蛋白质可逆磷酸化对花粉管生长的调控作用

花粉管极性生长受多种信号与代谢过程的调控,主要包括Rop GTPase信号途径、磷脂酰肌醇信号通路、Ca²⁺信号途径、肌动蛋白动态变化、囊泡运输、细胞壁重塑等,这些过程都受到蛋白质可逆磷酸化作用的调节。如：(1) Rop调节蛋白(GEF、GDI和GAP)的可逆磷酸化可以改变其活性,从而调节Rop GTPase;同时,蛋白激酶还可能作为Rop下游的效应器分子参与Rop下游信号途径的调节;(2) 蛋白质可逆磷酸化作用既能够激活/失活质膜上的Ca²⁺通道或Ca²⁺泵,又参与调节胞内贮存Ca²⁺的释放,从而调控花粉管尖端Ca²⁺梯度的形成;此外,蛋白激酶还作为Ca²⁺信号的感受器,磷酸化相应的靶蛋白,参与Ca²⁺信号下游途径的调节;(3) 肌动蛋白结合蛋白(ADF和Profilin)的活性也受到蛋白质可逆磷酸化的调节,进而调控肌动蛋白聚合与解聚之间的动态平衡;(4) 蛋白质磷酸化作用调节胞吞/胞吐相关蛋白的活性,并调控质膜的磷脂代谢,从而参与调控囊泡运输过程;(5) 胞质丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和蔗糖合酶的可逆磷酸化可以调节其在花粉管中的功能与分布模式,参与花粉管细胞壁重塑;(6) 转录调节蛋白与真核生物翻译起始因子的可逆磷酸化可以改变其活性,从而调控RNA转录与蛋白质合成。文章主要综述了花粉管生长过程中重要蛋白质的可逆磷酸化作用对上述关键事件的调节。     

保卫细胞中ABA信号调控机制研究进展

脱落酸(ABA)具有调节植物快速响应逆境的重要功能。植物细胞中ABA核心信号通路由ABA受体PYR1/PYLs/ RCARs、A类碱性蛋白磷酸酶PP2Cs和Snf1相关蛋白激酶SnRK2s组成。活性氧(ROS)和Ca²⁺是保卫细胞中的重要第二信使, 调控ABA诱导的气孔关闭。该文对保卫细胞中核心ABA信号蛋白的调控以及ROS和Ca²⁺介导的ABA信号转导等最新研究成果进行综述, 旨在阐明保卫细胞中ABA信号调控机制。     

复苏植物旋蒴苣苔C2结构域小蛋白BhC2DP1参与植物对ABA的反应

为揭示植物抗旱的调控机理, 对复苏植物旋蒴苣苔(Boea hygrometrica)的一个编码C2结构域小蛋白的基因BhC2DP1进行研究。Real-time PCR和Pro_BhC2DP1:GUS报告基因检测显示, 该基因只在干旱早期和外源Ca²⁺处理0.5小时时受诱导表达; 分别施加Ca²⁺螯合剂EGTA和逆境激素ABA均抑制该基因表达, 但二者同时处理则显著诱导其表达, 表明ABA对该基因转录水平的调控是Ca²⁺依赖型的。过表达BhC2DP1的拟南芥(Arabidopsis thaliana)对ABA的敏感性增强, EGTA处理可消除其与野生型的差异, 表明Ca²⁺是BhC2DP1蛋白参与ABA反应所必需的。综上所述, ABA和Ca²⁺信号途径的精细调控可能是决定干旱诱导旋蒴苣苔中BhC2DP1基因表达时间、丰度和功能的重要机制。     

植物CBL-CIPK信号系统响应非生物胁迫的调控机制

钙调磷酸酶B蛋白(CBLs)及其互作蛋白激酶(CIPKs)组成的信号系统是非生物逆境响应的重要调控网络。CBL-CIPK系统通过磷酸化感应并解码Ca²⁺信号, 参与植物对非生物胁迫的应答调控。该文综述了CBLs和CIPKs结构、CBLs-CIPKs对不同底物磷酸化及其响应非生物胁迫调控机制的研究进展, 并展望了未来的研究方向, 以期为作物抗逆性遗传改良提供思路。     

骨骼肌中肌浆网/内质网钙ATP酶的功能及其作用机制

骨骼肌是机体生命活动和能量代谢的重要场所,其代谢紊乱会诱发一系列肌肉疾病。Ca²⁺作为肌肉收缩过程的重要调节器,在骨骼肌的功能行使中发挥重要作用。骨骼肌细胞中Ca²⁺浓度主要受肌浆网/内质网钙ATP酶(sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca²⁺ATPase,SERCA)的调节。SERCA利用ATP水解产生的能量介导胞质Ca²⁺进入肌浆网内腔,维持胞质Ca²⁺平衡。SERCA功能的失调会引发一系列骨骼肌疾病,而SERCA活性受部分肌浆网蛋白质的调控,跨膜蛋白质PLN、SLN、MRLN、DWORF和sAnk1以及胞质蛋白质THADA和SAR,其通过磷酸化,进而调控SERCA的功能。本文对骨骼肌中SERCA的功能、调控SERCA的相关功能蛋白质的结构及其作用机制进行了总结,以期为骨骼肌相关疾病的治疗提供最新的思路和方法。     

6周有氧运动对高脂膳食的ApoE敲除小鼠骨骼肌钙调控的影响*

目的: 探讨6周有氧运动对高脂膳食的载脂蛋白E(ApoE)基因敲除小鼠骨骼肌肌浆网钙调控蛋白的影响。方法: 25只9周龄ApoE敲除小鼠(ApoE KO)随机选取5只ApoE KO小鼠进行最大跑速测试(以初始速度为4.8 m/min,坡度为0°,持续5 min后,每3 min速度增加1.2 m/min,直至力竭,最后速度为最大跑速,最大跑速的测试结果为(27.0±2.4)m/min,剩余20只ApoE KO小鼠随机分为ApoE KO小鼠高脂膳食组(KO)和ApoE KO小鼠高脂膳食+有氧运动组(KE),每组10只,同时以10只9周龄野生型C57BL/6J小鼠作为空白对照组(WT)。高脂饲料成分:脂肪含量为21%(w/w),胆固醇含量为1.5%(w/w)。KE组适应性训练1周后开始运动干预,运动方案为:40%最大跑速(10.8 m/min),运动时间40 min/d,频率每周3 d,共计6周。待末次运动后48 h,所有小鼠麻醉后经心脏穿刺处死后迅速分离双侧腓肠肌;可见光比色法检测骨骼肌Ca²⁺浓度;Western blot法检测小鼠骨骼肌肌浆网钙调控蛋白RyR、CaM、CaMKⅡ、SERCA1、SERCA2蛋白表达。结果: 与WT组相比,KO组小鼠骨骼肌Ca²⁺浓度显著降低(P＜0.01),骨骼肌肌浆网钙释放蛋白RyR、CaMKⅡ和钙回收蛋白SERCA1、SERCA2均显著降低(P＜ 0.05),但CaM蛋白无显著变化;与KO组相比,KE组小鼠骨骼肌Ca²⁺浓度和骨骼肌肌浆网钙回收蛋白SERCA1、SERCA2均显著升高(P＜0.05),但骨骼肌肌浆网钙释放蛋白RyR、CaM、CaMKⅡ蛋白表达均无显著性差异。结论: 高脂膳食可使ApoE敲除小鼠骨骼肌Ca²⁺浓度降低、肌浆网钙释放作用和钙回收作用减弱,6周有氧运动训练能够显著提高其Ca²⁺浓度、促进肌浆网钙回收作用。     

外源褪黑素与钙离子互作对高温胁迫下黄瓜幼苗过氧化伤害的缓解效应

为了探明褪黑素(MT)和钙离子(Ca²⁺)在调控植物耐热性中是否存在互作关系,以黄瓜幼苗为试材,分析了内源MT和Ca²⁺对高温胁迫的响应;并通过叶面喷施100 μmol·L^-1 MT、10 mmol·L^-1 CaCl₂、3 mmol·L^-1乙二醇二乙醚二胺四乙酸(EGTA,Ca²⁺螯合剂)+100 μmol·L^-1 MT、0.05 mmol·L^-1氯丙嗪(钙调素拮抗剂,CPZ)+100 μmol·L^-1 MT、100 μmol·L^-1氯苯丙氨酸(p-CPA,MT合成抑制剂)+10 mmol·L^-1 CaCl₂和去离子水(H₂O),研究高温下(42/32 ℃)外源MT和Ca²⁺对黄瓜幼苗活性氧积累、抗氧化系统及热激转录因子(HSF)和热激蛋白(HSPs)等的影响。结果表明: 黄瓜幼苗内源MT和Ca²⁺均受高温胁迫诱导;外源MT可上调常温下钙调素蛋白(CaM)、钙依赖蛋白激酶(CDPK5)、钙调磷酸酶B类蛋白(CBL3)、CBL结合蛋白激酶(CIPK2)mRNA表达;CaCl₂处理的MT合成关键基因色氨酸脱羧酶(TDC)、5-羟色胺-N-乙酰转移酶(SNAT)和N-乙酰-5-羟色胺甲基转移酶(ASMT)水平也显著升高,MT含量快速增加。MT和CaCl₂可显著增强高温下黄瓜的抗氧化能力,减少活性氧(ROS)积累,同时上调HSF7、HSP70.1和HSP70.11 mRNA表达,从而减轻高温胁迫引起的过氧化伤害,植株热害症状明显减轻,热害指数和电解质渗漏率显著降低。加入EGTA和CPZ后,MT对黄瓜幼苗抗氧化能力和热激蛋白表达的促进效应明显减弱,Ca²⁺对高温下黄瓜幼苗过氧化伤害的缓解效应也被p-CPA逆转。可见,MT和Ca²⁺均可诱导黄瓜幼苗的耐热性,二者在热胁迫信号转导过程中存在互作关系。     

镁转运体MGT7参与拟南芥对高钙环境的适应

高Ca²⁺环境对许多植物的生长不利, 因此研究植物对高Ca²⁺环境的适应机制非常重要。研究发现, 拟南芥(Ara- bidopsis thaliana)镁转运体MGT7功能缺失突变体mgt7-1和mgt7-2具有高Ca²⁺敏感表型: 在高Ca²⁺培养基上, 相对于野生型Col-0, 突变体叶鲜重显著下降, 但根长无显著差异。高Ca²⁺对MGT7启动子活性和包括MGT7在内的镁转运体基因表达无显著调节作用。Col-0与mgt7突变体之间, 在外加Ca²⁺诱导细胞质Ca²⁺瞬时升高和Ca²⁺含量方面无显著差异; 但是, 在正常和高Ca²⁺培养基上, mgt7突变体的Mg含量均显著低于Col-0。高Ca²⁺显著抑制Col-0和mgt7突变体内Mg的积累。因此我们假设, mgt7突变体的高Ca²⁺敏感表型是由于其体内Mg含量下降导致的。进一步的研究证实, 只有增加培养基中Mg²⁺的含量, 而不是N、P、K和S, 才可以使突变体的高Ca²⁺敏感表型得到恢复。     

植物感受盐胁迫及相关钙信号的研究进展

盐胁迫对植物的生长和发育造成严重影响,其危害包括渗透胁迫、离子毒害等,严重损害了农业生产和粮食安全。在盐胁迫下,植物相关感受器接受刺激,使得Ca²⁺通过细胞膜以及细胞内钙库膜上打开的Ca²⁺通道进入细胞质基质,导致细胞质内Ca²⁺浓度升高,产生钙信号。钙离子作为重要的第二信使,在植物细胞内和细胞间传递信号,信号往下游传递,在不同生长和发育阶段引起植物一系列的生理响应来应对盐胁迫影响。钙信号主要通过钙调蛋白（CaM）、钙调素样蛋白（CML）、钙依赖性蛋白激酶（CDPK）、钙调磷酸酶B样蛋白（CBL）和CBL互作蛋白激酶（CIPK）感知并将特异的钙信号信息传递到下游;从而激活植物盐胁迫生理响应。本文主要综述植物如何感知盐胁迫刺激,以及钙信号产生与传导机制,并对该研究领域需解决的问题进行了展望。     

盐胁迫下外源褪黑素和Ca2+对甜瓜幼苗的缓解效应

以甜瓜品种‘羊角酥瓜’为试材,利用人工气候室控制环境条件(昼/夜25/18 ℃),研究盐胁迫条件下外源褪黑素(MT)和Ca²⁺对甜瓜幼苗根系和叶片中Cl^-、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺离子含量,Na⁺/K⁺、 Na⁺/Ca²⁺、Na⁺/Mg²⁺值,以及H⁺-ATP酶活性、渗透调节物质积累和细胞膜质过氧化的影响.结果表明: 与对照相比,盐胁迫处理显著抑制甜瓜幼苗生长,增加根系和叶片中Cl^-、Na⁺含量,降低K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺含量.盐胁迫下,喷施外源MT或Ca²⁺处理均可以显著降低甜瓜根系和叶片中Cl^-、Na⁺含量,提高K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺含量,植株体内Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺和 Na⁺/Mg²⁺值下降;同时也提高了根系和叶片H⁺-ATP酶活性及叶片渗透调节物质的含量,降低盐胁迫对细胞膜的伤害,表现在甜瓜叶片相对电导率和丙二醛含量降低.总之,在盐胁迫条件下,外源MT、Ca²⁺单独和复配处理均可通过提高H⁺-ATP酶活性来降低盐害离子的含量,改善甜瓜幼苗中的离子平衡,同时增加渗透调节物质的含量,降低膜质过氧化水平,从而增强其对盐胁迫的适应性,其中MT和Ca²⁺复配处理时的效果更好.复配外施 MT 和Ca²⁺在诱导甜瓜幼苗提高耐盐方面具有协同增效作用.     

Calmodulin inhibits calcium influx current in vascular endothelium

Utilizing the whole-cell configuration of the patch-clamp technique the effect of calmodulin (CaM) on thapsigargin-induced Ca²⁺ current has been studied. Addition of several concentrations of CaM to the patch pipette induced concentration-dependent inhibition of thapsigargin-induced Ca²⁺ current in bovine aortic endothelial cells. The effect of CaM was Ca²⁺ dependent and was not observed when the intracellular Ca²⁺ was buffered to 1 nM with EGTA. CaM produced two major effects on the thapsigargin-induced Ca²⁺ current. First CaM slow down activation of the current by thapsigargin from a control value of 16 ± 5 to 31 ± 6 s with 1 μM CaM in the pipette solution. The second effect of CaM was to reduce the current amplitude in a concentration-dependent manner. The inhibition of Ca²⁺ current was observed at the peak of the current and at the sustained current level. The reduction of current at the sustained level was observed 15–20 s after onset of the thapsigargin response. The half inhibitory concentration determined from these experiments was 0.1 μM. These results indicate that CaM can modulate thapsigargin-induced Ca²⁺ current in this endothelium, suggesting a possible role for CaM in the regulation of store-operated Ca²⁺ influx.     

盐胁迫下外源褪黑素和Ca2+对甜瓜幼苗的缓解效应

以甜瓜品种‘羊角酥瓜’为试材,利用人工气候室控制环境条件(昼/夜25/18 ℃),研究盐胁迫条件下外源褪黑素(MT)和Ca²⁺对甜瓜幼苗根系和叶片中Cl^-、Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺离子含量,Na⁺/K⁺、 Na⁺/Ca²⁺、Na⁺/Mg²⁺值,以及H⁺-ATP酶活性、渗透调节物质积累和细胞膜质过氧化的影响.结果表明: 与对照相比,盐胁迫处理显著抑制甜瓜幼苗生长,增加根系和叶片中Cl^-、Na⁺含量,降低K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺含量.盐胁迫下,喷施外源MT或Ca²⁺处理均可以显著降低甜瓜根系和叶片中Cl^-、Na⁺含量,提高K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺含量,植株体内Na⁺/K⁺、Na⁺/Ca²⁺和 Na⁺/Mg²⁺值下降;同时也提高了根系和叶片H⁺-ATP酶活性及叶片渗透调节物质的含量,降低盐胁迫对细胞膜的伤害,表现在甜瓜叶片相对电导率和丙二醛含量降低.总之,在盐胁迫条件下,外源MT、Ca²⁺单独和复配处理均可通过提高H⁺-ATP酶活性来降低盐害离子的含量,改善甜瓜幼苗中的离子平衡,同时增加渗透调节物质的含量,降低膜质过氧化水平,从而增强其对盐胁迫的适应性,其中MT和Ca²⁺复配处理时的效果更好.复配外施 MT 和Ca²⁺在诱导甜瓜幼苗提高耐盐方面具有协同增效作用.     

水稻类钙调磷酸酶亚基B蛋白质在叶片生长和白叶枯病抗性反应中的表达

钙信号介导植物对多种外部刺激的反应并参与调控广泛的生理学过程。钙离子结合蛋白质, 如类钙调磷酸酶亚基B蛋白质(calcineurin B-like protein, CBL), 对感受和传递钙信号具有重要作用。根据基因组测序及注释分析, 水稻(Oryza sativa)基因组中有10个CBL家族成员。采用基于抗体的蛋白质组学策略, 利用免疫印迹方法研究了水稻CBL蛋白质在叶片生长不同时期的表达, 揭示了其在正常发育过程中的表达模式。然后对Xa21介导的水稻白叶枯病抗性反应不同时间点的蛋白质表达进行检测, 发现OsCBL-1、OsCBL-3、OsCBL-5、OsCBL-9和OsCBL-10这5个蛋白质的表达发生了变化; 进一步比较它们在抗病、感病和对照处理中的表达情况, 发现其在不同反应间的表达也有区别, 提示了CBL蛋白质在水稻-白叶枯病菌互作过程中的功能。该研究为深入了解水稻CBL蛋白质的功能提供了有价值的线索。     

Plant Calmodulins and Calmodulin-Related Proteins: Multifaceted Relays to Decode Calcium Signals

The calmodulin (CaM) family is a major class of calcium sensor proteins which collectively play a crucial role in cellular signaling cascades through the regulation of numerous target proteins. Although CaM is one of the most conserved proteins in all eukaryotes, several features of CaM and its downstream effector proteins are unique to plants. The continuously growing repertoire of CaM-binding proteins includes several plant-specific proteins. Plants also possess a particular set of CaM isoforms and CaM-like proteins (CMLs) whose functions have just begun to be elucidated. This review summarizes recent insights that help to understand the role of this multigene family in plant development and adaptation to environmental stimuli.Key Words: calcium signaling, calmodulin, calmodulin-like protein, calmodulin-binding proteins, plant development, biotic and abiotic stress     

Evidence for Ca-dependent protein phosphorylation in vitro in guard cells from Vicia faba L.

Protein phosphorylation in vitro was investigated in guard cells from Vicia faba. A number of proteins with apparent molecular masses of 72, 67, 57, 52, 49, 44, 37, and 26 kDa were phosphorylated when guard-cell extract was incubated with [γ-³²P]ATP under Ca²⁺-free conditions. In the presence of Ca²⁺ at 1 μM, several proteins with apparent molecular masses of 125, 83, 41, 31, and 25 kDa were newly phosphorylated. These Ca²⁺-dependent protein phosphorylations were suppressed by (8R^*,9S^*,11S^*)-(−)-9-hydroxy-9-methoxycarbonyl-8-methyl-2,3,9,10-tetrahydro-8,11-epoxy-1H,8H,11H-2,7b,11a- triazadibenzo[a,g]cycloocta[cde]trinden-1-one (K-252a), a wide-range inhibitor of protein kinases, suggesting that the protein phosphorylations were mediated by protein kinases. Several proteins were phosphorylated in vitro in mesophyll extract from Vicia. In contrast to guard cells, there was no detectable Ca²⁺-dependent protein phosphorylation in mesophyll cells. 1-(5-Indonaphthalene-1-sulfonyl)-1H-hexahydro-1,4-diazepine (ML-7), an inhibitor of myosin light chain kinase (MLCK), and an antagonist of calmodulin (CaM), N-(6-aminohexyl)-5-chloro-1-naphthalenesulfonamide (W-7), inhibited Ca²⁺-dependent phosphorylation of 41- and 25-kDa proteins in guard cells. Fractionation experiments revealed that the Ca²⁺-dependent phosphorylated proteins with molecular masses of 41 and 25 kDa were present in the mitochondria, and the 125- and 31-kDa proteins in the cytosol. These results suggest that Ca²⁺-dependent protein phosphorylation occurs markedly in guard cells, and that Ca²⁺-dependent phosphorylation of 41- and 25-kDa proteins may be catalyzed by MLCK or MLCK-like protein kinase in guard cells.