起SA升高時可導致細胞死亡。此外,LecRK-IX.2突變體還參與響應flg22誘導的擬南芥SA信號轉(zhuǎn)導途徑。Melotto等(2006)研究表明,功能性SA信號參與氣孔免疫過程中的氣孔關閉。Yekondi(2018)等的研究提示,擬南芥LecRK-V.2和LecRK-VII.1可能在SA介導的氣孔關閉中發(fā)揮部分作用。

在煙草中,LecRK1會抑制SA在食草性過程的積累。通過病毒介導的基因沉默和反向重復RNA干擾,可以降低植株中LecRK1的表達量,從而得到ir-LecRK1植株。Gilardoni等(2011)研究發(fā)現(xiàn),在ir-LecRK1植株中,SA的積累量會增長兩倍。

2.5.3 LecRLKs參與茉莉酸(JA)信號應答 如表7所示,凝集素類受體激酶參與JA信號響應。在擬南芥中,Balagué等(2017)研究發(fā)現(xiàn),L型凝集素類受體激酶LecRK-I.9參與JA信號響應。JA能夠誘導LecRK-I.9基因的表達,而過表達LecRK-I.9基因可以改變其JA信號響應相關轉(zhuǎn)錄因子(TFs)的表達水平。此外,過表達LecRK-I.9基因?qū)铣蒍A及該信號通路中相關基因的表達也有一定的影響。Balagué等(2017)研究發(fā)現(xiàn),LecRK-I.9參與響應JA激素信號,能夠負調(diào)控信號通路的MYC分支。乙烯(ET)與JA共同參與調(diào)控LecRK-I.9的表達,而SA不參與該過程(Gimenez-Ibanez &Solano, 2013)。Balagué等(2017)通過研究提出LecRK-I.9響應JA信號通路的調(diào)控模型,即LecRK-I.9對JA介導的防御基因具有正調(diào)控作用,而對JA介導的損傷基因具有負調(diào)節(jié)作用。Yekondi等(2018)研究發(fā)現(xiàn),L型凝集素類受體激酶LecRK-V.2和LecRK-VII.1參與了氣孔的免疫過程以及JA誘導的氣孔關閉過程,即當LecRK-V.2基因和LecRK-VII.1基因過表達時,植株對MeJA介導的氣孔關閉過程表現(xiàn)出更高的敏感性。LecRK-V.2和LecRK-VII.1通過參與激活MeJA誘導的保衛(wèi)細胞Ca2+滲透陽離子通道的過程致使氣孔關閉(Yekondi et al., 2018)。因此,LecRK-V.2基因和LecRK-VII.1基因可能對flg22感知和MeJA積累的信號級聯(lián)過程具有重要作用,從而引起ROS爆發(fā)。由此可見,功能性的LecRK-V.2和LecRK-VII.1是MeJA介導的氣孔關閉的重要組分。

Gilardoni等(2011)證實LecRK1參與煙草中昆蟲介導的對JA誘導的防御抑制過程。Gilardoni等(2011)研究發(fā)現(xiàn),在JA合成不足或?qū)ζ涿舾卸鹊偷闹仓曛?茉莉酸鹽能夠抑制LecRK1基因mRNA的表達。

2.5.4 LecRLKs參與乙烯(ET)信號應答 如表8所示,凝集素類受體激酶參與ET信號響應。Mergemann和Sauter(2000)的研究發(fā)現(xiàn),乙烯(ET)通過調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生來介導植物的脅迫反應。He等(2004)研究發(fā)現(xiàn),擬南芥L型凝集素類受體激酶LecRK-I.3基因在鹽脅迫下的誘導表達受ET信號通路及乙烯受體蛋白的調(diào)控。NTHK1是在煙草中發(fā)現(xiàn)的一個受鹽脅迫誘導的乙烯受體基因(Zhang et al., 2001)。He等(2004)研究表明,在轉(zhuǎn)入了NTHK1基因的擬南芥中LecRK-I.3基因的表達被抑制或延緩。在乙烯過量表達突變體eto1-1中,LecRK-I.3基因受乙烯誘導呈組成性表達(He et al., 2004)。在乙烯不敏感突變體ein2-1中,LecRK-I.3受鹽誘導的表達量與野生型的基本相同,Alonso等(1999)研究表明LecRK-I.3在鹽脅迫下的誘導表達不依賴于乙烯信號通路的核心組分EIN2。

Li等(2014)研究發(fā)現(xiàn),水稻L型凝集素類受體激酶SIT1正向調(diào)控ET的產(chǎn)生,并介導鹽誘導的乙烯信號轉(zhuǎn)導。在擬南芥中,SIT1通過MPK3/6和乙烯信號依賴的方式促進活性氧ROS的積累,從而抑制植物的生長甚至導致死亡。Li等(2014)研究證實了水稻中存在一個SIT1-MPK3/6級聯(lián)反應,可以通過調(diào)節(jié)ROS和乙烯的穩(wěn)態(tài)及信號轉(zhuǎn)導介導鹽的敏感性。

PsLecRLK是豌豆L型凝集素類受體激酶。PsLecRLK在煙草植株中過度表達時,乙烯響應基因表達上調(diào)(Vaid et al., 2015)。

表 8 參與ET信號響應相關凝集素類受體激酶基因列表Table 8 LecRLK genes involved in ET stress response

3 展望

非生物脅迫(鹽害、溫度脅迫、干旱、機械損傷、激素脅迫等)既是限制大多數(shù)作物產(chǎn)量的關鍵因素之一,也是威脅糧食安全的主要環(huán)境因子。目前,盡管已有許多凝集素類受體激酶參與植物非生物脅迫響應,涉及多種信號分子和信號通路,但其潛在的作用機制仍有待進一步探索。第一,LecRLKs參與非生物脅迫識別配體的機制和信號轉(zhuǎn)導機制尚不清楚。已知凝集素類受體激酶是識別自我與非自我的信號分子,并且通過信號轉(zhuǎn)導參與植物的生物/非生物脅迫響應。例如,PnLPK可以通過非JA和SA介導的信號轉(zhuǎn)導通道參與機械損傷響應(Nishiguchi et al., 2002)。然而,對于LecRLKs如何通過其細胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域?qū)⑿盘杺鬟f給下游的信號分子,如何調(diào)控應激反應,如何與其他信號通路相互作用以及如何調(diào)節(jié)基因表達和蛋白質(zhì)翻譯等還缺乏系統(tǒng)研究。盡管已知凝集素類受體激酶具有激酶結(jié)構(gòu)域,磷酸化功能在信號激活和轉(zhuǎn)導中具有極其重要作用,但磷酸化功能是否參與調(diào)控植物的非生物脅迫響應還鮮有報道。通過對凝集素類受體激酶的激酶活性及其磷酸化功能進行深入研究,將進一步拓展該類激酶參與非生物脅迫響應的研究思路。第二,LecRLKs功能多樣性和功能冗余性的利用還未深入開發(fā)。LecRLKs可以在不同的非生物脅迫下發(fā)揮不同作用,甚至在同一種非生物脅迫下也可以有不同的效應。例如,在低溫脅迫下,水稻嫩苗中的OsLecRK1基因表達受到抑制,而在機械損傷的脅迫下,水稻中OsLecRK1基因的表達量誘導上調(diào)。這表明同一LecRLKs的功能具有多樣性,而功能的多樣性可能與其結(jié)構(gòu)域、亞細胞定位、組織特異性表達等因素有關。同時,LecRLKs間可能存在功能的冗余或協(xié)同應答作用,將導致單基因敲除或過表達不明顯或不統(tǒng)一。因此,需要從遺傳學、分子生物學等角度深入系統(tǒng)地進行功能分析與研究。此外,目前凝集素類受體激酶的功能研究大都集中在單一某個凝集素類受體激酶,而不同凝集素類受體激酶間是否存在相互作用,是否協(xié)同參與非生物脅迫響應知之甚少。探究凝集素類受體激酶之間的相互調(diào)控關系,闡明它們參與非生物脅迫的響應機制,是未來值得研究的方向之一。

LecRLKs在作物抗逆育種中的應用尚未普及。通過轉(zhuǎn)基因或基因編輯技術改變LecRLKs的表達水平或活性,可以提高作物對非生物脅迫的抗性。例如,在擬南芥中過表達LecRK-IV.3基因可使植株對鹽脅迫耐性增強(Huang et al., 2013)。這些研究為利用LecRLKs進行作物抗逆育種提供了有益的借鑒。然而,由于LecRLKs功能的多樣性和冗余性,以及轉(zhuǎn)基因或基因編輯技術的局限性,迄今為止還未有將LecRLKs成功應用于作物抗逆育種的案例。因此,需要進一步篩選和鑒定具有重要功能和應用潛力的LecRLKs,以及開發(fā)更高效、更安全和更可靠的基因操作技術,是實現(xiàn)LecRLKs在作物抗逆育種中廣泛應用的關鍵。同時,深入了解植物發(fā)育與脅迫響應間的相互關系,闡明其中的分子調(diào)控機制,尋找發(fā)育與抗逆的平衡點,對于作物的抗逆育種也尤為重要。

對LecRLKs的進一步鑒定和深入研究,有助于篩選出滿足人類需要的LecRLK候選基因,從而改造更耐脅迫、抗逆性的作物。此外,提高植物的抗逆性能在一定情況下減小由低耐受作物耗費大量水肥引起的環(huán)境壓力,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展也至關重要。