非生物胁迫下植物中CBL—CIPK信号通路研究进展

李洋 李晓薇 徐赫韩

摘 要：植物在外界胁迫环境中能够生存得益于它们对胁迫的快速应答和体内复杂的调控机制。钙调磷酸酶B样蛋白（CBL）和CBL相互作用蛋白激酶（CIPK）信号通路是一类灵敏的Ca2+信号传导网络。在众多植物中都已经鉴定出了编码CBL和CIPK的基因。本文將围绕CBL/CIPK基因的表达模式和功能，非生物胁迫下植物CBL和CIPK调控网络上最新的研究发现进行综述，以期为抗逆育种提供新思路。

关键词：钙调磷酸酶B样蛋白；CBL相互作用蛋白激酶；非生物胁迫；信号通路

中图分类号：S-03 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180631003

CBL-CIPK信号通路参与了高盐、干旱、低温，高PH和低钾离子等非生物胁迫。类钙调磷酸酶B样蛋白（Calcineurin B like protein，CBL）和丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（CBL interacting protein kinase）都有大量的基因家族成员，每个成员编码特定的上游或下游靶蛋白，从而使植物具有应对外界胁迫的能力。对CBL和CIPK突变体的研究表明当植物在遭受干旱、盐碱、低温、高温的胁迫时CBL和CIPK对植物生长至关重要。许多CBL和CIPK已经证明参与植物的离子运输，它们限制了有毒离子输送到组织，使植物最大程度地从土壤中吸收营养物质。不同胁迫下CBL-CIPK系统的响应具有多样性，特异性和复杂性。

1 CBL与CIPK蛋白的结构与功能特点

1.1 CBL蛋白结构与功能特点

CBL蛋白最早在拟南芥中分离得到。该蛋白和动物体内的钙调神经磷酸酶（Calcineurin B，CNB）及酵母中神经元钙感应器（Neuronal Calcium Sensors ，NCS）的B亚基具有高度相似性[1]。CBL蛋白含有4个EF手性结构（EF-hands），4个EF手性的间距是不变的，从EF1到EF4依次相距22，25和32个氨基酸距离[2]。每个EF手性结构都含有负责与Ca2+结合的保守的螺旋-环-螺旋结构[3]。环区域的特征是含有12个氨基酸残基DKDGDGKIDFEE的共有序列[4]。1（X），3（Y），5（Z），7（-X），9（-Y）和12（-Z）位置的氨基酸负责与Ca2+结合。EF1在X和Y位置处插入2个氨基酸残基。这些位置结构的变化随之产生与Ca2+结合的亲和力变化[5]。CBL蛋白可以根据其N-末端结构域进一步分为2个主要亚组。第1组由CBL1，CBL4，CBL5，CBL8和CBL9组成，N末端结构域，含有43～48个氨基酸， N-末端发生豆蔻酰化。第2组由蛋白质CBL2，CBL3，CBL6，CBL7和CBL10组成，具有延伸的N-末端结构域，类似来自NCS组的K+通道互作蛋白（K+ Channel Interaction Proteins，KChIP），不含有可辨别的脂质修饰基序。在第2个亚组CBL10具有非常长的N端结构，延伸形成潜在的单跨膜结构域，对CBL10的定位非常重要[6]。

1.2 CIPK蛋白结构与功能特点

根据结构特征CIPKs被归类为蔗糖非发酵-1-相关激酶（Sucrose non-fermenting 1，SNF1 ）也称为SnRK3蛋白。CIPK蛋白由2个结构域组成：保守的N末端丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶催化结构域，有可以磷酸化的激活环，激活环中氨基酸磷酸化使激酶激活，与其它植物蛋白激酶中发现的N末端激酶结构域类似；FISL基序（也称为NAF）和PPI基序组成的C末端调节结构域，由高度保守的氨基酸Asn（N），Ala（A），Phe（F），Ile（I），Ser（S）和Leu（L）组成的NAF基序是结合CBL蛋白所必须的，NAF基序与CIPK的C末端调节结构域结合以覆盖其激活环，而使激酶处于自身抑制状态[7]。PPI基序是与磷酸酶相互作用的具有自我抑制作用。

2 CBL-CIPK途径的分子机制

CBL-CIPK复合物在对外界胁迫中起非常重要的作用。CIPK蛋白通过磷酸化N末端保守的丝氨酸残基来实现它们与CBL蛋白的相互作用，CIPK基因家族在拟南芥，水稻，玉米，和甘蓝型油菜中都证实了这一功能[8]。CBL-CIPK途径在调节钠离子（Na+）[9]，钾离子（K+），镁离子（Mg2+），硝酸盐离子（NO3-）和质子（H+）稳态，以及调节离子运输系统方面也有重要作用[10]。

CBL和CIPK蛋白的结构特征为它们的相互作用提供了基础。CBL蛋白中EF手性排列的差异导致在胁迫下CBL-CIPK复合物对钙亲和力不同。盐敏感（ Salt Overly Sensitive，SOS）途径是第1个被鉴别出的CBL-CIPK网络，包含SOS3 类类钙调磷酸酶B蛋白CBL4和SOS2类蛋白激酶CIPK型激酶CIPK24。CBL4-CIPK24/S0S3-S0S2复合物定位到细胞膜上，激活Na+/H+反向转运蛋白以增强耐盐性[11]。CBL4通过其EF手性域附着Ca2+导致其活性发生改变[3]，有利于CBL4通过NAF基序与CIPK24相互结合。这种结合使CIPK24的构象发生变化并暴露其激活，即CIPK24的自抑制状态解除，活化的CIPK24磷酸化Na+/H+交换器从细胞中排出过量的Na+[12-15]。

3 不同植物中CBL-CIPK的研究

3.1 拟南芥中CBL-CIPK的研究

拟南芥中有26种CIPK，属于SOS2类蛋白家族。CIPKs不能直接与钙离子作用，需要CBL作为钙传感器以消除CIPKs中激酶的自抑制作用。与CIPK相互作用的CBL蛋白有10种，属于SOS3类蛋白家族均定位在细胞膜或液泡膜上，推断是因为细胞膜和液泡膜是重要的钙贮存部位使CBL-CIPK复合物可以在不同胁迫下快速调节钙离子浓度形成特定的网络应答系统，该网络在拟南芥中调节钙离子、钠离子、钾离子、硝酸根离子、磷酸根离子和ABA穿过细胞膜和液泡膜[16，18]。钙离子在植物对环境胁迫的响应和植物生长发育过程中是一个重要的信使。在拟南芥中已经鉴定了4个主要的Ca2+传感器，包括钙依赖性蛋白激酶（Calcium-

dependent protein kinase，CDPK），钙调磷酸酶B样蛋白（Calcineurin B-like protein，CBL），钙调蛋白（Calmodulin，CAM），蛋白样蛋白（ Calmodulin-like，CML）[19，20]。

除了包含激酶結构域的CDPK外，其他3种Ca2+传感器没有酶结构域，这意味着它们在细胞信号传导的下游起作用。

3.2 小麦中CBL-CIPK的研究

在植物中，CBL-CIPK信号通路在非生物胁迫中起关键作用。然而，由于小麦的六倍体性质，所以在作为重要主食的小麦中对CBL-CIPK功能研究较少。小麦基因组中有4个CBL蛋白79个CIPK蛋白。盐（NaCl）、H2O2、干旱（PEG）和冷（4℃）胁迫下，对小麦幼苗根和叶中2种TaCBLs和5种TaCIPKs的转录水平进行分析。TaCIPK31在ABA诱导的根中显著上调，在盐胁迫下，TaCIPK24在根和叶中上调，TaCBL9，TaCIPK7，TaCIPK15，TaCIPK24，和TaCIPK32由H2O2诱导。冷处理导致上调的基因数量最多，没有基因在根或叶中被冷胁迫下调[21，22]。小麦的TaCIPK2基因，在聚乙二醇，脱落酸和H2O2处理的小麦叶片中上调表达。在渗透和干旱胁迫条件下，过表达TaCIPK2的转基因烟草植株表现出更高的耐旱性；转TaCIPK2基因烟草植物的失水率和离子渗漏较低，丙二醛和过氧化氢含量较低[23]。以上结果表明，TaCIPK2在转基因烟草的干旱胁迫中发挥了重要的作用。

3.3 大豆中CBL-CIPK的研究

大豆（ Glycine max ）作为人类生产生活中食用油和动物饲料中蛋白质的重要来源，使它成为了最重要的豆类作物[24]。大豆全基因组测序已经完成，但是基因组水平上对CBL-CIPK基因家族的表征鲜有报道，干旱胁迫下大豆CIPK基因家族包含52个基因（GmCIPK1至GmCIPK52）并分为4个亚组（I至IV）。对52个大豆CIPK家族基因表达模式的分析表明，大多数大豆CIPK基因内含子是干旱诱导型的； 使用公开的Affymetrix微阵列数据库分析CIPK基因的基因表达模式，在干旱的营养生长阶段，发现20个基因被上调，叶中28个被下调。在生殖阶段，在干旱胁迫下，叶片中发现有33个被上调，15个下调。在干旱发生阶段，18个基因上调，13个基因在2个发育阶段都显示出不稳定的下调。确认了18个CIPK基因是干旱诱导型[25]。

3.4 其他植物中CBL-CIPK的研究

植物应对逆境胁迫有许多调控机制，近几年来CBL-CIPK参与的植物生理功能研究越来越多。通过几个全基因组的基因表达谱指出了各种蛋白基因家族的作用，为研究干旱胁迫机制提供了高效的数据[26]。表达分析表明，水稻中包括10个CBL和30个CIPK，它们不仅参与非生物胁迫，在生长发育过程中也发挥了重要作用。在水稻中通过OsCIPK23的过表达可以提高干旱相关基因的表达水平来改善水稻耐旱性[27]；有文献表明棉花GhCIPK6被干旱、盐和ABA诱导，干旱胁迫下对转GhCIPK6的拟南芥进行RT-PCR分析发现AtCBL1和AtCBL4表达水平增加，说明在胁迫下GhCIPK6与CBL共同参与信号传导途径，玉米的ZmCIPK21在盐胁迫下表达上调，超表达玉米ZmCIPK21的拟南芥在盐胁迫下脱水反应性元件结合蛋白DREB1B和DREB1C基因上调，增强了转基因拟南芥的耐盐性；油菜籽中的CBL4在酵母双杂交和双分子荧光互补（BiFC）测定中证明与CIPK24相互作用，过表达油菜籽CBL4基因的拟南芥比野生型拟南芥具有更高耐盐性。

4 展望

非生物胁迫下植物中CBL-CIPK信号通路会与多种逆境相关信号通路相互作用，如早期发现的低钾离子响应途径，硝酸盐传感和信号转导途径及ABA信号通路等。近期又发现了新的与CBL-CIPK相互作用的途径，包括赤霉素信号转导途径、氧气匮乏通路、葡萄糖信号通路和ROS通路。由于CBL–CIPK网络的复杂性，未来对于CBL–CIPK的研究应该更趋于系统化，并运用现代的计算和实验方法进行研究。组学（如转录组和蛋白质组的联合分析）和生物信息学研究有助于阐明CBL–CIPK调控网络演化的多样性和各成员的功能。另外，对于CBL–CIPK各成员在不同植物中、不同的逆境胁迫中以及植物生长发育和形态建成过程中的相互作用，都应该加强关注。

相信随着转基因技术和分子育种手段的成熟与完善，深入解析CBL-CIPK信号通路，有效放大和应用各基因成员的功能，将在非生物胁迫方面为农作物的抗性育种做出贡献。

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作者简介：李洋（1993-），女，硕士生在读，研究方向：植物基因工程与抗逆分子生物学；李海燕（1971-），女，教授，博士研究生导师，研究方向：大豆等油料作物逆境生理与分子育种。