Regulation of calcium and magnesium homeostasis in plants: from transporters to signaling network
期刊：Current Opinion in Plant Biology(Volume 39)
In Progress (October 2017)
影響因子：7.47
通訊作者：欒升 教授
單位：加州大學伯克利分校
鈣（Ca2+）和鎂（Mg2+）是植物中最豐富的二價陽離子。作為營養元素和信號離子，細胞中的Ca2+水平受到一系列通道蛋白和轉運蛋白的調控，這種調控機制是Ca2+平衡和Ca2+信號產生的分子基礎。雖然CorA型Mg2+轉運蛋白家族在植物Mg2+平衡調節方面起關鍵作用，但仍需鑑定出更多組分。Ca2+和Mg2+在植物細胞中可能具有拮抗作用，因此植物依賴Ca2+和Mg2+之間的平衡以獲得最適的生長和發育。維持這種平衡以應對土壤營養變化是植物礦物營養的重要特徵。研究發現，植物能夠感知營養變化並經過信號轉導來調節轉運蛋白活性，從而適應環境營養變化。這種「營養感知」信號網絡之一，Ca2+依賴型類鈣調磷酸酶B亞基蛋白（CBL）-CBL互作蛋白激酶（CIPK）途徑，可作為環境營養與轉運活性之間的聯繫樞紐。在本文中，作者綜述了最近關於Ca2+和Mg2+轉運系統及其調控的相關研究，並提出了對未來研究方向的看法。
Figure 1. Ca2+ transport systems in a plant cell.
Figure 2. Regulation of Mg2+ homeostasis in a plant cell.
前言
鈣（Ca）和鎂（Mg）是地殼中豐富的金屬元素。土壤中的Ca2+和Mg2+是植物必需的營養物質。Ca2+可加強植物細胞壁、中和液泡陰離子以及提供脅迫保護。與植物組織中總鈣含量高相反，細胞質游離Ca2+的基礎水平極低，通常約為100-200 nM[1]。因通過Ca2+通道可快速增加細胞質基質Ca2+濃度，使得Ca2+在植物及其它真核生物的幾乎所有生理過程中均起到通用信使的作用[2]。另一方面，細胞中含有高度豐富的Mg2+，可作為許多酶的輔因子以及作為綠色組織中葉綠素分子的核心金屬[3]。Ca2+和Mg2+均由植物根系從土壤中獲取，並通過木質部向上運輸到枝條上。一旦沉積，Ca2+是不移動的，而Mg2+可通過韌皮部移動在植物體內再循環。已鑑定一些離子通道和轉運蛋白家族，它們幫助Ca2+和Mg2+跨質膜和細胞內膜轉運。在細胞和植株水平協調這些轉運系統的活性可控制Ca2+和Mg2+營養水平，並確保Ca2+作為響應各種發育和環境信號的第二信使。儘管它們具有不同的生理和生化功能，但植物中Ca2+和Mg2+的平衡似乎是緊密相連的，並且可能至少部分地由共同的信號網絡所調節。在本文中，作者總結了植物Ca2+和Mg2+轉運及平衡機制的最新進展。
Ca2+轉運：植物細胞的Ca2+特徵
鈣是植物生長必不可少的元素，佔莖幹重的0.1-5%。雖然鈣在自然界中是豐富的，但鈣缺乏可發生在需高水平鈣的快速生長的組織中，鈣缺乏會引起幼葉細胞壞死和果實臍腐症等症狀[4]。鈣缺乏通常發生在幼嫩組織中，部分原因為鈣是一種不可移動的營養元素，幾乎不能從老組織中重新移動並通過韌皮部重新分配。除作為細胞壁和其他細胞結構的重要組成成分外，Ca2+更為重要的功能是作為植物細胞中普遍存在的信號分子[5]。細胞質基質游離Ca2+濃度的瞬時升高可作為編碼刺激特異性信息的細胞內信號。Ca2+變化的刺激特異性模式的形成，即「Ca2+特徵」[6]，依賴於不同Ca2+轉運蛋白的協同作用，其介導Ca2+跨細胞膜的流入和流出（圖1）。
質膜上的鈣離子滲透通道介導Ca2+從質外體流入細胞質。在一些植物細胞中，電生理研究已鑑定出電壓依賴的Ca2+滲透通道，進一步分為去極化激活的Ca2+滲透通道（DACC）和超極化激活的Ca2+滲透通道（HACC）以及不依賴電壓的Ca2+滲透通道（VICC）[7]。通常認為DACC可能與Ca2+的瞬時流入有關，以響應各種外部刺激[8]；而HACC可能與持續性的Ca2+流入有關，尤其是在保衛細胞的信號轉導[9,10]以及根毛的Ca2+流入[7,11]。另一方面，VICC可在生理膜電位上組成型開放，其可能在維持植物細胞的基底細胞質基質Ca2+水平方面起重要作用[12]。
儘管已對DACC、HACC和VICC進行了電生理研究，但在高等植物中，它們的分子特徵仍不甚清楚。最近研究發現模式植物擬南芥中編碼候選Ca2+滲透通道的幾個基因家族，包括環核苷酸門控離子通道（CNGC），穀氨酸受體家族（GLR），mid1互補活性蛋白（MCA）和鈣滲透脅迫門控陽離子通道（CSC）/降低的高滲透性誘導[Ca2+]i增加通道（OSCA）。在這些家族中，CNGC和GLR與各自在動物中的同源物結構相似，具有典型的離子通道的多個跨膜跨度。敲除突變分析表明，這兩個家族中的幾個成員參與Ca2+調節的發育和生理過程，包括根發育（OsGLR3.1[13]；GLR3.2 & 3.4[14]）、花粉管生長（CNGC18[15]；GLR1.2 & 3.7[16]）、根向地性和根毛尖部生長（CNGC14[17,18]）、氣孔運動（GLR3.1 & 3.5[19]）、離子平衡（CNGC3[20]；CNGC10[21]；GLR3.2[22]）、熱適應（CNGC6[23]；PpCNGCB & CNGC2[24]）、病原體反應（CNGC2[25,26]；CNGC4[27]；CNGC11 & 12[28]）以及創傷反應（GLR3.3 & 3.6[29]）。雖然它們的結構和激活配體是不同的，但CNGC和GLR通道均可參與如花粉管導向等過程[16,30]，這就引出了一個有趣的問題，即它們是如何相互協調來實現相同的功能。通過電生理實驗已鑑定出這兩個家族的幾個成員。例如，在人胚腎（HEK）細胞和非洲爪蟾卵母細胞中，CNGC18和CNGC7,8,9,10,16被證明可滲透Ca2+和Ba2+，但不能滲透K+[30,31,32]。在HEK細胞中表達質膜定位的AtGLR3.4有利於胺基酸門控的Ca2+流入，從而產生細胞質Ca2+信號[33]。MCA最初的鑑定是基於其互補酵母mid1突變體的能力，mid1突變體在跨細胞膜的Ca2+轉運方面存在缺陷[34]。突變和過表達分析表明，擬南芥MCA1和MCA2可介導跨細胞膜的Ca2+吸收，特別是在經歷觸摸或膨脹變化的機械應力的細胞中[34,35]。儘管未能揭示其通道活性，玉米MCA同源物在幼苗發育中起著重要作用[36]。在植物中已發現一個由滲透刺激的Ca2+滲透通道新家族，CSC/OSCA[37,38]。CSC1及其旁系同源物OSCA1在非洲爪蟾卵母細胞[37]和HEK細胞[38]中表現出高滲脅迫激活的Ca2+通道活性。對根和保衛細胞高滲脅迫的響應，osca1突變體的Ca2+升高幅度降低[38]。值得注意的是，上述Ca2+滲透通道主要在細胞Ca2+信號通路中起作用，但其中一些Ca2+通道也可能與多種細胞類型的Ca2+營養成分有關，目前這類觀點的文獻較少。
與Ca2+流入一樣，Ca2+通過細胞膜流出和Ca2+螯合進入細胞內隔室對保持瞬時的Ca2+信號同等重要。P型Ca2+-ATPase可將細胞質基質中的Ca2+從細胞膜中泵出細胞，或將其螯合到內質網（ER）與其它細胞器中[39]。P型Ca2+-ATPase可分為P2A型內質網 Ca2+-ATPase（ECA）和P2B型Ca2+-ATPase（ACA）兩大類，P型Ca2+-ATPase屬於ATP水解激活的離子泵超家族。這些Ca2+泵存在於細胞膜（ACA8、ACA9和ACA10）、內質網（ECA1和ACA2）、高爾基體與內體（ECA3）、液泡膜（ACA4和ACA11）以及質體膜（ACA1）上，暗示這些細胞器可儲存Ca2+以形成Ca2+信號的空間特異性[2,6]。在擬南芥中，aca9單突變體和aca8 aca10雙突變體的遺傳分析表明，這些Ca2+泵在花粉管生長與植物免疫反應中發揮作用[40,41]。aca突變體表型與Ca2+通道突變體的缺陷表型相似，表明Ca2+流入和流出轉運蛋白協同實現精確的Ca2+信號轉導過程。除了Ca2+-ATPase，液泡膜上的CAX家族Ca2+/H+交換體有助於Ca2+進入到液泡中以保持植物細胞質基質中低的Ca2+水平[42,43]。敲除或過表達CAX1和CAX3可改變Ca2+平衡並損害植物生長及脅迫反應[44,45,46]。最近研究發現，CNGC2與CAX1/3協調介導Ca2+流入葉細胞。因此，CNGC2與CAX1/3介導的Ca2+流入及液泡吸收共同調節Ca2+在植物細胞中的分布，以防Ca2+在細胞質基質和質外體中的過度積累[47]。有趣的是，在外部低Ca2+條件下，cngc2突變體的發育缺陷和自身免疫被抑制[47]。這些發現表明，Ca2+平衡需要嚴格調節Ca2+的流入、流出和封存，從而確保正常的Ca2+信號傳轉導和代謝功能。
游離Ca2+從內部儲存區釋放代表了Ca2+信號產生的另一種機制，但在已測序的陸地植物基因組中缺少動物肌醇（1,4,5）三磷酸（InsP3）受體或ryanodine受體的同源基因。液泡膜二孔通道TPC1與擬南芥慢液泡（SV）通道活性有關[48]。最近研究表明，在HEK細胞中過表達位於細胞膜上的TPC1時，其優先調節Ca2+水平[49]。TPC1是否作為液泡Ca2+通道負責Ca2+從液泡腔釋放到細胞質基質，仍有待研究。
除細胞質基質Ca2+外，細胞核Ca2+水平的升高也可作為根毛對結節因子[50]和硝酸鹽感知的響應信號[51]。最近的一項研究表明，苜蓿中三個核膜定位的CNGC15同源異構體可參與核內Ca2+振蕩及共生反應[52]。
植物Mg2+轉運與平衡：MGT家族
為維持各種組織中Mg的最佳水平，植物已進化出有效的Mg2+運輸和調節機制。然而，關於植物Mg2+轉運蛋白分子特徵的認識尚未完全清楚。目前在高等植物中已鑑定的主要家族屬於細菌CorA Mg2+轉運蛋白（MGT）的同源物[53]，也稱為MRS2，其與向線粒體基質提供Mg2+的酵母Mrs2（線粒體RNA剪接2）蛋白具有相似性[54]。該家族中至少有10個成員存在於擬南芥中，每個成員具有兩個跨膜結構域（TMD），並在兩個TMD之間具有保守的Gly-Met-Asn（GMN）基序。通過Mg2+轉運蛋白缺乏的細菌或酵母突變體的互補實驗，發現某些MGT成員可促進細菌或酵母中的Mg2+轉運[53,54,55]。放射性示蹤劑（63Ni）分析表明，MGT轉運包括Mg2+在內的二價陽離子[53,56]。儘管已報導了細菌CorA蛋白的通道樣晶體結構，然而，植物MGT是否作為Mg2+通道尚未得到充分證實[57]。
植物根系的Mg2+吸收可能包括高親和性與低親和性的轉運系統[58]。在擬南芥中，MGT6似乎介導亞微摩爾範圍內的高親和性Mg2+吸收。此外，在外部Mg2+受限時，根中的MGT6表達顯著上調；而在低Mg2+條件下，MGT6沉默的植株的生長受到限制[56]。根中優先表達的MRS2-7/MGT7基因在植物適應低Mg2+條件中起重要作用[55]。最近的一項研究表明，在正常和高Mg2+條件下，MGT6和MGT7在植物Mg2+平衡中發揮重要作用，然而，具體的分子機制尚不清楚[59]。Mg2+缺乏可由土壤中低水平的Mg2+條件或抑制其吸收的其他因子所引起。在酸性土壤中，鋁（Al3+）可通過直接結合Mg2+通道而強烈抑制Mg2+吸收。有趣的是，Al3+可快速誘導水稻根中OsMGT1的表達，而osmgt1敲除突變體對Al3+脅迫敏感性增強，這可能是由於Mg2+吸收受損所致[60]。
從土壤中吸收後，Mg2+被轉運到木質部以實現從根到莖的遠程運輸。Mg2+在韌皮部也具有高度的移動性，因此Mg2+可從老組織到幼組織、從源到庫，並可在連續的補充循環中從莖向下運輸到根部。然而，參與這些過程的相關轉運蛋白尚未得到鑑定。在細胞水平上，如許多其他離子一樣，游離的Mg2+主要儲存在液泡中以達到平衡。Mg2+流入液泡被認為由Mg2+/H+交換體（MHX）介導[61]。研究發現，AtMGT2和AtMGT3參與葉肉細胞Mg2+分配到液泡的過程[62]。然而，需更多的遺傳研究來了解其生理功能。在綠色組織中，絕大部分的Mg與葉綠素形成複合體，但Mg2+如何轉運到葉綠體中尚未完全情清楚。候選促進因子可能是MGT10，其似乎是被靶向在葉綠體膜[63]。Mg2+轉運在植物生殖過程中也起著重要作用，包括MGT4[64]、MGT5[65,66]和MGT9[67]在內的幾種MGT在花粉發育和雄性生殖方面起著重要作用。
不同MGT成員的亞細胞定位仍然是一個懸而未決的問題。最近的研究顯示，同一MGT成員的定位不同，並且在瞬時過表達系統中，幾個MGT與ER膜相關聯，需要指出的是，許多膜蛋白被翻譯，並在過表達時於內質網上積累。為確定它們的生理功能，需對擬南芥以及其他植物中所有MGT進行全面的功能分析。除CorA/Mrs2外，細菌和動物中其它家族的Mg2+通道或轉運蛋白也被鑑定出[68]。證明其同源基因是否存在於植物界並參與植物細胞的Mg2+轉運將會是非常有趣的工作。
調控網絡：連接Ca2+和Mg2+平衡
作為兩種類似的二價陽離子，Ca2+和Mg2+可彼此拮抗，已在幾種情況下被證明。在天然蛇紋石土壤中，低Ca-Mg比可能會限制許多植物的生長或生存。通過遺傳篩選在擬南芥中證實Ca2+-Mg2+具有拮抗作用，cax1等位基因的功能缺失植株對蛇紋石土更耐受[69]。 cax1突變體液泡Ca2+/H+交換活性的降低可導致進入液泡的Ca2+降低，而在代謝池中保留更多的Ca2+以拮抗過量的Mg2+。一致地，減少外部Ca2+供應可減輕缺乏Mg2+轉運蛋白突變體的缺陷表型[70]。雖然通常認為Ca2+和Mg2+可能競爭相同的分子，如酶和轉運蛋白，但仍需更多的研究來揭開植物細胞中Ca-Mg拮抗作用的分子基礎。
作者對Ca2+-Mg2+相互作用的理解也是來自最近的發現，Ca2+信號通路在調節Mg2平衡中起關鍵作用。在酵母中，Mg2+缺乏會引起快速的Ca2+流入並激活Ca2+/鈣調磷酸酶信號通路，並導致下遊基因的轉錄變化[71]。雖然並不清楚植物對Mg2+飢餓響應中是否具有類似的機制，但已確定Ca2+信號在植物適應高Mg2+脅迫中的重要功能[72]。外部高Mg2+會誘導植物細胞質基質中Ca2+的瞬時升高。特定的Ca2+信號可被兩個定位於液泡膜的鈣調磷酸酶B亞基蛋白CBL2與CBL3感知，CBL2和CBL3功能冗餘，可激活CIPK3,9,23和26[72]。CIPK可與液泡膜Mg2+轉運系統相互作用並可將其磷酸化以實現液泡Mg2+的儲存，從而在細胞質中保持無毒的Mg2+水平（圖2）。研究發現，這些CIPK激酶可與脫落酸（ABA）響應途徑中起關鍵作用的組2的幾種蔗糖非發酵相關激酶（SnRK2）相互作用[73]。今後需重點解決以下問題：高Mg2+脅迫是如何誘導植物細胞中特異的Ca2+信號以及Ca2+和ABA信號在靶轉運蛋白調控植物Mg2+平衡中的可能交叉點。
展望
鈣離子是響應發育和環境信號的信使。研究植物鈣信號轉導的主要工作是利用生物化學、細胞學及遺傳學組合方法來鑑定參與植物特定發育過程或響應特定刺激的通道蛋白和/或轉運蛋白。建立如以前在非洲爪蟾卵母細胞或其他非植物系統中建立的與ABA、CO2、CBL-CIPK-AKT1相關的信號通路將有助於揭示Ca2+通道特性以及其他信號因子的調節作用[74,75]。基因編輯工具如CRISPR-Cas9將被證明能有效克服分析多基因家族的遺傳冗餘問題。這些工具也可用於揭示基因組中編碼的許多未知的跨膜蛋白的功能。關於Ca2+轉運，最大的挑戰之一是探究流入和流出轉運蛋白是如何被調控以將特定信息轉化為Ca2+信號。對於Ca-Mg平衡，應繼續完善調節和協調土壤營養狀態變化下的Ca2+和Mg2+轉運過程的信號網絡。此外，設計新的篩選方法以揭示Ca2+和Mg2+營養及信號相關的突變體將在遺傳和生理背景條件下產生重要發現。因為人類膳食中的主要Ca2+和Mg2+是植物來源的，因此揭示植物Ca2+和Mg2+平衡的分子機制將有助於改善作物的營養特性，從而提高作物產量，最終提高人類的健康水平。
青島農業大學園藝系果樹專業1982屆畢業生，同年考取中國科學院上海植物生理生態研究所碩士研究生，1985年考取王寬誠教育基金會貸款資助留學生赴美留學，1991在哈佛大學細胞與發育生物學系獲博士學位，1991-1994年在哈佛大學化學系從事博士後研究，1995－2000年在加州大學伯克利分校植物學系任助理教授。2000年至今為加州大學伯克利分校植物學系終身教授。他在植物生物化學和分子生物研究方面造詣頗深，研究內容涉及植物細胞膜系統信號受體蛋白、第二信使系統、蛋白激酶及蛋白磷酸化酶、離子通道蛋白和轉運蛋白等基因的功能鑑定。中組部「千人計劃」入選者。
Luan Laboratory studies how plants perceive and respond to extracellular signals through modifying their developmental and physiological programs. Studies in Luan Lab have identified a new molecular network for calcium signal transduction in plants. Downstream of these early signaling events, plants respond and adapt to environmental changes by regulating the biochemical processes including those at the plasma membrane, vacuolar membrane, and in the chloroplasts.
ResearchSignal Transduction and Chloroplast Biology
Our goal is to understand the molecular mechanism underlying plant response and adaptation to its environment. Because higher plants can not 「walk away」 from their environment, they have evolved elaborate mechanisms to integrate their outside world into the program of their life cycle control. When environmental conditions change, plants rapidly perceive those changes and respond by physiological and developmental changes that would help themselves adapt to the 「new」 environment. We are interested in revealing the molecular networks that connect the environmental input to the intracellular responses in plants. The understanding of biochemical pathways that allow plants to adapt to constantly changing environment is also among our primary research goals.
Environmental Sensing through the CBL-CIPK Ca2+ Signaling Network
Energy Conversion and Metabolic Regulation in Chloroplasts
Genetic and Genomic Approaches to Dissecting the Mechanism of Low-K Tolerance in Crop Plants
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