Ca^2＋在植物细胞对逆境反应和适应中的调节作用

摘要钙离子（Ca^2＋）信号在植物的生长发育及其对环境的反应和适应中起着十分重要的作用。本文对Ca^2＋在植物细胞对低温、干旱和盐渍化逆境的反应和适应中的调节功能作一概述,论述的主要问题包括：（1）Ca^2＋的亚细胞定位与分布,细胞内Ca^2＋相对低水平的稳态平衡是Ca^2＋信号发生的基础：（2）Ca^2＋信号的优越性及其发生与传递：（3）Ca^2＋充当低温信号的传递者诱导抗寒锻炼和基因表达：（4）细胞内高水平Ca^2＋持久性调控越冬木本植物的生理休眠：（5）Ca^2＋对干旱、盐渍化及其渗透胁迫的调节作用;（6）Ca^2＋参与气孔开关运动的调节：（7）Ca^2＋参与逆境中细胞壁加厚和加固的调节。     

非生物逆境胁迫下植物钙信号转导的分子机制

Ca2+作为植物细胞中最重要的第二信使, 参与植物对许多逆境信号的转导。在非生物逆境条件下, 植物细胞质内的钙离子在时间、空间及浓度上会出现特异性变化, 即诱发产生钙信号。钙信号再通过其下游的钙结合蛋白进行感受和转导, 进而在细胞内引起一系列的生物化学反应以适应或抵制各种逆境胁迫。目前在植物细胞中发现Ca2+/CDPK、Ca2+/CaM和Ca2+/CBL 3类钙信号系统, 研究表明它们与非生物逆境胁迫信号转导密切相关。本文通过从植物在非生物逆境条件下钙信号的感受、转导到产生适应性和抗性等方面, 介绍钙信号转导分子机制的一些研究进展。     

植物体内Ca2+信号转导过程的研究进展

Ca2+是高等植物细胞内普遍存在的一种信使分子,在植物体内起着非常广泛的作用,参与了植物体内多种刺激-反应的藕联过程。本文介绍了植物体内Ca2+转移系统,Ca2+信号的产生、终止和传递途径,Ca2+信号编码的多样性的最近研究进展。     

植物体内钙信号及其在调节干旱胁迫中的作用

钙作为植物体内第二信使广泛参与了植物响应的各种非生物和生物胁迫的信号传导。胁迫信号通过激活位于细胞质膜上的钙离子通道,产生胞质内特异性的钙信号,传递至钙信号感受蛋白,如钙调素(calmodulin,CaM)、钙依赖蛋白激酶(Ca2+-dependent protein kinases,CDPK)和类钙调磷酸酶B蛋白(calcineurin B-like protein,CBL)等,进而引起胞内一系列生理生化变化,最终对胁迫做出响应。钙信号在植物响应干旱胁迫信号系统中起枢纽作用,主要通过调节气孔运动,水通道蛋白(aquaporin,AQP)和抗氧化酶活性来减少水分流失,提高水分利用率,最终降低干旱对植物细胞的伤害,并具有一定的生态学功能。该文对近年来国内外有关植物体内钙信号的研究进展以及在干旱逆境中的调节作用进行综述,并对今后的研究做了展望。     

Ca2+与植物抗旱性的关系

干旱是制约植物生长发育的主要逆境因素,并抑制根系对钙的吸收。近年来研究表明,外源钙能提高植株的抗旱性,抑制干旱胁迫下活性氧物质的生成,保护细胞质膜的结构,维持正常的光合作用,以及调节激素和一些重要的生化物质代谢;此外,细胞内Ca2+可作为第二信使传递干旱信号,调节干旱胁迫导致的生理反应。     

逆境胁迫下ABA与钙信号转导途径之间的相互调控机制

Ca2+信号是植物应答各种逆境胁迫响应的一个重要组分,它在植物抗病、抗虫及适应非生物胁迫反应中起着重要的作用.Caz+信号作为第二信使在激素信号转导尤其是ABA信号转导过程中发挥着重要作用.研究表明,当植物受到如干旱、低温、盐害等环境胁迫时,细胞迅速积累ABA,胞内钙离子浓度瞬间升高,然后钙离子浓度呈现忽高忽低的震荡现象.在植物细胞中发现Caz+/CDPK、Caz+/CaM和Caz+/CBL三类钙信号系统,它们与逆境胁迫信号转导密切相关.本文通过综述植物在逆境条件下,ABA与钙信号的产生、转导及产生适应性和抗性等方面,介绍了ABA与钙信号之间的相互调节机制.     

钙_钙调素信号系统与环境刺激

植物抗逆研究已有很大进展,但传递各种外界刺激的信号通路仍未可知,目前已有一些研究发现很多环境刺激与钙_钙调素系统有关。Ca2+信号系统是很重要的一种信号途径,CaM是目前已知的胞内Ca2+信号受体中最重要的一种,参与了多种生理活动的调节。在热激领域中,研究者已提出Ca2+ CaM系统可能参与了热激反应,在基因调节水平、转录水平、蛋白水平均有Ca2+和CaM参与热激的证据。其它环境刺激也能引起植物体内Ca2+和CaM的一系列变化。这为研究各种环境刺激可能的信号通路提供了基础和依据。     

Ca2+与植物抗旱性的关系

干旱是制约植物生长发育的主要逆境因素，并抑制根系对钙的吸收。近年来研究表明，外源钙能提高植株的抗旱性，抑制干旱胁迫下活性氧物质的生成，保护细胞质膜的结构，维持正常的光合作用，以及调节激素和一些重要的生化物质代谢；此外，细胞内Ca2+可作为第二信使传递干旱信号，调节干旱胁迫导致的生理反应。     

植物钙感受器及其介导的逆境信号途径

钙信号是植物生长发育和逆境响应的重要调控因子, 是植物生理与逆境生物学研究领域中的热点之一。当植物细胞受到外界逆境刺激时, 其胞内会产生具有时空特异性的Ca2+信号变化, 这种变化首先被胞内钙感受器所感知并解码, 再由钙感受器互作蛋白将信号传递到下游, 从而激活下游早期响应基因的表达或相关离子通道的活性, 最终产生特异性逆境响应。植物细胞通过感知胞内钙信号的变化如何识别来自外界不同性质或不同强度的刺激, 是近几年植物生物学家所关注的科学问题。文章主要总结了近几年在植物钙感受器研究领域中的最新进展, 包括钙依赖蛋白激酶(CDPKs)、钙调素(CaMs)、类钙调素蛋白(CMLs)、类钙调磷酸酶B蛋白(CBLs)及其互作蛋白激酶(CIPKs)等的结构、功能及其介导的逆境信号途径, 并提供新的见解和展望。     

蛋白质可逆磷酸化调节植物细胞离子跨膜运动研究进展

蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化的可逆磷酸化是植物细胞中多种信号转导途径中重要的组成因子.本文对蛋白质可逆磷酸化通过调节多种离子跨膜运动而参与植物细胞激发子信号途径、毒性物质诱导的钙离子内流、盐胁迫适应、气孔运动以及蛋白质可逆磷酸化参与胞外与胞内之间Ca2 状况信息传递,调节花粉管顶端Ca2 离子通道活性进行综述,以揭示蛋白质可逆磷酸化在植物细胞离子跨膜运动中的调控作用,为蛋白质可逆磷酸化调节植物生长发育、响应逆境胁迫等机理的研究提供参考.     

植物对干旱胁迫的分子反应

干旱胁迫是影响植物生长发育的主要因子,渗透保护剂的合成和积累,脱水伤害的修复,自由基清除酶和LEA蛋白基因表达的增量调节能增加植物的耐干旱性。植物在干旱条件下至少有4条信号转导途径,其中2条信号途径是依赖ABA的,另外2条途径是不依赖ABA的,在植物干旱胁迫的信号转导中,双组分的组氨酸激酶可能起渗透感受器的作用,Ca^2 和IP3可能是脱水信号的第2信使,转基因植物是一种评价编码蛋白功能的良好系统。     

Self-reporting Arabidopsis expressing pH and [Ca2+] indicators unveil ion dynamics in the cytoplasm and in the apoplast under abiotic stress

For noninvasive in vivo measurements of intra- and extracellular ion concentrations, we produced transgenic Arabidopsis expressing pH and calcium indicators in the cytoplasm and in the apoplast. Ratiometric pH-sensitive derivatives of the green fluorescent protein (At-pHluorins) were used as pH indicators. For measurements of calcium ([Ca(2+)]), luminescent aequorin variants were expressed in fusion with pHluorins. An Arabidopsis chitinase signal sequence was used to deliver the indicator complex to the apoplast. Responses of pH and [Ca(2+)] in the apoplast and in the cytoplasm were studied under salt and "drought" (mannitol) stress. Results are discussed in the frame of ion flux, regulation, and signaling. They suggest that osmotic stress and salt stress are differently sensed, compiled, and processed in plant cells.     

植物质膜蛋白质组的逆境应答研究进展

质膜作为原生质体与外界环境的屏障, 除了维持正常的细胞内稳态和营养状况, 还参与感知和应答各种环境胁迫。近年来, 植物质膜蛋白质组学研究为深入分析植物应答不同生物和非生物胁迫的分子机制提供了重要信息, 已经报道了模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)和水稻(Oryza sativa)等10种植物质膜应对生物胁迫(白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)感染)与非生物胁迫(冷、盐、水淹、渗透、高pH值、Fe缺乏及过量、氮素、脱落酸、壳聚糖和壳寡糖)过程的蛋白质丰度模式变化。通过整合分析植物质膜响应逆境的蛋白质组学研究结果, 揭示了质膜在植物应答逆境胁迫过程中的重要作用。植物通过调节转运蛋白、通道蛋白及膜泡运输相关蛋白的丰度变化促进细胞内外的信号传递、物质交换与运输; 同时利用膜相关的G蛋白、Ca²⁺信号、磷酸肌醇信号途径及BR信号途径等多种信号通路, 通过蛋白质可逆磷酸化作用感知和传递胁迫信号, 调节植物抵御胁迫。研究结果为从蛋白质水平认识质膜逆境应答分子调控机制提供了新线索。     

Role of Ca2+ in Drought Stress Signaling in Wheat Seedlings

Plants use complex signal transduction pathways to perceive and react to various biotic and/or abiotic stresses. As a consequence of this signaling, plants can modify their metabolism to adapt themselves to new conditions. One such change is the accumulation of proline in response to drought and salinity stresses. We have studied drought and salinity induced proline accumulation and the roles of Ca²⁺ (10 mM) and indoleacetic acid (IAA, 0.3 mM) in this response. Subjecting seedlings to both drought (6% polyethylene glycol, PEG) and salinity (150 mM NaCl) stress resulted in a dramatic increase in proline accumulation (7-fold higher than control level). However, the application of Ca²⁺ along with these stress factors had different effects. Unlike the salinity stress, Ca²⁺ prevented the drought induced proline accumulation indicating that these stress factors use distinct signaling pathways to induce similar responses. Experiments with IAA and EGTA (10 mM) supported this interpretation and suggested that Ca²⁺ and auxin participate in signaling mechanisms of drought-induced proline accumulation. Drought and salt stress-induced proline accumulation was compared on salt resistant (cv. Gerek 79) and salt sensitive (cv. Bezostaya) wheat varieties. Although proline level of the first was twofold lower than that of the second in control, relative proline accumulation was dramatically higher in the case of the salt resistant wheat variety under stress conditions.     

Phospholipase D is a negative regulator of proline biosynthesis in Arabidopsis thaliana

Accumulation of proline has been observed in a large number of plant species in response to drought and salt stresses, suggesting a key role of this amino acid in plant stress adaptation. Upstream components of the proline biosynthesis signal transduction pathways are still poorly defined. We provide experimental evidence that phospholipase D (PLD) is involved in the regulation of proline metabolism in Arabidopsis thaliana. The application of primary butyl alcohols, which divert part of PLD-derived phosphatidic acid by transphosphatidylation, stimulated proline biosynthesis even without hyperosmotic constraints. Moreover, application of primary butyl alcohols enhanced the proline responsiveness of seedlings to mild hyperosmotic stress. These data indicate that some PLDs are negative regulators of proline biosynthesis and that plants present a higher proline responsiveness to hyperosmotic stress when this regulator is abolished. We clearly demonstrate that PLD signaling for proline biosynthesis is similar to RD29A gene expression and different from the abscisic acid-dependent RAB18 gene expression. Our data reveal that PLDs play positive and negative roles in hyperosmotic stress signal transduction in plants, contributing to a precise regulation of ion homeostasis and plant salt tolerance.     

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。     

Ca2+在植物盐胁迫响应机制中的调控作用

对植物而言,Ca2+不仅作为一种必须的营养元素,更重要的是作为耦联胞外信号与胞内生理反应的第二信使,当植物受到外界的环境刺激时,细胞中Ca2+会出现变化,引起一系列保护性生理反应,从而减轻环境胁迫对植物体的伤害.我国盐碱地面积广阔,极大地限制了作物种植和农业生产.大量研究表明,Ca2+可以提高植物对盐胁迫的抗性,针对盐胁迫对植物的伤害机制,重点讨论了盐胁迫条件下Ca2+参与的植物体内有关响应途径及作用机制.