植物抗逆胁迫相关蛋白激酶的研究进展

田超　王冉　彭艳等

摘要 蛋白激酶在信号感知、传导、基因的表达调控以及其他调节植物生长发育的众多生理过程中至关重要。植物体内的信号传导系统能够感知外界逆境胁迫，并传递逆境胁迫信号。通过蛋白激酶改变蛋白质的磷酸化和去磷酸化状态，下游的抗逆相关基因在转录表达水平上发生变化，从而启动相应反应来抵制危害。概述了近年来国内外有关植物抗逆胁迫的蛋白激酶的研究进展。

关键词 蛋白激酶；逆境胁迫；抗逆机制

中图分类号 X188；Q945.7 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-004-03

Abstract The protein kinase via the phosphorylation and dephosphorylation state of protein， is essential in the regulation of signal perception， transmission， the gene expression and many other physiological processes in regulating plant growth and development. Plants signaling system is able to perceive the outside world and deliver stress signal， through the phosphorylation and dephosphorylation state of protein by the protein kinase to change the expression levels of transcription genes downstream of resilience， activate the corresponding physiological and biochemical reactions to reduce or eliminate hazards. This article reviews the recent research progress in protein kinases related plant defense responses.

Key words Protein kinase； Adversity stress； Mechanism of resistance

植物體在干旱、低温及高盐等逆境胁迫下会接受且转导逆境胁迫信号，启动植物对逆境胁迫的响应机制，引起相关特定功能基因对逆境胁迫做出各种适应性反应。植物蛋白激酶在信号转导中起着重要作用。一旦受到信号刺激，蛋白激酶随即磷酸化，促使信号转导通路的开启；当信号信号消失后，蛋白激酶又会去磷酸化，促使信号通路的关闭。这一系列活动可以保持细胞内的稳态，维持植物体正常的生命活动[1]。植物蛋白激酶可以看作是膜受体，感应外界环境刺激所产生的信号分子。目前研究较多的植物蛋白激酶是RLK（Receptor protein kinase），其基本结构包括胞外的配体结合区、跨膜区和胞质激酶区[2]三部分。配体结合区的细胞能够感知接受外部逆境环境刺激产生的信号，进一步通过跨膜区传递信号激活相应的胞质激酶区，再通过蛋白质的磷酸化作用将信号传递到下级信号传递体[3]。在信号转导过程中，植物蛋白激酶还会受胞内第二信使分子的诱导，发生逐级磷酸化，使信号逐级放大，从而激活下游转录因子，诱导抗逆相关基因的表达，启动胁迫响应相关基因的应答机制。

目前，植物抗逆性已成为近年来的研究热点之一。蛋白激酶具有的磷酸化、去磷酸化性质及其接受胞外信号转导启动响应机制使其成为参与植物抗逆胁迫反应机制的重要组成部分。

1 蛋白激酶的分类

蛋白激酶不仅数量多，功能多样化，而且在结构上存在巨大差异。因此，对蛋白激酶进行分类有助于更明确地了解蛋白激酶的结构和功能。目前，对蛋白激酶的分类有按照底物特异性分类和催化域氨基酸序列两种方式。

根据底物的特异性通常将蛋白激酶分为丝/苏氨酸蛋白激酶、组/精/赖氨酸蛋白激酶、酪氨酸蛋白激酶、半胱氨酸蛋白激酶、天冬酰胺基/谷氨酰胺基蛋白激酶5类。现今最常见的蛋白激酶多是前3种[4]。其中，关于丝/苏氨酸蛋白激酶能够磷酸化丝/苏氨酸羟基的研究更详尽，其中包括促分裂原活化蛋白激酶（MAP）K、钙依赖蛋白激酶（CDPK）、蛋白激酶A（PKA，protein kinase A）和蛋白激酶C（PKC，protein kinase C）等。

根据催化域氨基酸序列的不同，可以将蛋白激酶划分为5类：AGC类（包括蛋白激酶A、G、C），CaMK类（CDPK家族和需要SNF1/AMP活化的蛋白激酶家族（SNF1related protein kinase），CMGC类（包括细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）、糖原合成酶激酶（GSK3）、促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）以及酪蛋白激酶（CKⅡ），常规 PTK 类和其他类蛋白激酶[5]。

2 植物中参与抗逆应答信号途径的蛋白激酶

截至目前，已报道的植物中参与逆境胁迫相关的蛋白激酶主要有GUDK（Growth under drought kinase）、MAPK和RLK三大类。GUDK是被推测为植物细胞特有参与信号转导的重要蛋白激酶[6-8]。有报道称，水稻基因编码的CDPK 能够被非生物胁迫激活，并且明显提高表达水平，在应对非生物胁迫中发挥重要作用[9]。MAPK普遍存在于真核生物中，主要包含MAPKKKs、MAPKKs 和MAPKs三个级联组分，通过组分间的级联效应参与不同的信号转导过程，最近也被证实活跃表达于干旱和其他生非物胁迫中[10-11]。RLK大多数定位于细胞膜上，可以作为感知干旱、高盐等非生物胁迫信号的感受器，并且激活下游信号传递体，引发一系列信号传导过程。

2.1 促分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）

MAPK是一个大家族，隶属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。MAPK家族包括分裂素原活化蛋白激酶（MAPK）、分裂原激活蛋白激酶激酶（MAPK kinase，MAPKK）和分裂原激活蛋白激酶激酶激酶（MAPK kinase kinase，MAPKKK）[12]。通过MAPK/MAPKK/MAPKKK间逐级磷酸化形成一个MAPK级联系统。该系统促使外来信号级联的放大，激活下游相关基因的表达，进而启动相应的生理生化反应来应对环境变化[13]。

近年研究表明，在拟南芥和琵琶柴中MAPK能够参与干旱、盐、ABA以及机械损伤等非生物胁迫反应[14-15]。在盐胁迫和干旱胁迫处理后，烟草CsNMAPK的表达量显著提高，过表达CsNMAPK转基因株系的种子萌发率相对于野生型也明显提高[16]。在单子叶模式植物水稻中，OsMAPK5能够正向调节水稻对干旱、盐和冷胁迫的耐受性，并且负向调控病程相关（PR）基因的表达和对病原菌的广谱抗性[17]。ABA、病原菌侵染、机械损伤、干旱、高盐和冷胁迫均能诱导OsMAPK5基因的表达，蛋白激酶活性也相应受到激活。水稻OsMAPK33通过调控Na+/K+，维持植物体的内稳态，增强对高盐的耐受能力[18]。Ning等[19]从MAPKKK突变体克隆得到DSM1，在盐、干旱和ABA条件下诱导表达，冷处理不诱导表达。DSM1突变体表现出在干旱胁迫和氧化胁迫条件下超敏感，而DSM1过量表达转基因株系表现为抗旱性得到提高。在dsm1突变体中显示POX22.3和POX8.1这2个过氧化物酶基因的表达明显下调，DSM1作为水稻响应干旱胁迫的早期信号传导组分，通过调节过氧化物酶基因的表达，控制活性氧的清除，也就是参与活性氧的信号传导过程，对水稻抗旱性进行调节。

2.2 钙依赖而钙调素不依赖的蛋白激酶（CDPK）

钙依赖型蛋白激酶（CDPK）和类钙调素结构域蛋白激酶（Calmodulinlike domain protein kinase，CaMK） 是研究最早的植物蛋白激酶。目前，对CDPK的研究较透彻。CDPK能够被Ca2+激活，其活性不依赖于钙调素。在植物体应答不同刺激时细胞质中Ca2+的水平随之发生不同程度的改变，主要通过Ca2+ 感应器蛋白来识别、放大信号，通过一系列的级联信号传导过程调控植物的生长发育。

CDPK参与植物非生物胁迫应答調控过程，如番茄LeCPK2[20]能协调植物体对高温、病原菌侵入、机械损伤做出应答反应；大豆GsCBRLK[21]通过调节相应蛋白酶的活性或上调CDPKs的表达量来应对各种非生物胁迫。过表达GsCBRLK的转基因拟南芥植株对低温、干旱、盐、ABA的耐受能力明显提高。拟南芥AtCPK3[22]、MPK4和MPK6共同参与盐胁迫的调控应答过程。在水稻中过表达OsCPK12[23]和OsCPK21[24]，提高NADPH氧化酶和过氧化氢酶的含量。这有利于调控稻瘟病、盐和ABA的抗逆应答。OsCPK4编码1个钙调磷酸激酶[25]。OsCPK4过表达能显著提高水稻对盐、干旱的耐受能力，而敲除OsCPK4则严重影响水稻生长发育，导致水稻植株矮小、长势较弱。在盐和干旱处理下，OsCPK4过表达植株相对于野生型表现出更强的吸收，并且保持水分能力。OsCPK4通过抑制膜脂过氧化作用，减少因细胞裂引起的解电解液泄漏，从而保护细胞膜避免因受逆境诱导引起的氧化损害，并且可能通过磷酸化作用调控Na+转运正调控盐和干旱胁迫应答。

水稻OsCDPK7在冷和盐胁迫下诱导表达。它能编码CDPK[26]。转基因植株对冷、盐和干旱胁迫的耐受能力与OsCDPK7的表达量有密切联系，因此在冷和盐胁迫的抗性上，OsCDPK7发挥着正调控作用。OsCDPK7的过表达能增强在盐或干旱胁迫下水稻应激反应相关基因的应答，但是在冷胁迫下应答不增强，表明植物应对冷害、盐或干旱胁迫有不同的生理应答途径，有可能一个CDPK会参与不同应答途径。CDPK在这些途径中存在交叉现象。由此可知，对CDPK活性、表达量的人为调控，对改良物种应对逆境胁迫的耐受力具有一定应用价值。

2.3 受体蛋白激酶（RLK）

RLK是一类跨膜蛋白激酶。它对下游胁迫反应的激活主要通过磷酸化丝氨酸/苏氨酸残基来完成。RLK根据胞外区不同可分为多个亚家族。RLK在拟南芥中有600个成员，在水稻中有1 132个成员，是植物中大量存在的一类蛋白激酶[27]。

RLK在非生物胁迫和植物的生长、发育过程中都发挥着重要作用，如拟南芥中转入PdERECTA，可降低气孔密度和蒸腾速率，提高光合速率，从而使植株对干旱的耐受性增强[28]。拟南芥的RLK7[29] 主要参与植物体的渗透胁迫响应，有利于维持植物体的内稳态，使其对干旱胁迫具有耐受性。水稻OsSIK1是一个已被克隆研究到的富含亮氨酸重复片段的序列RLK基因[30]。OsSIK1在Mn2+存在的条件下有激酶活性，能够自磷酸化，也能够使髓磷脂蛋白（Myelin basic protein，MBP）磷酸化。GUS染色试验证明，OsSIK1表达部位主要是在茎和小穗状花序中，并且在盐、干旱和H2O2处理等胁迫下才能够诱导表达。OsSIK1过表达的转基因水稻植株的过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性大幅度提高，相应H2O2的积累减少，从而表现出对盐和干旱更好的耐受能力。该基因突变体植株对干旱和盐胁迫敏感。另外，OsSIK1也能影响水稻叶表皮远轴和近轴的气孔密度。这些结果表明，OsSIK1可能通过激活抗氧化系统，使得水稻对干旱和盐胁迫的抗性增强。

此外，OsSIK2是一个依赖Mn2+的S结构域受体类激酶（SDomain ReceptorLike Kinase）[31]。过表达OsSIK2的转基因株系对盐和干旱抗性增强，而突变体sik2则表现不出对逆境胁迫的敏感。OsSIK2使野生型植株提高了非生物胁迫抗性，还延缓了黑暗诱导的叶片衰老，通过调节发育过程中信号的转导增强植物对不利环境条件的适应性。

2.4 干旱誘导的受体类胞质激酶

GUDK是一个受干旱诱导的受体类胞质激酶，对干旱和灌水良好条件下水稻籽粒产量至关重要。gudk功能缺失突变体在幼苗期表现出对盐、渗透胁迫和脱落酸处理敏感，而营养生长阶段在一定的干旱条件下光合作用能力和生物量降低，在生殖发育阶段gudk突变体在水分充足和干旱胁迫条件下都表现出谷粒产量显著降低的现象[32]。

GUDK能磷酸化OsAP37[33]，激活一些胁迫相关基因来调控干旱条件下谷粒产量。GUDK通过磷酸化和激活OsAP37来介导干旱胁迫的信号转导，导致一些胁迫相关基因的转录被激活。它们的激活能够提高胁迫耐性，从而在干旱条件下提高产量。

2.5 其他参与逆境胁迫相关的蛋白激酶

OsGSK1是GSK3/SHAGGYlike 蛋白激酶基因家族的一员，是一个水稻糖原合成酶激酶基因，与拟南芥中的BIN2（brassinosteroid in sensitive 2，油菜素内酯不敏感2）即AtSK21同源[34]。

OsGSK1在发育中主要在穗中表达，表明该基因的表达具有发育阶段特异性。敲除OsGSK1的突变体株系比野生型有更好的耐旱、耐热、耐盐能力；过表达OsGSK1的转基因植株发育迟缓，类似于拟南芥中的获得性BIN/AtSK21突变体表型。这表明OsGSK1可能在BR信号途径中起负调控作用。因此，OsGSK1可能参与胁迫相关信号转导途径，并且调节花的发育。

3 相关研究展望

当前，土地和水资源有限，极端恶劣坏境时有发生。为了保障我国粮食安全，培育和推广抵御逆境胁迫的新高抗品种具有重要的意义。蛋白激酶作为植物体内重要调节因子的一种，一方面通过膜受体蛋白激酶感知、接受、传导外界环境胁迫响应信号；另一方面，伴随着信号传递过程中第二信使的诱导作用，逐级磷酸化途径被蛋白激酶所启动，进一步调控下游抗逆境胁迫相关基因的表达水平，从而启动植物体自身的生理生化反应活动来应对外界刺激。由此可知，蛋白激酶对植物适应逆境环境至关重要。深入研究植物蛋白激酶的功能，对于完善植物逆境信号网络、提高作物的抗逆特性具有非凡意义。此外，目前的研究仅局限于单一蛋白激酶的功能作用机制，因此运用各种试验方法发现、验证各胁迫响应途径中不同类型激酶间的相互作用、方式，完善植物蛋白激酶响应逆境胁迫的机制，为分子育种提供理论依据。

参考文献

[1]XU Z S，LIU L，NI Z Y，et al.W55a encodes a novel protein kinase that is involved in multiple stress responses[J].Journal of Integrative Plant Biology，2009，51（1）：58-66.

[2] CHARPENTEAU M，JAWORSKI K，RAMIREZ B，et al.A receptorlike kinase from Arabidopsis thaliana is a calmodulinbinding protein[J].Biochem J，2004，379：841-848.

[3] NOLAN K E，KURDYUKOV S，ROSE R J.Characterisation of the legume SERKNIK gene superfamily including splice variants：Implications for development and defence[J].BMC Plant Biology，2011，11（1）：44.

[4] 孙大业，生物学，艳林，等.细胞信号转导[M].北京：科学出版社，1998.

[5] BAYER R G，STAEL S，ROCHA A G，et al.Chloroplastlocalized protein kinases：A step forward towards a complete inventory[J].Journal of Experimental Botany，2012，63（4）：1713-1723.

[6] URAO T，YAKUBOV B，SATOH R，et al.A transmembrane hybridtype histidine kinase in Arabidopsis functions as an osmosensor[J].The Plant Cell Online，1999，11（9）：1743-1754.

[7] HRABAK E M，DICKMANN L J，SATTERLEE J S，et al.Characterization of eight new members of the calmodulinlike domain protein kinase gene family from Arabidopsis thaliana[J].Plant Molecular Biology，1996，31（2）：405-412.

[8] ROBERTS J K，DESIMONE N A，LINGLE W L，et al.Cellular concentrations and uniformity of celltype accumulation of two lea proteins in cotton embryos[J].The Plant Cell Online，1993，5（7）：769-780.

[9] SHARMA A，KOMATSU S.Involvement of a Ca2+dependent protein kinase component downstream to the gibberellinbinding phosphoprotein，RuBisCO activase，in rice[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2002，290（2）：690-695.

[10] LIGTERINK W，HIRT H.Mitogenactivated protein （MAP） kinase pathways in plants：Versatile signaling tools[J].International Review of Cytology，2001，201：209-275.

[11] AGRAWAL G K，IWAHASHI H，RAKWAL R.Rice MAPKs[J].Biochemical and Biophysical Research Communications，2003，302（2）：171-180.

[12] MENKE F L H，VAN PELT J A，PIETERSE C M J，et al.Silencing of the mitogenactivated protein kinase MPK6 compromises disease resistance in Arabidopsis[J].The Plant Cell Online，2004，16（4）：897-907.

[13] 裴麗丽，郭玉华，徐兆师，等.植物逆境胁迫相关蛋白激酶的研究进展[J].西北植物学报，2012，32（5）：1052-1061.

[14] CAI G，WANG G，WANG L，et al.A maize mitogenactivated protein kinase kinase，ZmMKK1，positively regulated the salt and drought tolerance in transgenic Arabidopsis[J].Journal of Plant Physiology，2014，171（12）：1003-1016.

[15] ZHANG J，ZOU D，LI Y，et al.GhMPK17，a Cotton mitogenactivated protein kinase，is involved in plant response to high salinity and osmotic stresses and ABA signaling[J].PloS ONE，2014，9（4）：95642.

[16] XU H1，LI K，YANG F，et al.Overexpression of CsNMAPK in tobacco enhanced seed germination under salt and osmotic stresses[J].Mol Biol Rep，2010，37（7）：3157-3163.

[17] XIONG L Z，YANG Y N.Disease resistance and abiotic stress tolerance in rice are inversely modulated by an abscisic acidinducible mitogenactivated protein kinase[J].The Plant Cell，2003，15（3）：745-759.

[18] LEE S K，KIM B G，KWON T R，et al.Overexpression of the mitogenactivated protein kinase gene OsMAPK33 enhances sensitivity to salt stress in rice （Oryza sativa L.）[J].Journal of Biosciences，2011，36（1）：139-151.

[19] NING J，LI X，HICKS L M，et al.A Raflike MAPKKK gene DSM1 mediates drought resistance through reactive oxygen species scavenging in rice[J].Plant Physiology，2010，152（2）：876-890.

[20] CHANG W，FU G，CHEN X，et al.Biochemical characterization of a calciumsensitive protein kinase LeCPK2 from tomato[J].Indian Journal of Biochemistry & Biophysics，2011，48（3）：148-153.

[21] SUN X，YANG S，SUN M，et al.A novel Glycine soja cysteine proteinase inhibitor GsCPI14，interacting with the calcium/calmodulinbinding receptorlike kinase GsCBRLK，regulated plant tolerance to alkali stress[J].Plant Mol Biol，2014，85（1/2）：33-48.

[22] DAMMANN C，ICHIDA A，HONG B，et al.Subcellular targeting of nine calciumdependent protein kinase isoforms from Arabidopsis[J].Plant Physiology，2003，132（4）：1840-1848.

[23]ASANO T，HAYASHI N，KOBAYASHI M，et al.A rice calciumdependent protein kinase OsCPK12 oppositely modulates saltstress tolerance and blast disease resistance[J].The Plant Journal，2012，69（1）：26-36.

[24] ASANO T，HAKATA M，NAKAMURA H，et al.Functional characterisation of OsCPK21，a calciumdependent protein kinase that confers salt tolerance in rice[J].Plant Molecular Biology，2011，75（1/2）：179-191.

[25] CAMPO S，BALDRICH P，MESSEGUER J，et al.Overexpression of a calciumdependent protein kinase confers salt and drought tolerance in rice by preventing membrane lipid peroxidation[J].Plant Physiology，2014，165（2）：688-704.

[26] SAIJO Y，HATA S，KYOZUKA J，et al.Overexpression of a single Ca2+dependent protein kinase confers both cold and salt/drought tolerance on rice plants[J].The Plant Journal，2000，23（3）：319-327.

[27] SHIU S H，KARLOWSKI W M，PAN R，et al. Comparative analysis of the receptorlike kinase family in Arabidopsis and rice[J].Plant Cell，2004，16：1220-1234.

[28] XING H T，GUO P，XIA X L，et al.PdERECTA，a leucinerich repeat receptorlike kinase of poplar，confers enhanced water use efficiency in Arabidopsis[J].Planta，2011，234（2）：229-241.

[29] PITORRE D，LLAURO C，JOBET E，et al.RLK7，a leucinerich repeat receptorlike kinase，is required for proper germination speed and tolerance to oxidative stress in Arabidopsis thaliana[J].Planta，2010，232（6）：1339-1353.

[30] OUYANG S Q，LIU Y F，LIU P，et al.Receptorlike kinase OsSIK1 improves drought and salt stress tolerance in rice （Oryza sativa） plants[J].The Plant Journal，2010，62（2）：316-329.

[31] CHEN L J，WURIYANGHAN H，ZHANG Y Q，et al.An sdomain receptorlike kinase，OsSIK2，confers abiotic stress tolerance and delays darkInduced leaf senescence in rice[J].Plant Physiology，2013，163（4）：1752-1765.

[32]RAMEGOWDA V，BASU S，KRISHNAN A，et al.Rice Growth under drought kinase is required for drought tolerance and grain yield under bormal and drought stress conditions[J].Plant Physiology，2014，166（3）：1634-1645.

[33] NIU N N，LIANG X Q，YANG X J，et al.EAT1 promotes tapetal cell death by regulating aspartic proteases during male reproductive development in rice[J].Nat Commun，2013，4：1445.

[34] KOH S，LEE S C，KIM M K，et al.TDNA tagged knockout mutation of rice OsGSK1，an orthologue of Arabidopsis BIN2，with enhanced tolerance to various abiotic stresses[J].Plant Molecular Biology，2007，65（4）：453-466.