1、植物中 I 型酪蛋白激酶响应低温胁迫的研究进展摘要低温是植物生长过程中遇到的主要环境胁迫因子之一,而植物响应低温胁迫的机制是一个较复杂的调控网络。综述了 I 型酪蛋白激酶在低温信号转导过程中发挥的作用并提出了展望,以期完善人们对植物体内低温信号调控网络的认识,为植物耐冷及冷适应提供理论指导。 关键词植物;低温;I 型酪蛋白激酶;信号转导 在自然条件下,植物生长发育不可避免地受到盐碱、干旱、低温等极端环境的影响。其中,温度是影响植物生长、发育,甚至导致植物死亡的最关键的环境因子1,2。但植物对低温胁迫的响应并非是完全被动的,在长期的进化过程中,植物本身能够感知和转导逆境信号,启动相关基因的表达,
2、进而激活相应的代谢调控途径,形成了一系列主动的应激和适应机制。 1I 型酪蛋白激酶响应低温信号 近 20 年来,随着生物技术、蛋白质组学及分子生物学的发展,人们对植物抵御低温胁迫机制的研究越来越深入,认为低温可导致植物发生多种生理生化变化,这些变化直接或间接与低温下许多冷响应基因表达或发生特异性改变有关。目前,分离并鉴定的冷诱导基因主要有拟南芥中的lti140、lti78、cor15a 等;大麦中的 hva1、blt101 和 blt14;小麦中的wcs120、wcs200 和 cor39;以及水稻中的 lip153和 I 型酪蛋白激酶(Casein kinases I,CKI)基因 OsCK
3、I14等。这些低温诱导基因除对低温产生应答外,部分还对激素、高盐、水分胁迫等作出响应,通过调控下游相关基因的表达对植物的抗逆性产生影响。 根据结构酪蛋白激酶主要分为 I 型和型两大类。其中,I 型酪蛋白激酶是一类具有独特理化特性的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,主要分布在细胞质、细胞膜、细胞核及细胞骨架等部位5,6。1978 年,Murray7等在大豆下胚轴中首次分离纯化得到与染色质相结合的 CKI。2003 年,Liu 等4在水稻幼苗中首次分离并证明 CKI 家族成员 OsCKI1 参与调控细胞延伸及分裂从而影响水稻根部发育,并参与植物对外源激素的应答。研究指出,CKI 主要通过磷酸化底物及自身磷酸
4、化对各种代谢、信号转导、细胞分裂等路径进行调控,也可作为其他蛋白激酶的底物被磷酸化,从而参与蛋白质的级联磷酸化过程,在生命过程中发挥着重要作用8,9。而在 4低温下,Liu 研究结果表明 OsCKI1 表达模式发生改变,基因反义转基因植株电解质渗漏率增大,质膜透性有所增加,受害严重;而脯氨酸、蛋白质等低温相关指标均显示反义转基因植株冷适应及抗寒性低于对照,推测OsCKI1 对提高植物冷适应及抗寒性有一定作用,而该基因表达量的降低或缺失导致植株易受低温伤害。应用细胞免疫学的方法,结合微管特异性荧光探针,Liu 还对低温下 OsCKI1 反义转基因植株根部细胞骨架进行了观察,结果显示对照植株根部微
5、管在低温下表现为快速、不可逆的解聚;而转基因植株根部微管未出现植物冷适应过程中微管的瞬时解聚过程,推测反义植株中该基因表达量的减少降低了植物冷适应的能力,而基因 OsCKI1 可能具有提高植物适应及抵抗低温的能力4。 2 微管结合蛋白与 I 型酪蛋白激酶在植物冷适应过程中可能的协同性及机制 微管结合蛋白(microtubule-associated proteins,MAPs),即植物微管周围存在的一类可直接与微管结合并对微管有调控作用的蛋白10,在抵御或减弱植物低温伤害、维持微管冷稳定性中发挥了重要作用。Sloboda 和 Rosenbaum 的研究显示11,离体微管在 4下的冷稳定性与MA
6、P 的存在密切相关,MAP 与微管蛋白的比率增加,微管的冷稳定性就提高。Schleicher 指出,MAP 对微管稳定性的调控与其磷酸化和去磷酸化状态有关,因此易诱发磷酸化的 Ca2+和钙调蛋白(CaM)对微管的稳定性有重要的调控作用12。较低浓度的 Ca2+,直接或通过 CaM 促进微管的组装13;但较高水平的 Ca2+,会使 CaM-磷酸激酶活化,进而磷酸化 MAP 在微管末端形成的“封帽”并使之解离,从而使微管稳定性减弱,进而解聚14。微管结合蛋白可间接参与到植物冷适应及抗寒过程中,而前期试验结果证明CKI 在植物抵抗低温寒害中可能也具有一定功能,两者间是否存在互作及可能的作用机制仍未见
7、明确报道。在动物中的研究表明,CKI 可通过与MAP 相互作用,进而调控微管空间聚合来行使功能。2000 年,Behrend 等15在受损伤的哺乳动物细胞中,检测到 casein kinase 1 delta(CK1delta)与间期及分裂期细胞中微管紧密结合,并随损伤程度加大其结合力提高。也有报道指出,tau 蛋白作为动物神经细胞中主要的微管结合蛋白,其过度磷酸化会使 tau 蛋白失去其促微管组装和维持微管稳定的生物学功能,从而导致神经系统微管结构破坏,即发生阿尔茨海默症,而 CKI 等蛋白激酶与微管结合蛋白间存在互作,蛋白激酶的磷酸化作用可不同程度地抑制 tau 蛋白的功能,从而维持微管结
8、构的稳定性16。 植物中,低温信号可以通过质膜上的钙离子通透性通道、受体激酶和磷酸酯酶的介导而传递,促使细胞骨架重排,将信号向下游传递,通过 CDPK和 MAPK 等基因的响应,可将信号最终传至细胞核内并引发核内 OsCKI1 的适应性表达。CKI 具有普遍的亚细胞分布特性及广泛的底物,可对大量存在于细胞的胞质、细胞膜及细胞核中的物质进行磷酸化而行使功能17。2008 年,Ben-Nissan 等首次报道了作为拟南芥 CKI 家族成员,CKL6 的COO-存在能够与微管蛋白特异结合的结构域,且 CKL6 具有使微管蛋白发生磷酸化的能力18,证明植物中 CKI 与微管蛋白之间的确存在互作。在植物
9、细胞中,微管蛋白的稳定性受微管蛋白的翻译后调节,微管蛋白的磷酸化是调节因子之一,而 CKI 具有对底物广泛且强大的磷酸化功能,也使其在调控微管存在状态进而参与植物逆境响应及适应过程中发挥作用19。3 展望 近年来植物低温响应及适应已成为研究的焦点。前人指出,植物可在生理及分子水平上响应及适应低温,其中细胞骨架及微管结合蛋白作为 2个关键因子,其在低温适应中的作用已有部分报道。随着研究的深入及手段的提高,越来越多参与植物抵抗低温伤害的候选因子被发现。其中,植物中 CKI 的功能及其在低温下的表达模式、CKI 与微管之间可能的互作关系,暗示 CKI 可能是植物响应低温寒害过程中的一类新的候选功能因
10、子。鉴于微管结合蛋白在植物抗寒中的作用及前人对 CKI 与微管结合蛋白相关性的报道;Liu 通过细胞免疫学的方法初步证明 CKI 对细胞骨架的稳定性有一定影响,而其是否是通过与微管结合蛋白的互作参与低温信号转导并行使功能还需借助于特异性抗体及免疫共沉淀、蛋白分子互作及免疫荧光双标等手段进行深入研究。该方面的研究对于深入了解 CKI 在植物生长发育及信号转导中的作用,完善低温信号转导调控网络,进一步进行植物抗寒育种及指导农业生产实践具有重要的指导作用。 4 参考文献 1 BASTOW R,MYLNE J S,LISTER C,et al.Vernalization requires epig-e
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