作為固定的生物,植物必須適應土壤鹽鹼害、乾旱以及極端溫度等非生物脅迫。植物主要脅迫信號途徑與酵母SNF1激酶和哺乳動物AMPK激酶有關,顯示這些途徑可能由能量感知途徑進化而來。脅迫信號通過調控離子和水的運輸,代謝和轉錄重組過程中的關鍵蛋白以維持脅迫條件下離子和水的動態平衡,保持細胞的穩定。對非生物脅迫的信號傳遞和應答過程的深入了解將有助於提高作物的逆境適應能力,實現農業的可持續發展,並保障日益增長的世界人口的糧食安全。2016年10月，中科院上海植物逆境生物學研究泰鬥朱健康院士在Cell雜誌上發表了題為「Abiotic stress signaling and responeses in plants」的綜述。近日，由中國水稻研究所倪建平翻譯該文，發表在《中國稻米雜誌》上，我們全文附上，以饗讀者。
植物需要應對持續變化的環境,包括經常性的不利於植物生長和發育的脅迫環境。這些不良環境包括生物脅迫(如病原體感染和食草動物的啃食)和非生物脅迫(例如乾旱、高溫、冷害、營養匱乏、鹽害以及土壤中鋁、砷、鎘等有毒金屬毒害)。乾旱、鹽害以及溫度脅迫是影響植物的地理分布、限制農作物產量,並威脅糧食安全的主要環境因子。極端天氣越來越頻繁的出現,將加劇非生物脅迫對農業生產的不利影響(Fedoroff et al,2010)。植物如何感受和響應環境脅迫是一個根本性的生物學問題。另外,提高植物抗逆性對農業生產和環境的可持續性也至關重要,因為低抗逆作物需要消耗更多的水和肥料,極大增加環境負擔。
區分缺水和高鹽導致的初級脅迫信號和次級脅迫信號,對於理解乾旱脅迫和鹽脅迫來說非常重要。乾旱造成的初級脅迫信號是高滲透壓脅迫,通常被簡稱為滲透脅迫。這是由於典型的低滲透壓條件對植物細胞來說並不是問題。鹽脅迫同時對細胞造成滲透脅迫和離子毒害。乾旱脅迫和鹽脅迫的次級影響較複雜,包括導致氧化脅迫、破壞膜脂、蛋白質和核酸等細胞組分,並引起代謝紊亂。因此,一些細胞應答來自初級脅迫信號,而另外一些主要來自次級信號。乾旱脅迫和鹽脅迫有各自獨立和一些共同的信號轉導機制。乾旱和鹽脅迫的一個重要特徵是滲透脅迫信號能夠引起植物激素脫落酸(ABA)的累積,進而引起植物的適應性反應(Zhu,2002)。
本文綜述了已知的脅迫信號感受器,以及細胞器在脅迫感受和應答中的作用;同時也概述了離子脅迫、滲透脅迫、ABA和溫度脅迫相關信號途徑的最新進展。本文將重點介紹SNF1/AMPK相關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答上遊信號感受機制,並調控基因表達、新陳代謝、生理、生長及發育等下遊過程。
1 脅迫信號感知及潛在的感受器
不同的環境脅迫會引起植物在基因表達、代謝和生理性狀等方面的特異的反應。因此可以推測,植物細胞能夠感知不同的環境信號。儘管科學家做出了諸多努力,目前也只發現了少數幾個脅迫感受器。感受蛋白的功能冗餘,即一個感受蛋白的缺失並不導致脅迫應答的顯著變化,可能是科學家面臨的主要困難。另外一種情形是,某個感受器可能是植物生長必需的,而功能缺失突變體將不會存活,致使無法對其深入研究。此外,很難從技術上證明一種蛋白質或其他大分子是物理信號(如滲透壓的變化、離子濃度或溫度)的感受器。這導致即使對於一些被廣泛承認的細菌、酵母或者哺乳動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的實驗證據。
擬南芥OSCA1(reduced hyperosmolality-induced calcium increase 1)被認為是一個滲透脅迫的感受器(Yuan et al.,2014)。研究者利用水母發光蛋白(Aequorin)或其他鈣因子檢測發現,高鹽、冷害、熱害導致的滲透脅迫以及氧化脅迫、重金屬和ABA處理會導致植物細胞質自由鈣離子濃度增加。相對於野生型,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基因編碼一種質膜定位的滲透壓控制的鈣離子通道。由於突變體植株並無乾旱脅迫或者鹽脅迫相關的表型,OSCA1對於滲透脅迫的重要性尚存疑問。我們不清楚OSCA1如何感知滲透脅迫,推測可能是通過減少細胞膨脹,影響膜牽張以及質膜和細胞壁的相互作用。在非植物體系中,許多機械敏感通道,包括TRP、Msc S-like、Piezo、DEG/ENa C以及K2P已被發現(A'rnadóttir and Chalfie,2010;Hedrich,2012)。動物TRP通道是眾所周知的鈣通道,可以感知溫度或滲透壓波動引起的膜變化('Аrnadóttir and Chalfie,2010)。植物基因組中缺乏TRP和DEG/ENa C基因,但含有一個Msc S-like蛋白家族和一個Piezo同源體(Hedrich,2012)。一個擬南芥Msc S-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是低滲脅迫誘發的膜張力變化的感受器(Hamilton et al.,2015)。植物也有一個大的環核苷酸門控離子通道(CNGCs)家族以及類穀氨酸受體(GLR)家族,可能對於調控脅迫應答的胞質Ca2+信號具有重要作用(Swarbreck et al.,2013)。
最近報導的調控水稻冷脅迫感知的COLD1是另一個潛在的脅迫感受器。COLD1對於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,COLD1能調節鈣通道或者其本身就是一個冷激活鈣通道(Ma et al.,2015)。目前尚不清楚COLD1如何調控鈣信號並增強抗冷能力。
冷和熱都能影響細胞膜磷脂雙分子層的流動性(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運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誤摺疊也可能被與其結合的分子伴侶所感知(Scharf et al.,2012)。與錯誤摺疊蛋白的結合使熱脅迫轉錄因子從與分子伴侶結合態中釋放,並激活熱敏基因的表達。最近,H2A.Z-核小體被認為是植物和酵母高溫感受體(Kumar and Wigge,2010)。作者認為,H2A.Z-核小體包裝DNA比H2A-核小體包裝的DNA更加緻密,溫度導致H2A.Z-核小體解離,使DNA更容易被Pol II轉錄,從而促進熱激蛋白(HSPs)及其他基因的表達。這是一個非常有吸引力的假設,但仍需要進一步驗證。
2 細胞器脅迫應答
圖1 不同細胞器中脅迫的感受和信號轉導
(A)細胞器分散感受脅迫的模型。脅迫引起不同細胞器功能紊亂,產生並整合信號調控核基因表達和其他細胞活動,以恢復細胞穩態。(B)內質網脅迫的感受和信號轉導。(C)葉綠體脅迫的感知和信號轉導。虛線表示可能的調控
脅迫感知經常被用來與配體的感知相比較,它被認為通常發生在細胞表面或細胞膜上。然後,信號會傳遞到不同的亞細胞位置如細胞核。從理論上講,物理脅迫特別是溫度信號,可以在細胞的任何地方被感知,只要脅迫信號能導致細胞組分的狀態發生改變(蛋白質、DNA、RNA、碳水化合物或脂肪)或區域化(如,代謝反應的區域化),只要這些改變能夠影響其他細胞組分或活性。脅迫導致的內質網(ER)應激蛋白質摺疊的變化,稱為內質網脅迫,目前已被廣泛認為是一個重要的細胞脅迫應答方式。同樣,脅迫也與葉綠體、線粒體、過氧化物酶體、細胞核、細胞壁等細胞器有關,從所有細胞器產生的脅迫信號,被整合後調控逆境相關基因的表達及其他細胞活性,從而恢復細胞穩態(圖1)。
3 內質網(ER)脅迫
生物和非生物脅迫都會引起蛋白質錯誤摺疊或者未摺疊蛋白質的積累,這能被內質網膜上由特定的受體蛋白所感受並產生內質網脅迫。通過PKR類似的ER el F2a激酶,內質網脅迫會導致一些編碼分子伴侶以及與增強蛋白摺疊能力、調控ER相關降解(ERAD)或抑制蛋白質翻譯相關基因的表達,從而降低加載到ER上的新合成蛋白質的總量(Walter and Ron,2011)。這些變化幫助恢復ER內的穩態,即蛋白質摺疊的需求和摺疊能力之間的平衡,被稱為未摺疊蛋白反應(UPR)。UPR是真核生物的一個保守的脅迫反應(Walter and Ron,2011)。植物中兩類主要的ER脅迫受體已被確定:ER膜相關轉錄因子和一個RNA剪接因子(Liu and Howell,2016)(圖1 B)。在ER中,亮氨酸拉鏈結構b ZIP28可能通過與分子伴侶蛋白BIP(binding immunoglobulin protein)互作來感知熱信號和其他ER脅迫信號。未摺疊或錯誤摺疊的蛋白質在脅迫過程中積累並與BIP作用,從而使b ZIP28從與BIP的結合狀態釋放出來並向高爾基體轉運。
在高爾基體中,b ZIP28被降解。b ZIP28的胞質部分則重新定位到細胞核,激活脅迫相關基因的表達並重建ER動態平衡。b ZIP28也可以感知能量水平和氧化還原狀態的改變,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b ZIP17。此外,一些ER或者質膜相關NAC轉錄因子可以被ER脅迫激活並參與UPR(Liu and Howell,2016)。植物第二種類型的ER脅迫感知器是IRE1,一種從酵母到後生動物保守的剪接因子。據推測,植物IRE1蛋白質以類似酵母中同源蛋白類似的方式結合未摺疊蛋白並感知ER脅迫。擬南芥中激活的IRE1蛋白識別並剪接b ZIP60和其他靶m RNAs。被剪接後的b ZIP60會產生一個b ZIP60變體,從而進入細胞核激活UPR基因的表達(Liu and Howell,2016)。
4 葉綠體脅迫應答
葉綠體是光合電子傳遞和許多代謝反應發生的細胞器,葉綠體的代謝平衡很容易被環境脅迫影響。葉綠體穩態的紊亂可以通過逆向(retrograde)信號傳遞到細胞核,以協調細胞活性,使其與葉綠體脅迫程度一致,調控糖和其他化合物的供應(圖1C)。葉綠體是產生超氧陰離子、過氧化氫、羥基自由基和單線態氧等ROS的主要場所(Mignolet-Spruyt et al.,2016)。各種環境脅迫,特別是高光強會促使ROS產生,嚴重影響ROS控制系統,產生一系列的次級信號分子。
單線態氧觸發一個需要核基因編碼的定位於類囊體膜上的EXECUTER(EX1)和EX2兩個蛋白參與的信號途徑(Wagner et al.,2004)。由於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化過程中會產生單線態氧的猝發。單線態氧的積累引發核基因表達劇烈變化,導致野生型植株出現缺綠表型和細胞死亡,而ex突變體不死亡(Wagner et al.,2004)。EX1和EX2是否直接感知單線態氧,以及它們如何將單線態氧信號傳遞到細胞核,都需要進一步研究。單線態氧引發信號也可以不依賴於EX1和EX2,推測與β-胡蘿蔔素非酶促氧化分解有關(Ramel et al.,2012)。
高光強和其他脅迫能夠導致質體代謝物甲基赤蘚醇環焦磷酸(MEc PP)含量的增加,MEc PP是一種類異戊二烯前體。MEc PP作為一個逆向信號,激活編碼質體蛋白質的逆境應答核基因的表達(Xiao et al,2012)。另一個對應激反應非常重要的質體代謝物是磷酸核苷3'-磷酸腺苷5'-磷酸鹽(PAP)。在乾旱和高光強條件下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(轉變為AMP)。SAL1/FRY1的功能缺失導致體內PAP的積累。PAP抑制5'-3'-核糖核酸外切酶的活性,有助於增加一類乾旱和高光強應答基因的表達,從而改變抗旱性(Estavillo et al.,2011)。除了PAP和MEc PP,其他葉綠體代謝物,如四吡咯(Noren et al.,2016)和β-胡蘿蔔素氧化分解產物(Ramel etal.,2012)也被認為可以作為逆向信號。脅迫信號是如何影響MEc PP、PAP、四吡咯含量以及其他逆向信號產物的水平尚不清楚。
5 線粒體和過氧化物酶體的脅迫應答
與葉綠體類似,線粒體和過氧化物酶體可以產生一些對脅迫應答很重要的逆向信號。線粒體和過氧化物酶體可產生ROS和許多代謝物,其中一些可能作為逆向信號分子(Ng et al.,2014)。線粒體DEXH框RNA解旋酶或線粒體PPR(pentatricopeptide repeat protein)蛋白的突變導致ROS積累,會改變植物對逆境激素ABA的反應(He et al.,2012)。線粒體複合體I的突變也導致ROS積累,並降低突變植株冷應答基因的表達,使突變體對冷害和凍害敏感(Lee et al.,2002)。CHY1基因編碼一個過氧化物酶體β-羥異丁醯(HI-BYL)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基因的突變也能夠導致ROS積累,降低冷害相關基因的表達,從而降低植物耐寒性(Dong et al.,2009)。線粒體和過氧化物酶體產生的ROS信號可能通過影響鈣信號調節冷脅迫應答。
6 細胞壁脅迫應答
在植物體中,初級細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結並嵌入在果膠膠體組合而成(Tenhaken,2014)。細胞壁還含有酚醛樹脂、過氧化物酶、果膠酯酶以及其他酶類;伸展蛋白,擴張蛋白以及其他蛋白質和Ca2+離子。鹽害、乾旱脅迫以及其他滲透脅迫導致ROS積累以及細胞壁的變化(Tenhaken,2014)。ROS的積累會引起酚醛樹脂和細胞壁伸展蛋白等糖蛋白的交聯,最終導致細胞壁硬化。另一方面,脅迫可增加擴張蛋白和木葡聚糖修飾酶基因的表達,從而重塑細胞壁(Tenhaken,2014)。鹽脅迫還能夠導致細胞壁Ca2+的損失。最近,細胞壁脅迫被認為可引起與真菌細胞-細胞壁整合(CWI)途徑類似的專一的信號途徑(Voxeur and Ho¨fte,2016;Jendretzki et al.,2011)。在酵母中,細胞壁應激反應主要是由細胞壁結合的質膜蛋白Wsc1-3、Mid2和Mtl1感知(Jendretzki et al.,2011),但這些感受器怎樣檢測到細胞壁變形尚不清楚。因為這些蛋白質都含有一個大的富含絲氨酸和蘇氨酸殘基的O-糖基化胞外結構域,推測這些蛋白質可能有牽張受體的功能。這些感受器的下遊依次是GDP/GTP交換因子、小GTP蛋白Rho1、蛋白激酶C和MAPK級聯途徑(Jendretzki et al.,2011)。但具體的植物細胞壁脅迫感受器尚未被鑑定。植物有上百個RLKs和其他包含胞外區域、跨膜區和一個胞質激酶域的蛋白激酶,其中一些可能感受細胞壁的變化。
細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At CSLD5的功能紊亂,引起細胞壁發生微妙的缺陷,導致氧化脅迫,並顯著增加突變體對滲透脅迫、鹽和乾旱脅迫的敏感性(Zhu et al.,2010)。最近,Endler等(2015)鑑定出纖維素合成酶複合體中的兩種蛋白質,能幫助複合體與微管連接,對鹽脅迫下植物的生長很重要(Endler et al.,2015)。脅迫條件下植物細胞壁的生理和化學變化,以及這些變化如何被植物感知,信號如何被傳導,以及CWI的輸出等仍有待研究。
7 離子脅迫信號
土壤鹽害影響了相當比例的耕地,是限制全球農業生產的一個主要因素。高鹽濃度會導致離子毒性(主要是Na+)、高滲脅迫以及如氧化損傷等次級脅迫(Zhu,2002)。目前還不清楚植物細胞如何感受Na+。在酵母Saccharomyces cerevisiae中,鈣調磷酸酶途徑在Na+脅迫信號的感受和耐受中起著重要作用(Thewes,2014)。Na+脅迫引起的胞質鈣與EF鈣結合-鈣調蛋白和B亞基鈣調磷酸酶(Cn B)結合。Ca2+-Cn B和Ca2+-鈣調蛋白激活鈣調磷酸酶的磷酸酶催化亞基Cn A。活化的鈣調磷酸酶去磷酸化鋅指轉錄因子CRZ1並使其轉移到細胞核中激活ENA1和其他目的基因的表達。ENA1編碼Na+-ATPase,將有毒的Na+泵出細胞,使細胞恢復離子動態平衡。植物基因組不編碼任何鈣調磷酸酶蛋白,即使類鈣調磷酸酶(CBL)已經被廣泛地用來指代植物EF鈣結合蛋白家族(Yu et al.,2014)。植物運用一個被稱作SOS途徑的鈣依賴蛋白激酶途徑介導鹽脅迫信號和Na+的耐受性(Zhu,2002)(圖2)。在這個途徑中,EF鈣結合蛋白SOS3感應鹽脅迫介導的胞質鈣信號,SOS3與絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶SOS2相互作用並激活SOS2。SOS3主要在根中表達,SOS3的旁系同源蛋白SCa BP8/CBL10則主要在地上部表達,與SOS3的功能類似(Quan et al.,2007)。激活的SOS2磷酸化並激活質膜Na+/H+轉運體SOS1(Zhu,2002)。
SOS1在根表皮細胞和木薄壁組織細胞中表達,激活的SOS1使Na+排出到土壤溶液中,以及裝載Na+進入木質部中進行長距離運輸,通過蒸騰流一直運輸到葉片中(Shi et al.,2002;Zhu et al.,2016)。SOS1在Na+長距離運輸中扮演的角色並不完全清楚,因為SOS1也在葉片木質部薄壁組織細胞中表達且功能尚不明確。也許在葉片木質部薄壁組織中有一個類似凱氏帶的結構,阻止木質部液流直接進入植物葉肉細胞的質外空間。總之,SOS1可能使Na+從木質部薄壁組織中排出到葉肉細胞的質外空間。基於這一模型的一個預測是SOS1可能優先集中於葉肉細胞臨近質外空間的一側。HKT1是另一個重要的轉運體,在長距離Na+運輸中起著主要作用(Ma¨ser et al.,2002)。在擬南芥中HKT1是Na+主要輸入者,在植株木質部薄壁組織細胞和脈管系統中的其他細胞中表達(Ma¨ser et al.,2002)。在根部,HKT1可能卸載木質部中的Na+,限制蒸騰流中的Na+總量。在葉片中HKT1裝載Na+到韌皮部中再循環回根部。任何一個SOS基因功能紊亂,包括SOS1,會顯著增加突變植物對鹽脅迫的敏感性(Zhu.,2000)。實際上正是由於這些突變體對鹽害敏感的表型,SOS基因才被發現(Zhu.,2000)。HKT1基因突變材料會增加蒸騰植物的鹽脅迫敏感性,但會抑制維持最小蒸騰量的生長在培養基上的SOS突變體的鹽敏感性(Rus et al.,2004)。SOS1和HKT1拮抗作用如何被協調是鹽脅迫研究中的一個重要的問題。目前尚不清楚SOS1和HKT1是否在維管系統的同一細胞中表達。總之,SOS1似乎促進Na+從根到葉的運輸,然而HKT1似乎限制這一過程。這兩種轉運體在Na+長距離運輸中的重要性可能取決於鹽脅迫的程度。在溫和的鹽脅迫下,植物激活木薄壁組織細胞SOS1對於本身有利,因為可以轉移更多Na+到葉片中,存儲在葉肉細胞中的大液泡內參與細胞滲透調節,促進植物生長。在嚴重鹽脅迫下,過量Na+傳輸到葉片中將超出葉片本身的承載容量,因此必須卸載根部木質部中的Na+,並將葉片中Na+重新富集到根部。
圖2 Ca2+-CBL-CIPK模塊介導不同的離子脅迫
高Na+,低K+,過量Mg2+和高p H(低H+)條件產生胞質Ca2+信號,Ca2+信號會激活SOS3(CBL4)/SCa BP8(CBL10)-SOS2(CIPK24),CBL1/9-CIPK23,CBL2/3-CIPK3/9/23/26以及SCa BP1(CBL2)-PKS5/24(CIPK11/14),分別磷酸化並調節SOS1(Na+/H+逆向轉運)、AKT1(K+通道)、潛在的Mg2+轉運體以及H+-ATPase的活性。同時圖中還顯示了SCa BP8通過磷酸化調節SOS1和SOS2的活性,ABI2和14-3-3對SOS2的抑制作用。箭頭表示激活,短橫線代表抑制作用。
幾個SOS3類似的鈣結合蛋白能被與其結合的類SOS2的蛋白激酶磷酸化。磷酸化對於鈣結合蛋白激酶的激活很重要(Du et al.,2011)。在靜止狀態或無脅迫條件下,SOS2結合14-3-3蛋白,以確保SOS2處於非激活狀態(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處於非激活狀態(Ohta et al.,2003)。
SOS途徑是植物中建立的第一個非生物脅迫信號途徑(Zhu,2000)。核心信號組分SOS2代表了一個大的蛋白激酶家族,這些蛋白激酶的催化區域與酵母蔗糖非發酵蛋白激酶SNF1以及和哺乳動物AMP激活的蛋白激酶(AMPK)相似。在擬南芥中,這些蛋白質通常稱為SNF1相關激酶(Sn RKs)。Sn RKs包括3個亞家族,其中亞家族1(Sn RK1s)中有3個成員,亞家族2(Sn RK2s)中有10個成員,亞家族3(Sn RK3s)中有25個成員(Hrabak et al.,2003)。Sn RK3s(也被稱作PKSs或CIPKs)亞家族中的任一成員都能和10個類SOS3鈣結合蛋白(SCa BPs,也被稱作CBLs)中的一個或多個成員相互作用(Guo et al,2001)。這種相互作用是由激酶的N末端的FISL基序介導的(Guo et al,2001)。FISL基序或整個調節區域的缺失會導致激酶的持續性激活(Guo et al,2001)。大量SCa BP/CBL-PKS/CIPK的可能組合表明,Ca2+-SOS3-SOS2信號途徑在植物中被廣泛使用。事實上,CBL-CIPK模塊在鈣作為第二信使,尤其是調控離子轉運蛋白活性的各種非生物信號的信號轉導途徑中有重要作用(圖2)。例如低鉀脅迫可能觸發胞質鈣信號,通過CBL1和CBL9激活CIPK23,磷酸化並激活鉀通道AKT1(Xu et al,2006)。SCa BP1激活PKS5/CIPK11以及PKS24/CIPK14,繼而磷酸化並抑制質膜上H+-ATPase活性。這種抑制作用對於細胞p H值的調節非常重要(Fuglsang et al,2007)。CBL2和CBL3與蛋白CIPK3/9/23/26相互作用,調節液泡中的Mg2+含量,對高濃度Mg2+脅迫的耐受有重要意義(Tang et al,2015)。其他已知的CBL-CIPK組合調節不同的轉運蛋白,對植物響應硝酸鹽、脫落酸和其他非生物脅迫逆境具有重要作用(Yu et al,2014)。
8 滲透脅迫信號轉導
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MAP三聯激酶(MAP3K)、10個MAP二聯激酶(MAP2K)和20個MAP激酶(MAPK)(de Zelicourt et al,2016)。很久以來,在植物應對生物和非生物脅迫,如鹽、乾旱、寒冷、炎熱和受傷以及應對生長和發育信號過程中觀察到多個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信號途徑研究的困難源於上遊感受蛋白的鑑別,以及決定MAPK激活的MAP3Ks和MAP2Ks的發現,還有如何將激酶的激活與下遊效應蛋白和生理輸出聯繫起來。目前還不清楚植物是否存在與酵母高滲透性甘油MAPK途徑類似的介導滲透調節的MAPK級聯途徑(Hohmann,2002)。也許MAPK的激活主要依賴於鹽和乾旱脅迫引起的次級信號,而不是初級的滲透調節信號。
鹽、乾旱和滲透脅迫也可迅速激活Sn RK2家族蛋白激酶。在擬南芥中,除Sn RK2.9之外的所有10個Sn RK2s都能被滲透調節激活,而Sn RK2.2/3/6/7/8則被ABA激活(Boudsocq et al,2004)。儘管ABA激活Sn RK2s的分子機制已被闡明(參見下文),但滲透脅迫如何激活Sn RK2激酶尚不清楚。遺傳學證據表明,滲透脅迫的耐受依賴於Sn RK2s,缺失所有10個Sn RK2s的擬南芥十突變體對於滲透脅迫引起的生長抑制超敏感(Fujii et al,2011)。snrk2十突變體植物中大量滲透脅迫應答基因的表達,脫落酸、滲透調節物質脯氨酸以及第二信使IP3積累受到影響,但是滲透脅迫誘導的ROS的積累並不受影響。這些結果表明,Sn RK2激活位於ABA積累的上遊,並控制滲透調節和其他滲透脅迫的適應性反應(圖3)。未來的努力應集中於尋找滲透脅迫條件下對於Sn RK2激活有重要作用的上遊組分,以及鑑定滲透脅迫激活的Sn RK2s的底物蛋白。因為滲透脅迫會誘導胞質的鈣信號且鈣通道OSCA1也是潛在的滲透傳感器(Yuan et al,2014),Sn RK2s上遊的候選組分可能有包括鈣調節的蛋白激酶如CPKs和SCa BP/CBL-PKS/CIPKs(圖3)。在Physcomitrella patens中,最近的研究顯示,類Raf激酶對於滲透壓和ABA處理下Sn RK2的激活至關重要(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,將是一個非常有趣的課題。
圖3 滲透脅迫和ABA感受和信號轉導
Ca2+通道OSCA1可能參與滲透信號的感受。由此產生的Ca2+信號可能激活CPKs和CBLs-CIPKs,最終使Sn RK2s被激活,進而導致ABA積累。ABA結合PYLs,與A類型的PP2Cs結合併抑制PP2Cs,導致Sn RK2.2/3/6/7/8被激活。激活的Sn RK2s使效應蛋白包括TFs(轉錄因子),SLAC1和Rboh D/F磷酸化。Rboh D/F生成H2O2,然後通過GHR1引發Ca2+信號。Ca2+信號激活CPKs和CBLs-CIPKs。同樣磷酸化效應蛋白如SLAC1。除了Ca2+,ABA也能夠誘導第二信使NO(一氧化氮)和PA(磷脂酸)以及其它磷脂信號分子。NO抑制Sn RK2s和PYLs,PA調節Rbohs蛋白活性。圖中也描述了ABA激活的MAPK途徑。箭頭表示激活,短橫線表明抑制,虛線表示可能的調節。
滲透脅迫和溫度脅迫引起各種脂質信號的形成,包括磷脂酸、磷酸肌醇、鞘脂類、溶血磷脂、氧化脂類,N-醯基乙醇胺等(Hou et al,2016)。對於脅迫是如何調節產生脂質信號的合成酶的活性尚不清楚。一般來說,脂質分子與信號蛋白結合併影響後者的活性和膜定位。
9 脫落酸信號轉導
脫落酸信號轉導途徑是植物中乾旱脅迫和鹽脅迫的核心(Zhu,2002)。過去十年脅迫信號的研究中,最重要的一個進展就是ABA受體的鑑別以及ABA核心信號轉導途徑的發現。化學遺傳學和蛋白互作研究鑑定出可溶、包含START結構域的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通過微摩爾級別的KD結合A-BA,當A類型的PP2Cs如ABI1、ABI2、HAB1和PP2CA存在時,PYL與ABA的親和力可以增加近100倍。因此A類型的PP2Cs可被認為是ABA的共受體(Ma et al,2009)。當沒有ABA時,PP2Cs與Sn RK2激酶包括Sn RK2.2、Sn RK2.3和Sn RK2.6(又名OST1)結合,通過與去磷酸活化環並覆蓋催化中心使激酶處於失活狀態(Soon et al,2012)。ABA進入PYL的中央疏水區域,誘導疏水區域處於關閉狀態,並創建一個PP2Cs結合表面(Melcher et al,2009)。在PYL-ABA-PP2C複合物的裡面,PP2C中一個色氨酸殘基插入到ABA結合區域,將ABA鎖定在該區域,複合物中PP2C的蛋白磷酸酶活性被ABA-PYL複合體所抑制(Park et al,2009)。ABA-PYL對PP2Cs的結合和抑制導致Sn RK2s從PP2Cs的結合中釋放出來。釋放的Sn RK2s通過自身磷酸化激活,並磷酸化許多下遊的效應蛋白(Fujii et al,2009)(圖3)。小G蛋白ROP11與ABI1相互作用並保護ABI1使其避免被PYL9抑制(Li et al,2012)。反之,ABI1和其他PP2Cs保護三磷酸鳥苷交換因子Rop GEF1,避免遭受ABA誘導的降解,從而形成一個Rop GEF-ROP-PP2C控制迴路,在沒有脅迫的條件下消除單體PYL可能導致的ABA信號的部分洩漏(Li et al,2016)。
擬南芥PYLs家族成員間存在功能冗餘,儘管每個PYL可能擁有獨特的生化性質和表達模式。PYL8缺失導致脅迫後恢復過程中突變體的側根的生長對ABA不敏感(Zhao et al.,2014)。PYL8調節側根生長的過程不依賴於ABA核心信號途徑,而是由PYL8直接作用於MYB77,ABA介導的PYL8與MYB77的互作增強MYB77介導的生長素應答基因的轉錄(Zhao et al.,2014)。同樣,PYL6與JA應答的關鍵轉錄因子MYC2相互作用,連接ABA和JA信號途徑(Aleman et al.,2016)。大多數其他PYLs單基因突變體並沒有顯著的ABA表型。與其相反,pyr1prl1ply2pyl4四突變體植株在發芽和幼苗生長階段對ABA不敏感(Park et al.,2009),pyr1pyl1pyl2prl4ply5pyl8突變體表現出種子萌發、幼苗生長以及氣孔關閉過程中對ABA更強的耐受性(Gonzalez-Guzman et al.,2012)。
ABA強烈激活Sn RK2.2、Sn RK2.3和Sn RK2.6/OST1,也能微弱地激活Sn RK2.7和Sn RK2.8(Boudsocq et al.,2004)。擬南芥snrk2.2/3/6三突變體表現出在種子萌發、幼苗生長、氣孔關閉、基因調控等方面對ABA極不敏感(Fujii and Zhu,2009)。許多響應ABA的效應蛋白是Sn RK2激酶的直接底物。b ZIP家族轉錄因子如ABI5和ABFs(ABA響應元件結合因子)能被Sn RK2s磷酸化(Furihata et al.,2006)。大部分發生在細胞質膜的ABA信號過程可能由與PYL相互作用的C2結構域蛋白介導(Rodriguez et al.,2014)。質膜蛋白質如陰離子通道SLAC1是Sn RK2的底物。SLAC調控乾旱脅迫下ABA介導的氣孔關閉以減少水分的蒸騰損失(Geiger et al.,2009)。最近磷酸化蛋白組學研究鑑定了數十個新的Sn RK2的底物蛋白,包括一些調控葉綠體功能、開花時間、mi RNA和染色質調節、RNA拼接過程相關的重要蛋白質(Wang et al,2013)。PYL-PP2C-Sn RK2核心ABA信號途徑激活也可以與一個由MAP3Ks MAP3K17/18、MAP2K MKK3以及MAPKs MPK1/2/7/14組成的MAPK級聯相關,後者也可能磷酸化許多ABA的效應蛋白(de Zelicourt et al.,2016)。
ABA激活的Sn RK2s也可以使質膜NADPH氧化酶Rboh F磷酸化,在質外體空間產生O2-。O2-隨後形成H2O2,作為信號分子調節包括氣孔關閉在內的各種A-BA應答過程(Sirichandra et al.,2009)。在擬南芥pip2;1突變體中,ABA誘導保衛細胞ROS產生減弱,表明共質體H2O2可以通過水通道蛋白PIP2;1進入細胞(Grondin et al.,2015)。MAP激酶MPK9和MPK12在保衛細胞陰離子通道調控中功能冗餘,可能在ROS下遊參與ABA介導的氣孔關閉(Jammes et al.,2009)。另一個連接ABA信號和ROS的重要組件是質膜類受體蛋白激酶GHR1(Hua et al.,2012)(圖3)。GHR1與SLAC1互作並激活SLAC1,GHR1對ABA和ROS調節的氣孔關閉至關重要。有趣的是,GHR1功能被ABI2拮抗,但不受ABI1的影響(Hua et al.,2012)。H2O2也可以調節鈣信號從而影響ABA的應答,H2O2活化質膜鈣離子通道也需要GHR1的介導(Hua et al.,2012)。鈣信號對ABA調節氣孔關閉至關重要,ABA不能誘導缺失CPK5、CPK6、CPK11、CPK23四個功能冗餘的鈣依賴的蛋白激酶四突變體的氣孔關閉(Brandt et al.,2015)。與Sn RK2s一樣,CPKs可以使保衛細胞ABA響應的效應蛋白(包括SLAC1)磷酸化(Geiger et al.,2010;Brandt et al.,2015)。此外,ABA引起的鈣信號可以激活CBL1/9-CIPK26模塊,導致Rboh F等效應蛋白的磷酸化(Drerup et al.,2013)。除了誘導H2O2和鈣信號,ABA也引發一氧化氮(NO)和磷脂分子如磷脂酸的合成(Hou et al.,2016)(圖3)。NO導致鄰近Sn RK2s的催化中心的半胱氨酸殘基的巰基亞硝基化,導致Sn RK2失活(Wang et al.,2015)。NO也導致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活性並伴隨多聚泛素化和蛋白酶體介導的PYLs降解。磷脂酸通過結合和激活Rboh D和Rboh F,參與ABA信號轉導(Zhang et al.,2009)。綜上所述,SLAC1、Rbohs以及其他ABA響應效應蛋白的調節依賴於一個由PYL-PP2C-Sn RK2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複雜的調控網絡(圖3)。
1 0 冷害和熱害脅迫信號
冷害脅迫極大地影響植物新陳代謝和基因表達。低溫對植物代謝的影響來自直接抑制代謝酶,或者基因表達的重組(Chinnusamy et al.,2007)。溫帶植物暴露於低溫,非凍害的溫度能提高其對凍害脅迫的耐受能力,這一過程稱為冷馴化。冷脅迫能迅速引發許多轉錄因子的表達,包括AP2家族轉錄因子CBFs,從而激活大量的下遊冷應答(COR)基因的表達(Chinnusamy et al.,2007)。CBF基因的表達由包括b HLH轉錄因子ICE1在內的上遊轉錄因子控制的。ICE1通過SUMO類泛素化和多聚泛素化及隨後的蛋白酶體降解。上述過程分別由SUMO E3連接SIZ1和E3泛素連接HOS1介導(Chinnusamy et al.,2007)。冷脅迫誘導的CBF和COR基因的表達也受生物節律控制,後者的活性受質體逆向信號四吡咯的晝夜的振蕩調控(Noren et al.,2016)。
圖4 冷脅迫感受和信號轉導
質膜蛋白COLD1感受寒冷脅迫,產生胞質Ca2+信號。CPKs和CBLsCIPKs傳導Ca2+信號激活MAP激酶聯級,激活的MPKs使TFs如CAMTAs和ICE1/2磷酸化,誘導冷響應基因的表達。通過一個未知的機制,冷脅迫也激活了OST1(SNRK2.6),後者抑制HOS1,同時磷酸化並激活ICE1。箭頭表示激活,虛線表示可能存在的調節。
Ding等(2015)最近報導,冷脅迫激活Sn RK2.6/OST1,Sn RK2.6與ICE1互作並磷酸化ICE1,激活CBF-COR基因表達,並增加凍脅迫的耐受能力。此外,冷害激活Sn RK2.6抑制ICE1和HOS1之間的相互作用,阻止ICE1的降解。冷害脅迫誘導的Sn RK2激活並不依賴於ABA,儘管其仍受ABI1和其他PP2Cs負調控。因此,PYL ABA受體可能並不參與冷誘導的Sn RK2的激活。與報導冷脅迫激活Sn RK2.6有所不同,Boudsocq等(2004)的結果顯示,所有10個擬南芥Sn RK2s都不被冷脅迫激活。
圖5 系統性脅迫信號轉導模型
局部脅迫會產生H2O2和Ca2+信號。Ca2+信號激活CPKs和CBLsCIPKs,後者磷酸化並激活Rboh D。處於激活狀態的Pboh D產生H2O2,H2O2通過細胞壁擴散到另一個相鄰細胞,在這個相鄰細胞中可能通過RLKs類似GHR1誘發Ca2+信號。H2O2可能激活細胞表面的Ca2+信號,並通過PIP水通道進入細胞內,然後激活細胞內Ca2+信號。Ca2+和H2O2信號的相互激活產生自動傳輸的鈣和ROS波,傳輸到遠端組織中,引起系統脅迫反應和適應性反應。虛線表示可能存在的調節。
Teige等(2004)研究表明,冷脅迫和鹽脅迫激活擬南芥MAP2K MKK2,並控制COR基因表達,調控植物耐冷性和耐鹽能力。MKK2上遊的MAP3K MEKK1以及下遊的MPK4和MPK6,都能被各種脅迫包括低溫所激活。藥理學研究表明,膜流動性、細胞骨架以及鈣內流都與冷脅迫調節的COR基因和MAPKs有關(Sangwan et al.,2002)。類受體激酶CRLK1可能連接了冷脅迫介導的鈣信號和MAPK級聯途徑,這是由於CRLK1結合鈣和鈣調蛋白,並與MEKK1相互作用,是冷脅迫激活MAPK所必需的(Yang et al.,2010)。由此可見,冷脅迫影響膜流動性,這可能被質膜蛋白如鈣通道或相關蛋白感知,導致鈣離子內流並激活鈣響應的蛋白激酶(CPKs和CRLK1)和MAPK級聯,調節COR基因表達(圖4)。在未來,有必要使用遺傳、分子和生化分析方法,進一步闡明這些激酶的作用以及它們之間、它們與Sn RK2.6之間在冷脅迫下的關係。
熱脅迫誘導HSPs表達,其中許多HSP可作為分子伴侶防止蛋白質變性和維持體內蛋白平衡(Scharf et al.,2012)。與哺乳動物熱脅迫轉錄因子(HSFs)類似,熱脅迫下植物HSFs從與HSP70和HSP90結合和抑制狀態下釋放出來,並結合熱脅迫導致的錯誤摺疊的蛋白。因此,HSFs可用來激活熱脅迫應答(Scharf et al.,2012)。熱脅迫也激活MAPKs並調節HSP基因的表達(Sangwan et al.,2002)。MAPK的激活可能與熱脅迫誘發的膜流動性和鈣信號改變有關,後者對與HSP基因表達和耐熱性很重要(Sangwan et al.,2002)。冷和熱脅迫信號之間的共同特徵是不限於膜流動性的改變,鈣信號和MAPK激活,還包括ROS、NO、磷脂信號、蛋白質SUMO類泛素化和蛋白酶體降解(Chinnusamy et al.,2007;Scharf et al.,2012)。
1 1 系統性的信號轉導
病原體感染和機械損傷引發植物系統性響應。同樣,乾旱、鹽害、冷害、熱害、高光強等非生物脅迫也引起系統性反應,局部脅迫處理不僅會導致局部產生反應,還會在遠端組織引發反應,導致系統性獲得適應(SAA)。SAA涉及電信號和液壓信號,以及鈣信號和ROS波動信號的長距離傳導(Choi et al.,2014;Miller et al.,2009)。脅迫誘導的鈣信號和ROS信號可以1000微米每秒的速度移動,該現象已在鈣敏感螢光蛋白(Choi et al.,2014)和ROS應答啟動子驅動的螢光素酶報告基因表達系統(Miller et al.,2009)中分別被觀察到。鈣信號和ROS分別已被證明參與遠端組織轉錄調控(Choi et al.,2014;Miller et al.,2009)。ROS波動需要質膜NADPH氧化酶Rboh D的參與(Miller et al.,2009),而鈣波動取決於參與鈣誘導的鈣釋放的液泡離子通道TPC1的參與(Choi et al.,2014)。Rboh D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,這是系統性防禦反應所必需的(Dubiella et al.,2013)。由此得出這樣一個模型:NADPH氧化酶介導ROS生成,觸發胞質鈣信號通過鈣調蛋白激酶激活更多的NADPH氧化酶類,從而在ROS和鈣信號之間生成一個放大信號的正反饋環(圖5)。Rboh D所產生的H2O2可能通過細胞質膜內在蛋白/水通道(PIP)進入細胞(Grondin et al.,2015),而質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是否能激活質膜鈣通道尚未確定。此外,目前尚不清楚鈣和ROS波動是否與長距離電信號傳導有關。
1 2 結論和展望
植物細胞信號對鹽害、乾旱脅迫和脅迫激素ABA的響應,在很大程度上取決於Sn RK蛋白激酶家族。Sn RKs與酵母和哺乳動物中感應細胞能量狀態的關鍵感受器SNF1和AMPK相關(Hardie et al.,2016)。在植物中,非生物脅迫通過抑制光合作用和釋能分解反應,減少能源供給。因此,在進化過程中SNF1/AMPK相關的激酶數量不斷增加並表現出多樣性,從而調控各種非生物脅迫。Sn RK1s是SNF1/AMPK直系同源物,參與植物代謝的調節過程。所有Sn RK2s都參與滲透脅迫和ABA信號轉導,而Sn RK3s是離子動態平衡的關鍵調節器,是植物適應土壤中鹽脅迫和養分脅迫所必需的。許多脅迫信號途徑也涉及鈣依賴的蛋白激酶CPKs。CPKs激酶功能域與Sn RKs的激酶功能域高度同源(Hrabak et al.,2003)。此外,事實上幾乎所有脅迫途徑都涉及到MAPKs,MAPKs是從真菌到植物再到後生動物中保守的脅迫信號。其他保守特性包括廣泛使用的鈣、ROS、NO和脂質分子作為次級信號分子,但這些次級信號分子的產生和轉導在植物中與其他生物有所不同。
研究植物的非生物脅迫,鑑定脅迫感受器仍然是一個重要但極富挑戰性的目標。高效的基因編輯技術和化學遺傳方法將幫助我們克服由於基因冗餘造成的脅迫感受器的遺傳篩選上的困難。目前,各種細胞器在脅迫感受和應答過程中的作用逐漸顯現,逐步揭示了脅迫信號分散感受的模型(圖1)。儘管來自於受幹擾的細胞器的分散信號如何整合仍不清楚,但這一模型仍有助於我們理解植物脅迫感受和脅迫抗性。由於植物脅迫應答必須與生長和發育相協調,理解脅迫信號和激素,以及生長和發育途徑之間的相互關聯就顯得尤為重要。同樣,應當更多關注植物如何同步響應多個非生物脅迫,以及非生物和生物脅迫信號之間的相互關聯,因為目前為止大部分的非生物脅迫研究一直在無菌實驗室進行。然而在自然環境中,植物與昆蟲和微生物共存。根和地上部分很可能包括許多有益的細菌和真菌幫助植物抵禦脅迫。了解細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,同時還有助於我們深入了解植物的脅迫抗性。
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