植物钙调素及其在热激信号转导通路中的作用

赵超越

（辽宁师范大学生命科学学院，辽宁省植物生物工程重点实验室，辽宁　大连　116081）

植物钙调素及其在热激信号转导通路中的作用

赵超越

（辽宁师范大学生命科学学院，辽宁省植物生物工程重点实验室，辽宁大连116081）

植物体的热激响应是指在受到热刺激诱导后，植物体为抵御热激胁迫产生的效应。在热激信号转导通路中，Ca2+/CaM复合物参与调控热激转录与热激调控元件的结合活性调节，从而增加HSP基因的转录以及HSP蛋白的合成。本文以钙调素作为主要研究对象，链接通路中其他成员，通过已有的研究结论，说明热激条件下CaM参与的热激信号转导的通路组成。

热激；信号转导通路；钙离子；钙调素；热激蛋白

在真核生物中，钙调素、类钙调素［1］和钙调素依赖的蛋白激酶［2］是胞内Ca2+重要的受体蛋白。其中钙调素作为Ca2+受体广泛分布在不同的组织、器官和质体中，是一种最重要的钙依赖性调节蛋白，并在Ca2+/CaM信号转导系统中发挥至关重要的作用。

1　CaM的结构及分布

钙调素是由148个氨基酸组成的单链可溶性球状蛋白，分子量约为16 700 Da，钙调素多肽链由4个区域（Ⅰ～Ⅳ）组成，每个区域由一个离子键结合一个Ca2+，结合Ca2+后，钙调素分子构象发生改变并激活其疏水区，催化活性增加［3］。拟南芥中CaM是最早被克隆到的，随后从马铃薯、大豆、小麦、玉米和豌豆中分别克隆多条CaM基因。

2　CaM的作用原理

钙调素是植物细胞重要的钙离子受体，自身没有酶的活性，当与钙离子结合后，自身构象改变，形成的Ca2+/CaM复合物后才能与靶酶短肽序列结合，从而催化靶酶活性。由于CaM分子EF手型两端的结合Ca2+区域对胞内自由Ca2+的亲和力不同，使得CaM分子可能会敏感捕捉胞内Ca2+浓度的变化，在激活状态和失活状态之间相互转换。CaM分子的构象变化是其发挥生理作用的基础［4］。

3　钙调素参与热激信号转导

3.1热激对胞内钙离子浓度的影响

钙信号（Calcium signal，Ca2+signal）作为第二信使参与植物生长发育、植物抗逆响应的调控［5］。在热激胁迫方面，已经有实验结论证实热激会导致胞内Ca2+浓度瞬时增加。有研究表明PLC-IP3和Ca2+通道的协同作用可能解释了细胞内Ca2+浓度瞬时增加的原因：例如Liu等利用热激拟南芥悬浮培养细胞，检测到胞内IP3水平的提高，而磷脂酶C（PLC）抑制物U-73122可以产生抑制IP3积累的效应；IP3的积累是通过水解磷脂酰肌醇4，5二磷酸［PtdIns（4，5）P2，PIP2］得到的，这一过程由结合于胞膜的PLC来催化，在热激的条件下PLC被激活并导致胞内IP3水平的积累，通过IP3与钙离子通道的协同作用，从而提高胞内钙离子的水平［6］。这些结果可以说明热激信号传导的顺序，而且证明了IP3在胞内的积累可能是Ca2+瞬时增高的上游事件。

3.2热激对钙调素表达量的影响

在热激胁迫条件下胞内Ca2+增加，CaM基因的大量表达以及CaM蛋白的积累，也已得到了证实：例如在植物拟南芥中，Zhang等［7］通过实验证明在37 ℃热激的情况下AtCaM3 mRNA的水平显著增加并在20 min后达到最大，在30 min后缓慢下降，而AtCaM多基因家族中的其他成员并没有与AtCaM3基因相类似结果，而且这个结果与AtCaM3基因实时定量PCR的结果相符；这样的结果说明CaM的表达依赖于Ca2+，并间接的说明CaM可能定位于通路的上游部分。

4　钙调素在热激信号转导通路中的作用

4.1钙调素对HSF与HSE结合活性的调节

在热激条件下，HSP的诱导合成受控于HSF，HSF活性的调控是HSP表达的中心环节［8］。例如在44℃热激的情况下，利用CaM的拮抗剂W7和CPZ或者利用CaM的抗体可以降低HSF 与HSE的结合活性，而向CaM抗体预处理的玉米细胞提取液中加入10-8～10-7mol·L-1的CaM则可部分恢复HSF的活性。通过这些结果初步证明了CaM参与了HSP蛋白的表达，并且通过增强HSF和HSE的结合活性使得植物体获得耐热性。

4.2钙调素在提高植物体耐热性方面的意义

为了在分子和遗传水平上证明拟南芥AtCaM3可能参与热激信号转导，Zhang等利用T-DNA插入的方法获得AtCaM3突变株。在正常条件下，突变株系与野生株系相比没有明显差异，而45℃热激处理50 min后，该突变株的耐热性较WT株系相比明显增强。由于HSP的表达与积累增加了植物抵御热胁迫的能力，而且已经证实，HSP的表达受控于CaM，这些结果近一步证明了CaM在热激信号转导通路中发挥作用［8］。

5　Ca2+/CaM参与的热激信号转导通路

近十几年来，全球性气候变暖对于农业生产的影响巨大，而导致的直接结果是农作物的大幅减产，而这种影响在未来的几十年里仍将持续，在这样的背景条件下，研究植物的耐热性和热信号传导就显得十分必要［9］。综上所述，植物体对于热激胁迫的反应机制是高度复杂的，各条通路之间是相互交叉的，并由此建立起的一个复杂网状结构，真正弄清热激信号转导的机制对植物耐热性研究具有重要意义［10］。

［1］ POOVAIAH BW，LIQUN D，HUIZHONG W，et al. Recent advances in calcium/calmodulin- mediated signaling with an emphasis on plant-microbe interactions［J］.Plant Physiology，2013，163（2）：531-542.

［2］ LUAN S. The CBL-CIPK network in plant calcium signaling［J］.Trends in Plant Science，2009，14（1）：37-42. ［3］ YANG T，POOVAIAH B W. Calcium/calmodulinmediated signal network in plants.［J］.Trends in Plant Science， 2003，8（10）：505-512.

［4］ DDFALCO T A，BENDER K W，SNEDDEN W A. Breaking the code：Ca2+sensors in plant signalling［J］.Biochemical Journal，2009，425（1）：27-40.

［5］ DODD AN，KUDLA J，SANDERS D. The language of calcium signaling［J］. Annu Rev Plant Biol，2010，61（1）：593-620.

［6］ GILLASPY G E. The cellular language of myo-inositol signaling［J］.New Phytologist，2011，192（4）：823-839.

［7］ ZHANG W，ZHANG R G ，GAO Y J，et al. Molecular and genetic evidence for the key role of AtCaM3in heat-shock signal transduction in Arabidopsis［J］.Plant Physiology，2009，149（4）：1773-1784.

［8］ 张璇，臧晓南，张学成，等.藻类逆境胁迫下信号传导途径的初步研究进展［J］.中国海洋大学学报（自然科学版），2012（S1）：116-123.

［9］ LIU H T，LI B Z，LI X Z，et al. Calmodulin is involved in heat shock signal transduction in wheat［J］.Plant Physiology，2003，132（3）：1186-1195.

［10］ ZHOU R G，LI B，LIU H T，et al. Progress in the participation of Ca2+-calmodulin in heat shock signal transduction［J］.自然科学进展：英文版，2009，19（10）：1201-1208.

Q582

A

1002-0659（2015）06-0045-02

2015-11-04

赵超越（1990-），男，在读硕士，从事植物分子生物学方面的研究工作。Email：zhaochaoyue_1990@163.com