蛋白質(zhì)逆向磷酸化調(diào)控植物細(xì)胞離子跨膜運(yùn)動研究進(jìn)展

蛋白質(zhì)逆向磷酸化調(diào)控植物細(xì)胞離子跨膜運(yùn)動研究進(jìn)展

無機(jī)離子對植物細(xì)胞的生理影響重要，如酶的活性、作為細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組成部分、調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)離子的平衡以及儒家的呼吸運(yùn)動。在植物正常的發(fā)育過程中以及感受外界刺激如光、溫度、生物脅迫、非生物脅迫等反應(yīng)中,眾多的細(xì)胞生理過程都與細(xì)胞質(zhì)中K+、Cl-、Ca2+等離子濃度及其變化有關(guān),特別是Ca2+,它是植物細(xì)胞中公認(rèn)的第二信使,處于多種胞內(nèi)信號途徑的中心地位。細(xì)胞中蛋白質(zhì)可逆磷酸化(reversibleproteinphosphorylation)即蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化是調(diào)節(jié)酶活性的兩個(gè)主要翻譯后反應(yīng),是細(xì)胞內(nèi)普遍存在的、受蛋白激酶(proteinkinases)和蛋白磷酸酶(proteinphosphotases)調(diào)節(jié)的一種共價(jià)修飾的生理調(diào)節(jié)反應(yīng)。蛋白激酶和蛋白磷酸酶對翻譯后蛋白質(zhì)絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸殘基的修飾,是許多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要組分,并調(diào)節(jié)信號因子之間的相互及交聯(lián)作用。蛋白激酶催化的磷酸化反應(yīng)是將磷酸基團(tuán)由ATP的λ位磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)中羥基氨基酸的側(cè)鏈上,并且這種磷酸化是可逆的,即蛋白質(zhì)中羥基氨基酸的側(cè)鏈上的磷酸基團(tuán)可由蛋白磷酸酶水解下來。分子遺傳學(xué)和生物化學(xué)研究證明,蛋白磷酸酶并不是簡單的蛋白激酶的逆反應(yīng),而是在細(xì)胞活動,例如信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、激素調(diào)節(jié)、有絲分裂、碳和氮代謝控制等多種生理過程中都起著與蛋白激酶同等重要的調(diào)節(jié)作用。蛋白質(zhì)可逆磷酸化是多種信號因子如光、病原物侵染、激素等轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的組成因素。蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中對離子通道活性的調(diào)節(jié)作用在動物上已有較多的報(bào)道,而在植物材料上還未有系統(tǒng)研究。近年來,越來越多的蛋白激酶和蛋白磷酸酶在植物中被鑒定出來,研究表明,蛋白質(zhì)可逆磷酸化對植物細(xì)胞存在同樣的調(diào)節(jié)機(jī)制,蛋白質(zhì)可逆磷酸化在植物的防御機(jī)制、信號傳導(dǎo)和新陳代謝中起著極其重要的作用。1細(xì)胞外在信號因子在生物或非生物逆境下,植物細(xì)胞會引起一系列的生理適應(yīng)反應(yīng)或抗逆反應(yīng)。逆境脅迫激發(fā)植物細(xì)胞胞質(zhì)Ca2+瞬變(cytosolicCa2+transients)是一種普遍的生理反應(yīng),并作為信號因子,使細(xì)胞獲得對同一脅迫的耐性或抗性。例如冷脅迫、低滲、病原物侵染、激發(fā)子均會刺激胞外的Ca2+內(nèi)流、胞內(nèi)Ca2+庫釋放或雙相Ca2+瞬變。Trewavas和Malhue7b2研究認(rèn)為,受離子通道(ionchannels)活性調(diào)節(jié)的Ca2+流動產(chǎn)生的特征性變化如Ca2+波(Ca2+waves)是植物細(xì)胞活動中重要的信號形式,可以在細(xì)胞與細(xì)胞之間傳遞,促使細(xì)胞快速響應(yīng)外界刺激。近幾年,有資料證明蛋白激酶和蛋白磷酸酶參與了逆境下植物細(xì)胞Ca2+跨膜運(yùn)動。1.1對懸浮細(xì)胞的誘導(dǎo)用亞毒濃度(subtoxicconcentrations)的毛地黃皂苷(saponindigitonin)、兩性霉素B(amphotericinB)和丁香霉素(syringomyxin)處理長春花[Catharanthusroseus(L.)G.Don]懸浮細(xì)胞,可引起胞外Ca2+內(nèi)流(Ca2+influx),隨后引發(fā)Ca2+依賴性的細(xì)胞快速防衛(wèi)反應(yīng)及胼胝質(zhì)的合成;當(dāng)用PP1和PP2A蛋白磷酸酶專一性抑制劑岡田酸(okadaicacid)預(yù)處理,能夠抑制上述試劑誘導(dǎo)的懸浮細(xì)胞對Ca2+的吸收,使細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度降低到對照水平,由此表明,上述毒素引發(fā)的細(xì)胞反應(yīng)并不是由于非特異性的質(zhì)膜透性損傷引起,而可能與蛋白質(zhì)可逆磷酸化調(diào)控的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性的變化有關(guān)。該研究說明毛地黃皂苷等毒素處理長春花懸浮細(xì)胞,首先引起細(xì)胞中PP1和PP2A蛋白磷酸酶活性增加,使細(xì)胞中某種(些)蛋白質(zhì)(例如離子通道蛋白)去磷酸化,誘導(dǎo)細(xì)胞胞外Ca2+內(nèi)流,進(jìn)而激發(fā)細(xì)胞產(chǎn)生防衛(wèi)反應(yīng)。最近,Kong和Lin等研究表明,蛋白質(zhì)可逆磷酸化調(diào)控的Ca2+動態(tài)變化參與頂端花粉管壁胼胝質(zhì)的合成。1.2ca2+通道活性的調(diào)節(jié)作用當(dāng)真菌、細(xì)菌、病毒等病原物通過降解植物細(xì)胞壁而進(jìn)入植物細(xì)胞時(shí),植物細(xì)胞能夠識別病原信號,即激發(fā)子,激發(fā)子誘發(fā)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)誘導(dǎo)植物細(xì)胞抗病基因的表達(dá),從而抵抗病原物的侵襲。隱地蛋白(cryptogein)是一種從隱地疫霉(PhytophthoracryptogeaPethy-br.etLaff.)中提取的蛋白類激發(fā)子,能誘導(dǎo)植物細(xì)胞防衛(wèi)反應(yīng)。用cryptogein處理煙草(NicotianatabacumL.)細(xì)胞,刺激細(xì)胞產(chǎn)生生理響應(yīng),在此刺激—響應(yīng)信號途徑中發(fā)生蛋白質(zhì)磷酸化,并刺激胞外Ca2+內(nèi)流和K+釋放,但這一過程受蛋白激酶抑制劑星孢菌素(staurosporine)的高度抑制。PP1和PP2A蛋白磷酸酶專一性抑制劑花萼海綿誘癌素(calyculinA)可以模擬cryptogein的生理作用,激發(fā)煙草細(xì)胞產(chǎn)生多種生理反應(yīng),可引起細(xì)胞Ca2+內(nèi)流,胞外堿化(extracellularalkalinization),產(chǎn)生活性氧種類(activeoxygenspecies);但同是蛋白磷酸酶PP1和PP2A專一性抑制劑的okadaicacid并未引起Ca2+的動態(tài)變化,可能是calyculinA和okadaicacid對不同種類的PP1和PP2A具有不同的選擇性,因而對Ca2+通道活性的調(diào)節(jié)作用也不同。外生菌根真菌大毒滑銹傘[Hebelomacrustuliniforme(Bull.exFries.)Quél]產(chǎn)生的N-乙酰葡糖胺寡聚體(N-acetyglucosamineoligomer)為云杉[Piceaabies(L.)Karst.]細(xì)胞激發(fā)子,可迅速誘導(dǎo)云杉懸浮培養(yǎng)細(xì)胞產(chǎn)生以下反應(yīng):胞內(nèi)Cl-和K+外流;胞外Ca2+內(nèi)流;一個(gè)63kDa蛋白質(zhì)的磷酸化和一個(gè)65kDa蛋白質(zhì)的去磷酸化;胞外堿化以及H2O2的合成。同N-乙酰葡糖胺寡聚體作用相似,2種蛋白磷酸酶抑制劑cantharidin、caliculinA也可引起云杉細(xì)胞向培養(yǎng)介質(zhì)釋放Cl-、K+以及培養(yǎng)介質(zhì)的堿化;而蛋白激酶抑制劑staurosporine抑制N-乙酰葡糖胺寡聚體和cantharidin、caliculinA誘導(dǎo)的所有上述反應(yīng)。N-乙酰葡糖胺寡聚體與cryptogein誘導(dǎo)的植物細(xì)胞防衛(wèi)反應(yīng)異常相似。由此說明云杉細(xì)胞對激發(fā)子的防衛(wèi)反應(yīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)生蛋白質(zhì)磷酸化,某種(些)蛋白質(zhì)磷酸化促使細(xì)胞Cl-、K+和Ca2+跨膜運(yùn)動。病原物入侵激發(fā)寄主植物細(xì)胞多種防衛(wèi)反應(yīng),受細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca2+水平的振蕩調(diào)節(jié),而胞內(nèi)Ca2+振蕩又受寄主植物細(xì)胞膜上Ca2+通道的調(diào)節(jié)。Gelli等用全細(xì)胞單通道膜片鉗技術(shù)(wholecellandsingle-channelpatch-clamptechniques)研究發(fā)現(xiàn),從被葉霉菌(Cladosporiumfulvum)侵染的番茄(LycopersiconesculentumL.)葉片中提取的種類特異性真菌激發(fā)子IF4可引起番茄細(xì)胞質(zhì)膜Ca2+通道的激活和胞質(zhì)[Ca2+]cyt的增加,進(jìn)而激活植物防衛(wèi)反應(yīng),控制細(xì)胞的死亡進(jìn)程。當(dāng)用IF4侵染番茄細(xì)胞的同時(shí),加入蛋白激酶抑制劑HA1004和staurosporine,會完全消除Ca2+通道活性;而用蛋白磷酸酶抑制劑okadaicacid處理,會適當(dāng)提高Ca2+通道活性。以上說明IF4首先提高細(xì)胞蛋白激酶活性,進(jìn)而激活寄主細(xì)胞質(zhì)膜Ca2+通道活性,誘導(dǎo)Ca2+內(nèi)流。α-1,4-oligogalacturonides(OGs)是植物細(xì)胞壁中的果膠片段,也是植物細(xì)胞中的信號因子,誘導(dǎo)細(xì)胞中一系列生理過程的變化。Navazio等將水母發(fā)光蛋白導(dǎo)入大豆(GlycinemaxL.)細(xì)胞,分析不同聚合程度的OGs能引起細(xì)胞[Ca2+]cyt的瞬時(shí)增加,并顯示不同的Ca2+動力學(xué)變化。藥理學(xué)研究進(jìn)一步證明,Ca2+濃度增加是OGs激活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的早期事件,然而用蛋白激酶抑制劑4,5,6,7-tetrabromobenzotriazole(TBB)處理可以消除Ca2+濃度的瞬時(shí)增加表明,蛋白質(zhì)可逆磷酸化于上游調(diào)控胞外Ca2+內(nèi)流。用4種活性氧迸發(fā)(oxidativeburst)激發(fā)子——真菌[Verticiliumdahlia(V.d)]提取物、過敏蛋白(harpin)、寡聚半乳糖醛酸(oligogalacturonicacid)、高滲脅迫處理煙草細(xì)胞,引起細(xì)胞中H2O2的迸發(fā)(burst),同時(shí)伴隨Ca2+的內(nèi)流。當(dāng)用蛋白激酶抑制劑k252a、staurosporine處理會抑制煙草細(xì)胞Ca2+流動以及H2O2迸發(fā),以上表明,蛋白激酶在上游調(diào)控Ca2+內(nèi)流和H2O2迸發(fā)。關(guān)于蛋白質(zhì)可逆磷酸化參與激發(fā)子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的報(bào)道較少,但藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明蛋白質(zhì)可逆磷酸化可能在激發(fā)子誘導(dǎo)的防御反應(yīng)中起重要作用。上述研究表明,植物細(xì)胞激發(fā)子首先使細(xì)胞蛋白質(zhì)磷酸化狀態(tài)發(fā)生改變,繼而激發(fā)Ca2+等離子跨膜運(yùn)動,由此產(chǎn)生的Ca2+特征性變化可能作為下游信號因子誘發(fā)植物細(xì)胞對生物逆境產(chǎn)生響應(yīng)。2調(diào)節(jié)離子膜運(yùn)動和空氣運(yùn)動2.1calc.3免疫活性的變化氣孔開度是由保衛(wèi)細(xì)胞的膨壓控制的,一系列離子通道調(diào)節(jié)離子的細(xì)胞內(nèi)外流動,進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的膨壓。在氣孔關(guān)閉過程中,ABA與一種未知的保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞內(nèi)的受體相結(jié)合,抑制內(nèi)流型的K+通道,增加外流型的K+通道的離子通道閘門傳導(dǎo),使細(xì)胞[Ca2+]cyt升高,最終引起氣孔的關(guān)閉。Li等利用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)測定,發(fā)現(xiàn)用納摩爾濃度(nanomolarconcentrations)的okadaicacid和calyculinA處理蠶豆(ViciafabaL.)保衛(wèi)細(xì)胞,其K+內(nèi)流(K+influx)受到抑制,而K+外流(K+efflux)不受影響。但同樣濃度的okadaicacid和calyculinA會引起蠶豆葉肉細(xì)胞中K+的大量外流,說明蛋白磷酸酶PP1和PP2A在調(diào)節(jié)蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞和葉肉細(xì)胞K+通道活性中起著不同的生理作用。calcineurin是一種重要的Ser/Thr蛋白磷酸酶,其活性依賴于Ca2+和鈣調(diào)蛋白(calmodulin)。Luan等用calcineurin高度特異性抑制劑cyclophilin-cyclosporinA和FK506-結(jié)合蛋白-FK506復(fù)合物(FK506-bindingprotein-FK506complexes)處理蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞原生質(zhì)體,應(yīng)用膜片鉗技術(shù)檢測發(fā)現(xiàn),calcineurin抑制劑可抑制Ca2+對K+通道活性(K+-channelactivity)的鈍化(inactivation),同時(shí)鑒定出組成型calcineurin片段抑制K+通道活性。okadaicacid(1μmol/L)可抑制蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞K+的內(nèi)向和外向通道(inwardandoutwardK+channels)活性。類calcineurin蛋白(calcineurinB-likeproteins,CBLs)是鈣離子信號中的傳感蛋白,可在體內(nèi)將與其交互作用的蛋白激酶(CBL-interactingproteinkinases,CIPKs)定位到細(xì)胞質(zhì)膜,二者相互作用才能將信號向下游傳遞。在干旱條件下,位于質(zhì)膜的CBL1-CBL9-CIPK23復(fù)合物共同調(diào)節(jié)擬南芥氣孔保衛(wèi)細(xì)胞與根細(xì)胞中的K+運(yùn)轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動,提高植物抗旱性。Armstrong等研究發(fā)現(xiàn),ABA誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉信號過程中ABI1-1基因的擬南芥abi1-1突變體使保衛(wèi)細(xì)胞中對脫落酸敏感的K+通道活性受到抑制,表明這一誘導(dǎo)過程可能有ABI1-1基因編碼一種蛋白磷酸酶的參與,并且涉及到保衛(wèi)細(xì)胞K+通道的開放。以上說明PP1、PP2A、calcineurin等蛋白磷酸酶催化的蛋白質(zhì)去磷酸化調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞K+離子通道活性,進(jìn)而調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉或開放。另外,CDPKs(calcium-dependentproteinkinases)是在植物中首先發(fā)現(xiàn)的一種鈣依賴型蛋白激酶,屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是鈣信號的主要效應(yīng)器之一。Li等對蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)研究表明,一種57kDa的CDPK可以使內(nèi)流型K+通道蛋白KAT1磷酸化,從而參與氣孔開度(stomatalaperture)的調(diào)節(jié),這一過程是Ca2+依賴性的。隨后,Wang和Wu同樣對蠶豆研究發(fā)現(xiàn),CDPKs能夠調(diào)控蠶豆保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜K+通道活性及K+跨膜運(yùn)動;他們認(rèn)為,CDPKs可能通過對保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)向K+通道的調(diào)節(jié)介導(dǎo)了ABA調(diào)控氣孔運(yùn)動的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。以上研究表明CDPKs是氣孔運(yùn)動過程ABA信號通路中重要的組成成分,其作用之一是調(diào)節(jié)K+離子通道活性。2.2aba信號途徑的調(diào)控氣孔運(yùn)動涉及到保衛(wèi)細(xì)胞中ABA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,而[Ca2+]cyt升高([Ca2+]cytelevations)是此信號途徑中重要的信號因子。研究表明,擬南芥PP2C蛋白磷酸酶abi1、abi2突變體對ABA信號途徑不敏感,可明顯降低擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞中由ABA誘導(dǎo)的[Ca2+]cyt升高。ABA可以激活保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道(anionchannels)活性,而突變體保衛(wèi)細(xì)胞中由ABA激活的陰離子流的損傷可以由增加[Ca2+]cyt來彌補(bǔ),胞外Ca2+可以增加[Ca2+]cyt,而使abi1、abi2突變體氣孔的關(guān)閉程度和野生型相同,暗示蛋白磷酸酶在ABA誘導(dǎo)的[Ca2+]cyt升高中起重要作用,是ABA信號途徑的正調(diào)控因子(圖1)。最近的一項(xiàng)研究表明,胞內(nèi)Ca2+釋放是調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞NO依賴性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要因子,而Ca2+的釋放又是由蛋白質(zhì)可逆磷酸化調(diào)控的。另外,Allen和Sanders研究發(fā)現(xiàn),一種Ser/Thr蛋白磷酸酶(PP2B)可以調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞液泡膜上Ca2+可透過的(Ca2+-permeable)慢速液泡(slowvacuolar,SV)離子通道,當(dāng)在低濃度時(shí),PP2B激活此通道,而在高濃度時(shí)抑制此通道。Bethke和Jones認(rèn)為,蛋白質(zhì)磷酸化降低SV通道活性,從而抑制Ca2+跨膜運(yùn)動。2.3aba對保護(hù)細(xì)胞陰離子通道活性的影響保衛(wèi)細(xì)胞質(zhì)膜上另一類重要的離子通道是陰離子通道,它們在氣孔運(yùn)動上起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用,受到蛋白激酶抑制劑的阻遏,而陰離子通道活性是氣孔關(guān)閉的限速因素。Pei等利用膜片鉗技術(shù)研究證明,ABA對擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道具有強(qiáng)烈的激活作用,促進(jìn)氣孔關(guān)閉。然而ABA不能激活擬南芥abi1-1和abi2-1突變體保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道活性;okadaicacid阻遏ABA對保衛(wèi)細(xì)胞陰離子通道的激活。由此說明,ABA調(diào)控氣孔關(guān)閉的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中蛋白質(zhì)的磷酸化是一個(gè)關(guān)鍵步驟,蛋白質(zhì)磷酸化/去磷酸化事件位于ABA信號途徑的下游,通過改變蛋白質(zhì)磷酸化狀態(tài)來調(diào)節(jié)陰離子通道活性和氣孔運(yùn)動。將蛋白質(zhì)可逆磷酸化對離子跨膜運(yùn)動以及氣孔運(yùn)動的機(jī)理簡要概括如圖1(略加修改)。3對鹽脅迫的調(diào)整蛋白磷酸酶對Na+、K+、Li+、Mn2+、Ca2+等離子運(yùn)動具有重要的調(diào)節(jié)作用。Ppz是一類Ser/Thr蛋白磷酸酶,在酵母中是Na+、K+、pH穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子,調(diào)節(jié)酵母的鹽耐性,是酵母細(xì)胞耐鹽性的重要的決定因子。Ppz1控制裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)細(xì)胞Na+內(nèi)流以及K+外流,因而提高了酵母耐Na+能力。SIT4是另一類Ser/Thr蛋白磷酸酶,調(diào)節(jié)酵母單價(jià)離子的穩(wěn)態(tài)及酵母的耐鹽性。calcineurin是研究較多的通過調(diào)節(jié)K+、Na+的穩(wěn)態(tài)而提高植物抗鹽性的Ser/Thr蛋白磷酸酶家族成員,參與多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo),有一個(gè)催化亞基(CAN)和一個(gè)調(diào)節(jié)亞基(CNB)。在酵母中,calcineurin是抗鹽脅迫信號途徑的組成因子,它通過控制Na+內(nèi)流和促進(jìn)Na+外流而提高酵母對NaCl的抗性或耐性。Pardo等將酵母calcineurin的部分催化亞基和調(diào)節(jié)亞基轉(zhuǎn)入煙草,使它們在煙草中共同表達(dá),在體內(nèi)產(chǎn)生組成型激活的磷酸酶活性,結(jié)果顯示,煙草表現(xiàn)出較高的耐鹽性,且根部比地上部表現(xiàn)了更高的抗鹽性。同時(shí)也說明CNB在表現(xiàn)抗鹽性上起主導(dǎo)作用。將NaCl脅迫下存活的未轉(zhuǎn)基因的煙草枝條(shoot)嫁接到轉(zhuǎn)基因植株的根上,枝條存活率大大提高。在酵母細(xì)胞中,激活的calcineurin通過調(diào)節(jié)主要的K+吸收系統(tǒng),限制Na+內(nèi)流,或加強(qiáng)ENA1(編碼一種將定位于質(zhì)膜上的P型ATPase,和Na+外排有關(guān))表達(dá),增強(qiáng)Na+外流來提高耐鹽性。Ma等將小鼠calcineurin催化亞基CAN基因轉(zhuǎn)入水稻,和野生型植株相比,轉(zhuǎn)基因水稻在鹽脅迫下其根中積累了較少量的Na+,顯著提高了轉(zhuǎn)基因植株的抗鹽能力。因此,同酵母相似,植物細(xì)胞中鹽適應(yīng)調(diào)節(jié)級聯(lián)途徑之一是控制細(xì)胞生化生理過程來共同調(diào)節(jié)K+、Na+的運(yùn)輸,提高K+/Na+比以及離子穩(wěn)態(tài)(ionhomeostasis)。Kong等在研究酸模(Rumexpatientia×R.tianshanicus)抗鹽機(jī)理時(shí)提出,較高的K+/Na+比和離子穩(wěn)態(tài)是評價(jià)植物抗鹽能力的重要指標(biāo)。SOS3(saltoverlysensitive3)是近年來發(fā)現(xiàn)的一類鈣調(diào)磷酸酶調(diào)節(jié)亞基(CNB)的類似物,也是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)能維持胞內(nèi)K+、Na+穩(wěn)態(tài)并與植物抗鹽性相關(guān)的蛋白。擬南芥SOS3位點(diǎn)編碼一種Ca2+結(jié)合蛋白,同calcineurin的調(diào)節(jié)亞基CNB序列相似。高濃度的NaCl或LiCl使sos3突變擬南芥根的伸長減小,生長受到抑制。由于擬南芥sos3突變體的Na+外排大大降低,而內(nèi)流和野生型沒有差異,從而表現(xiàn)出對鹽脅迫的過敏感,而表現(xiàn)出耐鹽性的差異。SOS2是一類Ser/Thr蛋白激酶,屬于SNF1/AMPK家族;SOS3可以激活SOS2蛋白激酶活性,二者相互作用,通過調(diào)節(jié)離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)來降低細(xì)胞質(zhì)中Na+含量,維持細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài),提高植物耐鹽性。在生長發(fā)育過程中,植物要經(jīng)歷多種生物與非生物逆境,如干旱、滲透脅迫、鹽脅迫、病原菌侵襲等。在逆境下,植物細(xì)胞蛋白質(zhì)磷酸化和蛋白質(zhì)去磷酸化可以作為胞內(nèi)第二信使的下游信號因子,調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞器膜上的離子通道活性,誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生防衛(wèi)反應(yīng)或提高細(xì)胞抗?jié)B透、抗離子脅迫能力。4胞外ca2+內(nèi)流的變化已經(jīng)證明,動物細(xì)胞可以將內(nèi)部區(qū)室(internalcompartments)Ca2+狀況傳遞到胞外Ca2+庫;當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+的釋放增強(qiáng)而產(chǎn)生的Ca2+衰竭信息將誘導(dǎo)胞外Ca2+通過質(zhì)膜流入胞內(nèi),然后進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。這一過程的活動機(jī)制目前還不清楚,一般認(rèn)為,某種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白肯定能夠感受Ca2+水平,當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+水平下降時(shí),將信號傳遞到質(zhì)膜從而啟動Ca2+內(nèi)流。Cessna等研究認(rèn)為,胞內(nèi)Ca2+狀況與胞外Ca2+狀況的信息傳遞是相互的,這種猜測已在植物細(xì)胞中得到了證實(shí)。低溫或低滲脅迫可誘導(dǎo)的煙草(NicotianatabacumL.cv.Wisconsin-38)懸浮培養(yǎng)細(xì)胞胞外Ca2+內(nèi)流,當(dāng)用EGTA等Ca2+螯合劑螯合細(xì)胞培養(yǎng)介質(zhì)中的Ca2+,可抑制上述脅迫誘導(dǎo)的胞外Ca2+內(nèi)流,從而刺激細(xì)胞器Ca2+的釋放增強(qiáng)。后續(xù)的研究證明,用蛋白激酶抑制劑K252a、staurosporine和陰離子通道抑制劑niflumate、anthracene-9-carboxylate處理煙草懸浮培養(yǎng)細(xì)胞,細(xì)胞器Ca2+的釋放受到抑制,表明蛋白激酶促進(jìn)細(xì)胞器Ca2+跨膜釋放到胞質(zhì)中,這一過程還需要陰離子通道的開放。細(xì)胞器如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等能夠貯存一定量的Ca2+,以應(yīng)對細(xì)胞快速生長或不良環(huán)境引起的Ca2+匱乏。而當(dāng)細(xì)胞器中Ca2+消耗殆盡,胞外Ca2+充足時(shí),Ca2+又可以通過細(xì)胞質(zhì)膜、細(xì)胞器膜進(jìn)入細(xì)胞器。這一系列過程需要信號因子將信息內(nèi)外傳遞,蛋白質(zhì)可逆磷酸化就是其信號通路中組成因子之一。蛋白激酶/蛋白磷酸酶調(diào)節(jié)離子通道活性的另一條途徑可能是通過調(diào)節(jié)離子通道蛋白磷酸化狀態(tài)。5蛋白質(zhì)可逆磷酸化通過調(diào)控花粉管誘導(dǎo)花粉管生長是一種典型的極性生長,其功能是將雄配子輸送到胚囊,與卵子結(jié)合進(jìn)行受精。在花粉管從柱頭到卵子的曲折生長過程中,其生長方向會經(jīng)常變化,這種變化可能涉及到一些物理、化學(xué)或電信號。其中花粉管頂端胞質(zhì)內(nèi)自由Ca2+離子梯度的動態(tài)變化在花粉管生長中起著重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。Kong等利用Ca2+探針Fluo-3/AM標(biāo)記裸子植物青杄(PiceawilsoniiMast.)花粉管,在激光掃描共聚焦顯微鏡(Laserscanningconfocalmicroscope,LSCM)下觀察發(fā)現(xiàn),生長中的花粉管頂端Ca2+梯度以及動態(tài)變化受蛋白磷酸酶PP1和PP2A的調(diào)節(jié);PP1和PP2A對青杄花粉管生長中的作用是通過調(diào)節(jié)青杄花粉管胞外Ca2+的內(nèi)流以及細(xì)胞內(nèi)Ca2+動態(tài)變化、Ca2+梯度的建立而調(diào)控花粉管胞吞/胞吐作用以及細(xì)胞壁的構(gòu)建。Moutinho等用共聚焦比例成像(Confocalratioimaging)檢測花粉管蛋白激酶活性,發(fā)現(xiàn)生長中的花粉管中蛋白激酶活性與Ca2+動態(tài)變化、花粉管的生長方向高度相關(guān),他認(rèn)為花粉管頂端的蛋白激酶活性梯度促進(jìn)Ca2+調(diào)節(jié)的高爾基體的囊泡分泌,并可能調(diào)節(jié)Ca2+通道活性。以上研究結(jié)果表明,花粉管生長中再定向的機(jī)制可能是:(1)由蛋白激酶和蛋白磷酸酶共同調(diào)節(jié)花粉管頂端的Ca2+通道活性;(2)Ca2+通道活性的變化使花粉管頂端Ca2+產(chǎn)生特征性信號如鈣振蕩(Ca2+oscillations)、鈣波等;(3)Ca2+特征性信號調(diào)節(jié)引起囊泡分泌的變化與花粉管壁的構(gòu)建。然而,目前對蛋白質(zhì)可逆磷酸化如何調(diào)控花粉管頂端Ca2+梯度(Ca2+gradients)的建立以及如何確定胞外Ca2+內(nèi)流的位點(diǎn)及內(nèi)流速率還未見報(bào)道。有研究表明,胞外鈣調(diào)素(extracellularCaM)調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜超極化,超極化激活Ca2+通道(hyperpolarization-activatedCa2+-permeablechannel)活性,促使Ca2+內(nèi)流。林金星實(shí)驗(yàn)室利用多克隆抗體進(jìn)行免疫定位發(fā)現(xiàn),異源三聚體G蛋白α亞基(heterotrimericGproteinα-subunit)在白皮松(PinusbungeanaZucc.)花粉管頂端細(xì)胞質(zhì)膜上含量豐富,生長中的花粉管正是在此位點(diǎn)發(fā)生Ca2+跨膜