钙调素结合蛋白参与调控植物逆境胁迫的研究进展

吴春婷,范甜,吕天晓,周玉萍,田长恩

(广州大学生命科学学院,广东省植物适应性与分子设计重点实验室，广州510006)

干旱、低温、盐、重金属离子和病原菌等胁迫条件对植物的生长发育有严重影响，而植物体也具有一系列迅速感知并对逆境胁迫进行防御应答的信号转导机制[1]。Ca2+作为植物体内广泛存在的第二信使，在植物感受到外界刺激时会短暂提高胞质的Ca2+浓度，从而形成钙信号，不同刺激造成的Ca2+浓度的变化时间、频率和幅度均不相同[1]。在不同的逆境胁迫下，植物细胞通过Ca2+内流产生钙信号，在完成信号传递功能后，胞质内的Ca2+会被H+/Ca2+酶和Ca2+-ATP 酶重新转运回到钙库，从而终结胁迫信号的传导[1]。Ca2+效应器主要有3 种: 钙调素(calmodulin,CaM)及其类似蛋白(calmodulinlike protein,CML)、钙依赖型蛋白激酶(Ca2+dependent protein kinases,CDPK)、钙调磷酸酶B 样蛋白(complexes of calcineurin-B-like proteins,CBL)[2]。CaM/CML 是Ca2+浓度波动的主要感受器，由于其本身并没有催化活性，只能通过与下游的钙调素结合蛋白(calmodulin binding proteins,CaMBPs)互相作用并调节其活性来发挥功能[2]。本文主要介绍CaM/CML 的下游结合蛋白在植物胁迫信号响应中的作用。

1 钙调素与其结合蛋白的结构特点与种类

CaM 是一种广泛存在于植物中的钙结合蛋白,具有多种亚型，其氨基酸序列两端各含有1 对能与Ca2+结合的EF-hand 结构，中间以螺旋管结构相连[3]。1 个CaM 蛋白可以与4 个Ca2+结合，形成复合物后CaM 构象会发生显著变化，EF-hand 螺旋间的相对方向发生变化，使一些疏水残基暴露于CaM表面以增大暴露面积，形成容易与靶蛋白结合的疏水表面和疏水穴[3]。而没有Ca2+结合的CaM 称为ApoCaM，可以在低浓度或者缺乏Ca2+的条件下与靶蛋白结合并发挥活性，与Ca2+/CaM 复合物的构象变化相比，ApoCaM 在N 端始终关闭的情况下,C端则保持半开和关闭的动态变化，从而保证在没有Ca2+的情况下也能与靶蛋白结合[3]。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中有7 个基因(CaM1～CaM7)编码4 种CaM 亚型，分别为CaM1/CaM4、CaM2/CaM3/CaM5、CaM6 和CaM7；除此之外，还发现了50个编码CML 的基因，其中CaM7具有转录活性,其余的CaM/CML均要与下游靶蛋白结合才能发挥功能[4]。

CaMBPs 是指能与CaM/CML 结合的蛋白，包括在体外或体内能和CaM/CML结合的蛋白以及各种受CaM/CML 调控的酶类[4]，CaMBPs 通过CaM结合结构域(CaM-bingding domain,CaMBD)与CaM结合。IQ 基序是第1 个发现的不依赖Ca2+的CaMBD，1-5-10 基序和1-8-14 基序是依赖于Ca2+的结合结构域，故通过与CaM 结合方式的不同将CaMBPs分为Ca2+依赖型和Ca2+不依赖型[5]。Ca2+依赖型CaMBPs 主要包括CBP60s (calmodulin-binding protein 60s)、MLO (mildew resistance locus Os)、MKPs (mitogenactivated protein kinase phosphatases)及其他与CaM/CML 结合的转录因子和转运蛋白等；而Ca2+不依赖型CaMBPs 在植物中主要是指含有IQ 基序的蛋白，主要包括myosins、CAMTAs (calmodulin-binding transcription activators)、CNGCs (cyclic nucleotidegated channels)、IQDs (IQ67-domain containing proteins)和IQMs (IQ-motif containing proteins)[2]。

已经在植物中鉴定出许多种类的CaMBPs，功能已经明确的超过50 个，主要种类包括代谢酶类、转录因子、离子通道等[2],不仅参与调控植物的多种生理过程，还参与植物胁迫防御反应调控过程。研究表明CaMBPs 的表达可以被各种非生物胁迫(高温、干旱、和寒冷等)、生物胁迫(各种病原菌和食草性昆虫)和水杨酸(salicylic acid,SA)、乙烯和茉莉酸(jasmonic acid，JA)等激素诱导，调节下游靶基因并参与激素信号、离子运输、基因转录等途径，从而对植物的抗逆响应起到关键的调控作用[6–11]。

2 Ca2+依赖型的钙调素结合蛋白参与调控植物胁迫响应

2.1 钙调素结合蛋白60 (CBP60)家族

CBP60s 是植物中特有的可以结合CaM 的转录因子家族，在拟南芥筛选CaMBP 中最早被发现[12]。拟南芥中该家族有8 个成员(CBP60a～CBP60g 和SARD1)，均含有1 个CaMBD，大多数位于C 端,只有CBP60g 的CaMBD 位于N 端附近，但SARD1的CaMBD 突变，不能与CaM 结合[12]。

CBP60s 在植物的免疫响应中具有重要作用,CBP60g主要通过调控异分支酸合酶1 (isochorismate synthase 1,ICS1)来调节受到病原菌侵害的植物中产生SA，从而引起植物的防御反应[8,12]。研究表明CBP60g 是植物免疫的正调节因子，CBP60g过表达促进拟南芥SA 的积累，同时诱导病程相关(pathosenesis-related,PR)基因和ICS1基因的表达，从而提高了对丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)的抗病性[8]，而cbp60g突变增强了拟南芥对丁香假单胞菌的敏感性，降低了植物体内的SA 水平[12]。CBP60b可以直接激活CBP60g和SARD1的转录,cbp60b的突变会使拟南芥植株SA 含量升高，从而增加了植物抗病性[14]。除了参与调控植物对丁香假单胞菌的抵抗力，大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)的分泌蛋白VdSCP41 可以直接靶向结合拟南芥CBP60g、SARD1 和棉花(Gossypium hirsutum)的GhCBP60b,抑制转录因子活性，从而降低植物抗病性[15]。

与CBP60b/CBP60g 不同，该家族的另1 个成员CBP60a 被认为是一个免疫抑制因子，其突变会导致病原菌生长减慢，CBP60a 能够与CML46、CML47 结合，抑制SA 在被病原菌感染的拟南芥中的积累，表明SA 依赖的钙调素信号在植物免疫中具有一个复杂的模式[16]。

除了应对各种病原菌的侵袭，CBP60 家族同时也参与调节植物的多种非生物胁迫，对拟南芥进行热激处理后，AtCBP60g过表达的植株表现对高温胁迫更为敏感的表型，其比野生型更为矮小，出现黄化现象[13]。而在干旱胁迫下，AtCBP60g过表达还可以提高ICS1基因的表达量，增强了对干旱的耐受能力[8]。

2.2 白粉病抗性基因(MLO)家族

MLO 是一类植物特有的抗病蛋白，在C 末端存在CaMBD，可以在Ca2+存在下与CaM 形成复合物[17]。该家族中大多数成员作为白粉病的感病因子，均会降低植物对白粉病的抵抗力，MLO 蛋白作为白粉病菌入侵植物体所必需的条件[18]，当特定的mlo基因的缺失突变，MLO 蛋白失去负调控白粉菌抗性的功能，使烟草(Nicotiana tabacum)[18]、大麦(Hordeum vulgare)[19]和番茄(Lycopersicon esculentum)[20]等植物引发对白粉病的广谱抗性。

MLO基因最初在大麦中发现，当大麦受到白粉菌侵染时，CaM 可以通过与MLO 蛋白相互作用从而抑制植物的防御反应[19]。在辣椒(Capsicum annuum)中，CaMLO2 和CaCaM1 特异性结合可以抑制由辣椒疮痂病菌(Xanthomonas campestrispv.vesicatoria)引起的细胞死亡和植物免疫防御，而沉默CaMLO2基因的表达会增加植物体内活性氧(reactive oxygen species,ROS)的含量以及增强抗病性[21],过表达CaMLO2会增强拟南芥对丁香假单胞菌和对卵菌病原灰霉病(Hyaloperonospora arabidopsidis)的敏感性[22],同时可以恢复番茄突变体对白粉菌的敏感性[20]。CsMLO1和CsCaM3的过表达均降低了黄瓜(Cucumis sativus)子叶对棒孢叶斑病菌(Corynespora cassiicola)的抗性和防御相关基因的表达，证明CsMLO1 与CsCaM3 的相互作用能够负调控黄瓜的抗病防御反应[23]。

MLO 蛋白不仅可以负调控植物对病原体感染的防御反应，在植物响应干旱胁迫的应答中也有重要作用。有研究表明，干旱处理12 d 后，沉默CaMLO2基因的辣椒叶片组织鲜重损失较小，丙二醛含量降低，而过表达CaMLO2基因的拟南芥植株，干旱胁迫12 d 后的地上部分生物量的相对减少量显著高于野生型，证明CaMLO2 作为ABA 的负调控因子参与调控了植物的抗旱性[24]。

2.3 MAPK 磷酸酶(MKP)家族

丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPKs)是一类保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，广泛参与植物对各种生物和非生物胁迫的响应，如重金属、低温和盐等[25]。MAPK 磷酸酶(MAPK phosphatases,MKPs)是MAPK 信号途径重要的负调控因子，作为一种双特异性磷酸酶，对丝氨酸/苏氨酸和酪氨酸残基去磷酸化使MAPKs 失活，从而使MAPKs 的信号传导可以受到严格的调控[26]。在拟南芥基因组中，只鉴定到5 种MKPs，包括AtMKP1、PHS1、IBR5、MKP2 和DsPTP1，其中CaM 结合型MAPK 磷酸酶MKP1 和DsPTP1 可以在Ca2+存在下和CaM 结合，从而调节其活性，在生物和非生物胁迫过程中均有重要作用[27–28]。

烟草NtMKP1 是最早被鉴定可以与CaM (Nt-CaM1,NtCaM3 和NtCaM13)结合的MAPK 磷酸酶，NtMKP1过表达会抑制伤口诱导的蛋白激酶(woundinduced protein kinase,WIPK)和SA 诱导的蛋白激酶(salicylic acid-induced protein kinase,SIPK)的表达[26]。NtMKP1表达被抑制的转基因烟草NtMKP1-AS 植株中SIPK和WIPK表达增强，且在接种灰霉菌(Botrytis cinerea)后的烟草叶片坏死率显著小于对照，同时也降低了甘蓝夜蛾(Mamestra brassicae)和夜蛾(Spodoptera litura)在烟草叶片上的存活率[10],证明NtMKP1作为一种负调控因子参与调控植物的损伤反应和对病虫害的抗性[10,26]。

TMKP1 是目前唯一被鉴定到的小麦(Triticum aestivum) MAPK 磷酸酶，参与调节小麦对盐胁迫和渗透胁迫的响应[29]。TMKP1在拟南芥中异源表达可以提高盐胁迫下种子发芽率和幼苗的抗氧化活性[30]。

在拟南芥中，CaM 通过2个CaMBD与AtMKP1结合并调节其活性[27]。atmkp突变及其磷酸酶活性的缺失提高了植物耐盐性，提示MKP1 在渗透调节中具有关键作用[31]。而在植物免疫反应中，AtMKP1作为负调控因子调控ROS 的产生和植物对不同病原体的敏感性[32]。AtDsPTP1 作为1 个CaM 结合型的双特异性磷酸酶，与CaM2 的结合仅会调节其对酪氨酸的去磷酸化活性[28]。在atdsptp1突变体中,脯氨酸含量和渗透应答基因表达均显著增加，用甘露醇处理后，atdsptp1突变的种子也较野生型有更高的发芽率[33]。

2.4 其他Ca2+依赖型的钙调素结合蛋白

除以上3 个依赖Ca2+的CaMBP 家族外，植物中，还有一些依赖Ca2+的CaMBPs 作为酶、转录因子和转运蛋白等在植物的胁迫响应中起重要作用。

酶参与调节植物体内生长发育过程中的各种生理活动，而一些酶类可以结合CaM 在植物响应逆境胁迫中发挥重要作用[34]。AtPP7 是植物中最先发现的CaM 结合型丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶,atpp7缺失突变体降低了拟南芥幼苗的耐热性[35]。龙须菜(Gracilaria lemaneiformis)的肌醇-1-磷酸合酶(myoinositol-1-phosphate synthase,MIPS)也是一种CaMBP,可参与响应植物的高温胁迫[36]。

CaM 结合型激酶在逆境响应中同样发挥重要作用，AtCBK3 是拟南芥中的一种CaM 结合型激酶,可以促进AtHSFA1a 的磷酸化和激活HSFs (heat-shock transcription factors)与HSEs (heat-shock elements)的结合，从而正向调节拟南芥的热休克反应[37]。CRLK1 是一种CaM 结合型类受体蛋白激酶，正常生长条件下，crlk1突变体与野生型并无特别表型差异，但处于低温条件中，crlk1突变体表现出更高的敏感性[9]。OsDMI3 是一种Ca2+/CaM 依赖性蛋白激酶(Ca2+/CaM-dependent protein kinase,CCaMK)，作为ABA 信号传导的正调节因子，在盐胁迫下，可以正向调控水稻根系对盐的耐受性以及侧根的生长[38–39]。

CaM 除了可以调节酶的活性之外，还能够与转录因子相互作用[2]。MYB2 是最大的植物转录因子MYB (v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog)家族成员之一，GmCaM4 通过结合AtMYB2增强AtMYB2 的DNA 结合活性，过表达GmCaM4增加了脯氨酸的积累，从而增强植物的耐盐性[40]。在GTL (GT-2 LIKE)转录因子家族中,AtGTL1 能与CaM 结合，是植物抗旱性的负调节因子，gtl1可以在干旱胁迫下保持更高的存活率[41]；同样地，从杨树(Populussp.)中鉴定的PtaGTL1 也能与CaM 结合，在干旱胁迫下可以调节水分利用率和增强植物的耐旱性[42]。在拟南芥中，另一种转录因子AtABF2/AREB1 也被鉴定为CaMBP，可以正向调控植物的抗旱性，其突变体atabf2在干旱胁迫下成活率明显降低[43]。

WRKY 家族中的WRKY7/WRKY11/WRKY17都能与CaM 互作[44]，作为拟南芥病原菌相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMP)触发免疫的调节因子，参与调控植物对丁香假单胞菌的抗性[45]。AtTGA3 是第1 个被发现能与CaM 结合的碱性亮氨酸拉链(basic leucine zipper,bZIP)类型的转录因子,其突变体attga3会增加拟南芥对丁香假单胞菌的敏感性[46]。

除此之外，CaM 还可将Ca2+传递到与其结合的转运蛋白，从而对跨膜运输进行调节，在拟南芥的P2A型钙离子ATP转运蛋白(autoinhibited Ca2+-ATPase,ACA)家族中，ACA2/ACA4/ACA8/ACA11 均被鉴定为CaMBP[34,47],aca4/aca11突变激活了由SA 诱导的细胞程序性死亡，而aca8及其同源物aca10突变则会增加植物对病菌的敏感性[48]，同时aca8和aca10双突变体会减少由细菌鞭毛蛋白flg22诱导的ROS 和钙离子的爆发，提示ACA4/ACA8/ACA11均参与调节植物的免疫应答[48–49]。PEN3 是PDR(pleiotropic drug resistance)型ABC (ATP-binding cassette)转运蛋白家族成员，可以与CaM7 结合,调节拟南芥对病原菌的免疫响应，但具体机制有待进一步研究[50]。在拟南芥中的Na+/H+逆向转运蛋白(Na+/H+antiporter,NHX) AtNHX1 能与CML18 互作，AtNHX1过表达可以降低拟南芥对盐胁迫的敏感性[51–52]。

3 Ca2+不依赖型的钙调素结合蛋白参与调控植物生物与非生物胁迫

3.1 钙调素结合转录激活因子(CAMTA/SR)家族

CAMTAs 是受CaM 调控的一类转录因子，由于可以响应多种信号分子，所以也称为SRs (signalresponsive genes)[53]。CAMTAs 最早在烟草幼苗中作为CaMBP 被分离出来[54]。在拟南芥[53]、番茄[55]和水稻[56]中分别鉴定出CAMTA/SR 家族成员16、7和7 个。在真核生物中，该家族的功能结构域较为保守，均含有CG-1 结构域、TIG 结构域、ANK 重复结构域、1 个Ca2+依赖型CaMBD 和串联重复的IQ 基序[56]。2 个CaMBD 的存在提示不同物种的CAMTA/SR 蛋白结合CaM 的方式可能存在不同,例如拟南芥CAMTA1 和番茄CAMTA 与CaM 结合均依赖Ca2+[53,55]，而水稻的OsCBT 中,在Ca2+缺乏时可以通过IQ 基序与CaM 结合,在Ca2+存在时通过另一个Ca2+依赖型CaMBD 与CaM 结合[56]。小麦的TaCAMTA4 也被证明以依赖Ca2+的方式结合CaM[57]。

在大多数植物中，CAMTAs 参与调节植物对不同病虫害的防御反应。拟南芥CAMTA3/SR1 被证明是植物免疫响应的负调控因子，有研究表明,CAMTA3/SR1 可以通过识别和结合与抗病有关的靶基因EDS1、NDR1和EIN3的启动子区域，抑制其表达来参与SA 和乙烯反应通路，从而负调控植物对丁香假单胞菌、白粉病菌和灰霉菌的抗性[58–59]。拟南芥camta3-1、camta3-2在正常情况下出现严重的病变表型，且该突变会导致植物体内SA 的积累[58,60]；在拟南芥camta3突变植株中接种稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzaepv.oryzae)后，提高了植物体内由PAMP 诱导的H2O2和ROS 含量，且增强了病原体诱导的超敏反应[61]。同时在接种核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)后，突变体植株中AtJIN1基因的表达显著增强，推测AtCAMTA3 也可能通过直接靶向JIN1 来调节JA 信号通路，从而负调节对核盘菌的抗性[62]。AtCAMTA3 在水稻中的同源蛋白OsCBT也是植物防卫反应的负调控因子，oscbt突变体会增强水稻对稻黄单胞菌和稻瘟菌(Magnaporthe grisea)的抵抗力[56]。利用VIGS 技术沉默小麦和番茄的CAMTA基因，结果表明小麦的TaCAMTA4 和番茄的SlSR1、SlSR3L 也发挥负调控抗病响应的功能[57,63]。

除了参与调控植物对病菌体的防御反应，CAMTA3 作为正调控因子与CaM 结合参与调节植物对食草性昆虫的防卫反应[64–65]。JA 是植物体内的一种重要的信号分子，JA 介导的信号传导通路促进植物对食草昆虫的抵抗，虫咬会导致植物体内JA含量的增加，而sr1突变体经虫咬后体内的SA 含量增加而JA 水平降低[65]。sr1突变均降低了拟南芥对食草昆虫真菌蚊(Bradysia impatiens)和粉纹夜蛾(Trichoplusia ni)的抗性[64]。

CAMTA3 不仅参与调控植物的抗病虫害反应,在植物响应盐胁迫中也起到负调节的作用。当用100、150 mmol/L 的NaCl 处理camta3突变体时，2个突变体sr1-1和sr1-2均表现出了对盐胁迫的耐受性[66]。在种子萌发过程中，另一个耐盐性的负调控因子CAMTA6/SR3 直接或间接调控了大多数与盐胁迫有关的基因的表达，且其突变体camta6-4和camta6-5在盐胁迫下的发芽率也高于野生型[67]。在干旱条件下，相比于野生型，拟南芥camta1突变体表现出了生长缓慢，光合作用效率和水分利用率均降低等对干旱高敏感性的表型[68]。番茄的SlSR1L可能调控大量干旱胁迫应答基因的表达，沉默SlSR1L的番茄植株对干旱的耐受性下降[63]。最近,CAMTA3 也被证明可以正调控植物对干旱胁迫的应答，sr1-1和sr1-2缺失突变体对干旱的敏感性高于野生型，过表达的SR1株系SR1OX-4 和SR1OX-5在停止14 d 的干旱胁迫，复水后的存活率也高于野生型[11]。在拟南芥中，CBF 寒冷响应途径被证明可以调节植物对低温的耐受性，而CAMTA3 是CBF2表达的正调控因子，但camta3单突变体的耐冻性无显著变化，而camta3和camta1双突变体对低温的抗性显著降低，证明拟南芥的耐冷性依赖于CAMTA3和CAMTA1 的共同作用[69]。

3.2 IQ67 结构域(IQD)家族

IQD 家族是植物特有的CaMBP 家族，最早在水稻和拟南芥中发现[70]，分别有29 和33 个同源基因。该家族成员的特征是均含有1 个由67 个氨基酸残基组成的结构域，也称为IQ67 结构域[70]。该结构域不仅含有1 个IQ 基序，还具有2 个Ca2+依赖型的1-5-10 基序和1-8-14 基序[70]。故不同IQD结合CaM 的方式有所不同，AtIQD1 与CaM 的结合依赖Ca2+[71]，而AtIQD20 和AtIQD26 与CaM 的结合均不依赖Ca2+[72]。

硫代葡萄糖苷是一种参与调控植物防御反应的次生代谢物，拟南芥IQD1 可以调控多种硫代葡萄糖苷代谢基因的表达，作为正调控因子增加植物体内硫代葡萄糖苷的积累，从而促进植物对食草性昆虫的抗性[71]。最近研究表明，拟南芥IQD1 还参与了调控植物对病原菌的抗性，iqd1-1对灰霉菌的敏感性增加而超表达的植株对灰霉菌的抵抗性增加[73]。

在陆地棉(Gossypium hirsutum)GhIQD31和Gh-IQD32基因敲除植株中，抗氧化物酶SOD、CAT 活性降低，从而提高了陆地棉对干旱和盐胁迫的敏感性[74]。在大白菜(Brassica rapavar.glabra)中，利用VIGS 技术沉默BrIQD5基因，正常情况下的表型与野生型一样，但干旱处理10 d 后，沉默BrIQD5的植株出现了更严重的黄化和枯萎现象[75]。而在烟草瞬时超表达BrIQD5和BrIQD35植株均提高了对干旱的耐受性[75–76]。

3.3 IQ 基序(IQM)家族

在拟南芥IQM 家族中共有6 个成员(IQM1～IQM6)，N-端具有一段与豌豆重金属诱导蛋白6A (pea heavy-metal induced protein 6A,PHMIP 6A)同源性较高的序列，C-端与天花粉素具有较高的同源性,每个成员均含有1 个IQ 基序，与CaM 的结合不依赖Ca2+[77]。而IQM1 和IQM4 的IQ 基序发生突变后，均不能与CaM 结合[77–78]。同样地，水稻中的8个IQM 家族成员也均是通过IQ 基序结合OsCaM1，缺失则不能结合[79],证明IQ 基序是IQM 家族成员与CaM 结合所必需的。

有研究表明，AtIQM1 可以直接结合CATALASE2 (CAT2)并促进其表达，从而提高CAT2 活性和间接提高与JA途径相关的ACX2和ACX3活性,提高JA 的含量。并且当IQM1 与CaM5 结合后，CAT2活性会被进一步升高,证明IQM1 是在CaM 介导下通过与CAT2 的结合激活JA 介导的植物病害反应信号传导途径，从而提高拟南芥对灰霉菌的抗性[80]。棉花中的IQM1 在植物抗病性上表现出了相反的作用，接种黄萎病菌“V991”后20 d，GhIQM1沉默的植株出现叶片坏死黄化等表型显著轻于野生型[81],与SA 途径有关的NPR1、NPR3和PR5的表达量均提高，而与JA 途径有关的后AOC、AOS和PDF1.2表达均下降，证明GhIQM1基因通过激活JA 信号途径同时负调控SA 信号和棉花对黄痿病的抗性[81]。

在拟南芥中，IQM4 被证明可以调节植物对非生物胁迫的响应，iqm4在种子萌发和幼苗生长过程中均表现出ABA 不敏感和盐超敏感表型，而IQM4过表达株系则表现出ABA 和渗透超敏感和盐不敏感表型[78]。

3.4 环核苷酸门控通道(CNGC)家族

CNGCs 是一种由4 个亚基组成的非选择性阳离子通道，首个报道的CNGC基因是在大麦的糊粉蛋白cDNA 表达文库中筛选CaM 结合转运蛋白中鉴定出来的[82]。在拟南芥[83]、小麦[84]和大白菜[85]等植物也报道了CNGC的同源序列。从结构来看,CNGC 含有6 个ɑ-螺旋的跨膜结构域(S1～S6)，其中S5 和S6间存在1 个负责离子选择性过滤的P 结构域(P loop),CaMBD 位于CNGCs 的C 端，与位于C 末端的环核苷酸结合结构域(CNBD)有部分重叠[85]。此外，植物中的CNGCs 还存在1 个IQ 基序，部分AtCNGCs通过IQ 基序与CaM 结合，如AtCNGC12 的N 端还存在1 个CaMBD[83]，证明CaM 对CNGCs 调控可能存在多种方式。

当病原体入侵植物细胞时会引起细胞胞质内Ca2+浓度的改变，而CNGC 作为细胞信号转导级联系统的组分，一方面可以通过与环核苷酸结合参与调控激活Ca2+的内流，另一方面其通道活性被增多的Ca2+/CaM 反馈抑制，从而抑制Ca2+的内流[86]。同时植物在防御病原体侵染时会产生超敏反应，使被感染的细胞死亡,从而阻止病原体在植物体内继续扩散。cngc2和cngc4均产生了组成型激活自身免疫反应，与野生型相比，体内的SA 含量提高,PR的组成型表达，均提高了拟南芥对病原菌的抗性[97]。ATCNGC11和ATCNGC12的缺失导致拟南芥对灰霉菌和丁香假单胞杆菌无毒株系抵抗力降低，而由这2 个基因融合而成的功能突变体cpr22(constitutive expresser of PR gene 22)可以组成型表达PR基因,且表型与cngc2和cngc4一致，不同的是cpr22可以引发Ca2+依赖的超敏反应，且ATCNGC12过表达可以抑制该组成型免疫表型的产生[88–89]。而进一步研究表明CaM1 发挥功能依赖的是CNGC12 钙通道活性的激活而并非是CNGC11[90]。ngc20-4可以增强植物的ETI 效应子触发免疫(effector-triggered immunity)和PTI (PAMP-triggered immunity)反应,同时该单突变体也出现了自身免疫，但与cngc2的生长缺陷不一样，提示两者可能以不同方式调控Ca2+[91]。这证明CNGCs可以参与调控植物的免疫防御反应。

此外，CNGCs 还涉及调控植物对食草性昆虫的抗性。AtCNGC19 参与调控植物识别食草夜蛾并激活由其诱导产生的Ca2+内流，atcngc19中Ca2+内流减弱,茉莉酰基异亮氨酸含量、JA 响应基因的表达量和硫代葡萄糖苷积累量均降低，从而降低了拟南芥对食草性昆虫的抗性。CaM2 作为植物抗虫害的正调节因子，CNGC19 可以与其结合从而调控细胞内Ca2+浓度，并将其与下游防御信号耦合[92]。

拟南芥CNGC2 及其在小立碗藓(Physcomitrella patens)的同源蛋白PaCNGCb 被认为是陆地植物的热传感器，两者的缺失均会使植株产生超热敏表型，PaCNGCb 的缺失导致植物体内Ca2+内流，产生热休克反应[93]。cngc2-1 和cngc2-2的耐热性增强,幼苗中抗坏血酸过氧化物酶和热休克蛋白等热响应蛋白的积累增加[94]。而AtCNGC10、AtCNGC19和AtCNGC20都被证明参与调节拟南芥对盐胁迫的响应，在NaCl 处理下，atcngc10突变增强了种子萌发和幼苗时期的拟南芥耐盐性[95]；AtCNGC19和At-CNGC20在地上部的表达增强，cngc19和cngc20突变体植株和愈伤组织生长较迟缓，而过表达的AtCNGC19和AtCNGC20使植株和愈伤组织出现对盐的耐受性[96–97]。

3.5 肌球蛋白(Myosin)家族

肌球蛋白Myosins 是个十分庞大的家族，可分成37 类，与其他真核生物相比，在植物中的数量较少，只鉴定出VIII 和XI 两类植物特异性的肌球蛋白[98]。肌球蛋白的结构较为保守，由头、颈和尾三部分组成，颈部含有2 条轻链，其中包含1～6 个IQ 基序[100]。肌球蛋白作为一种分子马达，能将ATP水解产生的化学能转化为供生命活动所需的机械能，并能够沿着肌动蛋白丝运动。其已被报道的主要功能包括在细胞器运动、有丝分裂以及胞间连丝等起到重要作用[98]，其成员在植物抗逆方面的研究较少。拟南芥Myosins XI共有13个成员(XI-1、XI-2、XI-A～XI-K)，其中XI-2、XI-B 和XI-F 的IQ 基序可以轻链的形式与CaM 结合[99]。在病原体感染反应中，5 个肌球蛋白XI 基因(XI-1、XI-2、XI-H、XI-I、XI-K)在叶片的表达量较高，进一步构建单突和多突变体验证试验证明，四突变体xi-1、xi-2、xi-i、xi-k植株对渗透胁迫具有较高的抗性，用真菌病原体炭疽菌(Colletotrichum destructivum)侵染后，与野生型相比，四突变体植株的叶片出现了大量孢子萌发和菌丝的形成，表现出对病原体完全敏感的表型。提示拟南芥Myosins XI 是提高植物抗病性的关键调控因子[100]。

3.6 其他Ca2+不依赖型的钙调素结合蛋白

拟南芥中的AtBAG6 含有1 个BAG (BCL-2-associated athanogene)结构域与IQ 基序，与CaM 结合不依赖游离的Ca2+。编码该蛋白的基因转录是由SA、H2O2和高温特异性诱导。过表达AtBAG6基因会使酵母和植物细胞产生类似于超敏反应的程序性死亡，且IQ 基序是该蛋白诱导酵母细胞死亡所必需的，证明AtBAG6 是一个参与调控植物抗逆和细胞程序性死亡的CaMBP[13]。

4 展望

CaM/CML 是目前研究最广泛的Ca2+效应器之一，它能够通过与下游CaMBPs 相互作用来参与调控植物的各种生理活动，尤其是在对逆境胁迫的响应中发挥重要功能。尽管目前已经鉴定了大量参与植物逆境响应的CaMBP，但仍存在一些有待解决的问题。首先，鉴定新的CaMBP 是当前最重要的任务之一，不仅包括经典的CaM 靶蛋白，还有目前研究较少的CML 家族调控的靶蛋白。综合应用多种方法对CaMBP 进行筛选将会扩展对植物Ca2+信号调控网络的认识；其次，需要确定CaMBP 在参与调节下游信号转导途径时是否受到了CaM/CML的调控，在植物抗逆过程中，CAMTA3、CBP60b和CBP60g 等CaMBPs 与CaM 的结合是它们发挥调控免疫功能所必需的，其他的CaMBPs 在植物免疫中的作用是否同样也依赖于CaM 有待进一步研究;第三，需要了解CaM/CML 及其相对应的CaMBPs调节植物抗逆的复杂性，如CAMTA3、CBP60b 和CNGCs 等家族成员在调控植物抗逆中被证明不只是单个CaMBP 发挥作用，而是家族成员之间存在拮抗作用或者形成复合物从而共同调节,且不同家族成员之间，例如在拟南芥响应病原菌时CAMTA3对CBP60g 和S4RD1 存在抑制作用，提示CaMBPs之间的作用也有利于完善对植物响应抗逆机制的研究。虽然目前已经研究了部分CaMBPs 参与调控特定植物的抗逆反应，但将这些CaMBPs 用于培育抗逆作物的工作才刚刚开始，因此可利用分子标记辅助育种、基因编辑等技术将现有研究成果应用到作物栽培中，从而获得各种抗逆的品种。