CBL-CIPK信号系统参与小桐子抗冷性形成的生物信息学分析

类钙调磷酸酶B亚基蛋白(calcineurin B-like calcium sensor, CBL)属Ca²⁺结合蛋白,通过与类钙调磷酸酶B亚基互作蛋白激酶(calcineurin B-like calcium sensor interacting protein kinase, CIPK)互作介导Ca²⁺信号转导过程。CBL-CIPK信号系统参与了植物对多种逆境胁迫的响应过程。为深入探讨小桐子的抗冷性机制,该研究基于BLAST序列比对的方法,在全基因组水平对小桐子CBL与CIPK基因家族进行了鉴定,并对其系统进化、基因结构、表达特性及功能互作进行了解析。结果表明：(1)在小桐子基因组中共鉴定到8个CBL基因与18个CIPK基因,CBL与CIPK蛋白长度分别在211～257 aa与422～484 aa之间,等电点分别在4.65～5.08与6.20～9.26之间。(2)另外,CBL基因家族都包含8～10个外显子,而CIPK基因家族分为显著的1～2个外显子(11个基因)和12～15个外显子(7个基因)两类。(3)多序列比对显示,小桐子CBL蛋白...     

林烟草蛋白激酶NsylCIPK3基因的克隆与功能分析

CIPK蛋白激酶家族(CBL-interacting protein kinase)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族,与类钙调磷酸酶B亚基CBL(calcineurin B-like protein)蛋白共同形成CBL-CIPK网络,在植物的生长发育和逆境胁迫响应过程中发挥重要作用。烟草中该家族的研究还比较少,本研究从林烟草(Nicotiana sylvestris)中获得一个CIPK家族基因,该基因与拟南芥和杨树中的CIPK3同源性分别为68.4%和87.5%,将其命名为Nsyl CIPK3。氨基酸序列分析表明,Nsyl CIPK3具有CIPK蛋白家族的典型结构特征,在N端和C端分别具有典型的激活环结构域和NAF结构域。进化树分析显示,Nsyl CIPK3属于CIPK蛋白亚家族Ⅱ。表达模式研究表明,该基因在林烟草的叶和腋芽中的表达量相对较高,在主根中的表达量次之,在侧根、茎、花瓣和萼片中的表达量相对较低,并且在烟草成熟期的叶中表达量明显升高。在高盐、紫外光和低钾胁迫下该基因的表达发生不同程度的上调。酵母双杂交结果显示,Nsyl CIPK3可与Nsyl CBL9互作。推测Nsyl CIPK3可能通过与Nsyl CBL9互作形成信号通路,激活下游靶蛋白,参与烟草响应非生物逆境胁迫的信号转导过程。     

植物中CBL-CIPK途径转导特异Ca~(2+)信号的分子机制

Ca2+作为植物中普遍存在的第二信使,其信号传感器CBL(calcineurin B-like protein)及与CBL互作的蛋白CIPK(CBL-interacting protein kinase)所构成的CBL-CIPK信号转导途径在转导特异Ca2+信号过程中起重要的作用。由于植物同时受多种复杂环境因素影响,因此必须同时对各种复杂因素作出响应并转导并存的信号。CBL和CIPK在结构、表达以及功能上的特异性构成了CBL-CIPK途径能够转导特异Ca2+信号的分子基础。本文在介绍CBL、CIPK的基础上,着重对其组合成的CBL-CIPK途径转导特异Ca2+信号的分子机制进行综述。     

小麦TaCIPK8基因的表达分析及其与TaCBLs的互作

CIPK是植物钙感受器钙调磷酸酶B类似蛋白特定靶向的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。根据拟南芥At CIPK8基因序列,利用同源克隆的方法从抗逆性较强的小麦品种石4185中克隆了一个编码序列全长为1350 bp的蛋白激酶基因Ta CIPK8(Gen Bank号:KJ561804.1)。序列分析表明该基因编码的蛋白含有449个氨基酸,分子量为52.24 k D,理论等电点为7.16,具有CIPKs家族蛋白所特有的N端激酶域和C端NAF/FISL结构域;与拟南芥At CIPK8蛋白序列相似度达83.5%。为进一步研究其功能,采用Real-time PCR方法检测该基因在胁迫条件下的响应情况,发现Ta CIPK8基因受高盐、外源ABA和低温(4℃)胁迫诱导表达。利用植物启动子数据库Plant CARE和PLACE对Ta CIPK8基因启动子序列进行分析,结果显示Ta CIPK8基因启动子存在大量应答脱水胁迫、干旱、低温和ABA的顺式作用元件,也存在一些响应激素GA和茉莉酸甲酯的元件。利用酵母双杂交方法研究Ta CIPK8和Ta CBL家族蛋白的互作,结果显示,共转化含有Ta CIPK8和Ta CBL3基因载体的酵母菌能够在SD/-Trp/-Leu、SD/-Trp/-Leu/X-α-Gal/Ab A和SD/-Trp/-Leu/-Ade/-His/X-α-Gal/Ab A三种培养基上生长,且在后两种培养基上长出蓝色菌落。结果说明Ta CIPK8与Ta CBL3发生了互作,进而引起了报告基因MEL1、AUR1-C、HIS3和ADE2的表达。该研究结果对于研究Ta CIPK8基因的功能以及与CBL蛋白的互作调控网络具有一定的参考作用。     

小麦CBL结合蛋白激酶基因TaCIPK16的克隆及特征分析

类钙调磷酸酶亚基B蛋白(calcineurin B-1ike protein,CBL)作为一类钙离子结合蛋白,通过与一类蛋白激酶(CBL-interacting protein kinase,ClPK)结合,从而在钙信号依赖的生理生化过程中发挥作用。该研究在条锈菌诱导的小麦叶片中克隆获得CIPK家族中1个基因TaCIPK16,并利用qRT-PCR技术、酵母双杂交技术及亚细胞定位技术分析了其功能特性。序列分析表明,TaCIPK16编码447个氨基酸,包含保守的激酶催化结构域及调控结构域,与水稻、拟南芥CIPK蛋白具有高度相似性。酵母双杂交分析验证显示,TaCIPK16与TaCBL4和TaCBL9存在强烈互作。定量分析表明,TaCIPK16受到条锈菌的诱导表达,在小麦与条锈菌互作过程中呈显著差异表达趋势。综上结果,TaCIPK16可能作为正调控因子参与了小麦对条锈菌的抗病防卫反应。     

菜用大豆CIPK基因对逆境胁迫及激素的响应特征

CIPK(calcineurin B-like-interacting protein kinase)是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,在植物响应逆境胁迫和激素信号转导中发挥重要作用。本研究利用大豆基因组数据库,在全基因组水平鉴定获得52个CIPK蛋白激酶。蛋白比对分析发现所有Gm CIPK含有高度保守特征性的N端激酶区、连接区和C端调控区。系统进化树分析发现大豆Gm CIPK与拟南芥、水稻CIPK分类一致,分为4个亚家族,且每个亚家族含有3个不同物种的成员,表明Gm CIPK基因的分化早于物种的分化。启动子分析表明,多数Gm CIPK基因的启动子区含有逆境和激素应答元件。组织表达分析发现,Gm CIPK基因呈现多样化的组织表达特性。进一步选取组织表达量相对较高的14个Gm CIPK进行荧光定量PCR分析,结果表明这些菜用大豆CIPK基因在不同程度上均受高温、干旱、高盐胁迫以及ABA、ACC、SA、Me JA激素的诱导表达。采用蛋白同源比对和蛋白互作在线数据库对拟南芥及大豆同源CIPK蛋白激酶与其他蛋白的互作关系进行了预测分析,发现17对同源CIPK与其他蛋白(激酶、磷酸酶、转录因子等)存在互作。本研究为菜用大豆CIPK基因的功能研究与利用奠定了基础。     

玉米ZmCIPK31基因原核表达及启动子序列分析

与钙传感器类钙调磷酸酶B蛋白(calcineurin B-like protein,CBL)互作的蛋白CIPK(CBL-interacting protein kinase)在植物特定的生长发育和应答胁迫过程中起重要作用。对前期研究得到的玉米ZmCIPK31基因构建原核表达重组载体,进行原核表达分析,转化重组质粒的大肠杆菌BL21菌株能够诱导出期望的目的蛋白。蛋白可溶性分析表明,它是可溶性的蛋白,通过淀粉树脂柱对其进行纯化,为下一步激酶活性分析提供了有活性的目的蛋白。同时,克隆了ZmCIPK31基因起始密码子ATG上游包括2189bp的启动子区段,顺式作用元件预测分析表明此区段不仅具有TATA-box和CAAT-box等启动子共有序列,还具有光应答、胁迫应答、发育相关、激素相关及其他功能未知的调控结构域。聚乙二醇(PEG)胁迫下,ZmCIPK31基因的诱导表达进一步表明其能够应答胁迫,且在地上部和根中的表达模式不同。     

玉米CIPK基因家族的鉴定及ZmCIPK3的抗旱性功能研究

钙调磷酸酶B类互作蛋白激酶（CIPK,CBL interacting protein kinases）是植物钙离子信号通路中响应非生物逆境胁迫的重要蛋白激酶之一。本研究以拟南芥和水稻中CIPK家族基因序列信息为基础,利用玉米参考基因组B73和生物信息学分析方法,全基因组范围内鉴定玉米CIPK基因家族成员,分析CIPK家族基因的进化关系、基因结构、基因表达模式和对干旱胁迫的响应。本研究共鉴定出44个玉米CIPK家族基因,并将其分为5个亚家族,每个亚家族有不同的外显子-内含子和UTR的结构特征;基于基因差异表达分析,筛选出5个与抗旱性相关的候选基因ZmCIPK3、ZmCIPK7、ZmCIPK44、ZmCIPK25和ZmCIPK28;进一步的遗传数据表明,干旱胁迫下ZmCIPK3拟南芥转基因株系的存活率明显高于野生型,提高了拟南芥的抗旱性;同时,干旱胁迫下ZmCIPK3拟南芥转基因株系中抗旱性相关生化指标过氧化物酶、超氧化物歧化酶活性显著高于野生型,而丙二醛和脯氨酸的含量显著低于野生型。本研究在玉米全基因组水平上鉴定了CIPK基因家族成员,分析了其在不同抗旱性材料、不同水分处理下的基因表达模...     

芍药CIPK基因克隆及其响应钙调控的表达水平研究

研究钙离子传感器CIPK(calcineurin B-like protein-interacting protein kinase)基因在芍药(Paeonia lactiflora)不同组织及在正反向钙处理后花茎中的表达变化,为通过采前喷施钙溶液调控芍药花茎挺直度提供理论依据。本文实验以芍药‘红艳争辉’花茎RNA为模板,采用PCR技术对芍药CIPK基因进行克隆,并通过定量实时PCR技术对Pl CIPK基因表达进行分析。结果显示,克隆获得的Pl CIPK基因(Gea Bank MH748106)长1 467 bp,具有由1 314个碱基组成的完整开放阅读框,共编码438个氨基酸。Pl CIPK基因在N端具有一个蛋白激酶催化域,在C端具有一个高度保守的NAF调控域,属于CIPK家族基因。Pl CIPK基因在芍药各组织中均有表达,但在花茎中表达最高;在芍药花茎中,Pl CIPK基因的表达随着生长发育逐渐增加;采前钙处理提高了芍药花茎中Pl CIPK基因的表达,而钙螯合剂处理降低了其表达,推测钙能够调控芍药花茎中Pl CIPK基因的表达,影响其强度。本研究从一定程度上说明钙处理使钙调磷酸酶B蛋白(CBL)-CIPK调控增强,花茎品质提高,也为应用钙提高芍药切花花茎挺直度提供一定的理论参考。     

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。     

拟南芥钾离子吸收、转运及低钾胁迫的分子机理研究进展

钾(K)作为植物所需的3种大量元素之一,参与体内诸多的生理和生化过程,对于植物的生长和发育极其重要。目前,国内外学者对植物吸收、运输和利用K⁺的研究已有一定深度,尤其以模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.)为研究对象。其中,与K⁺吸收、转运相关的离子通道和转运蛋白一直都是研究热点。本文综合近年来国内外相关研究进展,主要阐述K⁺通道和转运蛋白,K⁺的吸收和运输,类钙调磷酸酶(Calcineurin B-Like,CBL)-CBL相互作用蛋白激酶(CBL-Interacting protein kinase,CIPK)信号途径,参与该信号转导的一些小信号分子,对K⁺研究方面存在的问题进行了总结,并对未来的研究方向进行了展望。     

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。     

钙结合蛋白对花粉生长发育调控研究进展

植物钙结合蛋白存在于花粉管中,通过直接或间接结合Ca~(2+),定位膜结构,形成Ca~(2+)信号通道,发生信号转导,对花粉发育及花粉管的生长起到调控作用。目前已明确以钙调蛋白(CAM)、钙依赖型蛋白激酶(CDPK)、类钙调蛋白(CML)、类钙调素B类蛋白(CBL)和激酶蛋白(CIPK)为主的植物钙结合蛋白在调控花粉发育及花粉管生长方面的重要作用。该文主要对近年来国内外已经明确的各类钙结合蛋白家族以及家族成员间不同的作用机理的研究进展进行综述,并举例阐述了钙结合蛋白家族中各类成员对花粉管特定的作用方式及调控作用,最后对今后相关领域的研究前景进行了展望。     

大豆类钙调磷酸酶B亚基GmCBL1互作候选蛋白的筛选

Ca2+是非生物胁迫信号转导途径中的重要信号分子,植物类钙调磷酸酶B亚基蛋白(CBL,calcineurin B-like proteins)是一类重要的钙信号受体蛋白,主要通过与其他蛋白的特异结合传递信号,使植物形成对非生物胁迫的响应。本实验室已经获得大豆Gm CBL1基因,功能鉴定显示Gm CBL1增强了转基因拟南芥对非生物胁迫的耐性。为了进一步研究Gm CBL1的作用机理,本研究构建诱饵载体p GBKT7::Gm CBL1,利用酵母双杂交技术筛选大豆Gm CBL1的互作蛋白。通过对筛选获得的106个蛋白基因测序和Blast比对分析,并根据其可能的生理功能对这些候选蛋白归类,整理得到4类蛋白:能量代谢相关蛋白、修饰蛋白、防御蛋白、钙信号转导相关蛋白。筛选得到候选蛋白的功能预测初步表明,大豆Gm CBL1参与多条信号途径,为进一步研究探索大豆CBL介导的抗逆信号转导途径奠定了基础。     

沙冬青CBL1蛋白纯化及性质研究

CBL是近年来发现的一类钙信号转导蛋白,CBL-CIPK组成的信号通路在植物应答生物和非生物刺激中发挥重要作用。其中CBL1和相应的CIPK在低钾,渗透压,干旱,机械损伤,及冻伤等环境胁迫中发挥重要作用。通过对沙冬青CBL1表面带电氨基酸定点突变,表面赖氨酸甲基化后电荷消除证明了沙冬青CBL1(AmCBL1)在钙离子存在下的非特异性聚集是由于分子间的电荷相互作用引起,三体蛋白很可能是沙冬青CBL1蛋白发挥功能的单位。通过甲基化可以得到聚合状态均一的蛋白,为CBL1晶体生长奠定了基础。     

胁迫相关基因CIPK14在PHYA介导抑制拟南芥远红光黄化苗转绿过程中的作用

本文对CBL互作蛋白激酶, CIPK14参与拟南芥光敏色素A介导的, 远红光黄化苗转绿抑制调控进行了研究. 结果发现, 拟南芥光敏色素A功能缺失突变体(phyA)远红光黄化苗(4天)转入白光处理后, 仅0.5 h叶片迅速转绿; 相同条件下, CIPK14基因插入失活突变体(cipk14)远红光黄化苗, 经过15 h白光处理之后叶片才开始转绿; 野生型(Col-4)远红光黄化苗转绿时间介于突变体phyA与cipk14之间. 基因表达分析表明, 上述不同基因型拟南芥远红光黄化苗转绿的快慢, 与原叶绿素酸酯还原酶基因表达量存在正相关性. 结合研究发现——CIPK14基因受到远红光调节, 并且表达具有时钟节律性认为, Ca²⁺调节蛋白CIPK14,可能在PhyA信号传导途径的上游分支介入PhyA介导的远红光黄化苗转绿抑制调控.     

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。     

小桐子JcCIPK2基因的克隆与表达分析

钙调磷酸酶B类似蛋白互作蛋白激酶(CBL-interacting protein kinase, CIPK)是一类植物中特有的丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)蛋白激酶,参与多种生物和非生物胁迫响应过程。该实验通过RT-PCR克隆了小桐子(Jatropha curcas L.)JcCIPK2基因cDNA全长序列,采用荧光定量qRT-PCR分析JcCIPK2基因在不同组织及不同处理(12℃和1℃低温、42℃高温、30%PEG、250 mmol/L NaCl、150μmol/L ABA)下的表达模式。结果显示:(1)小桐子JcCIPK2基因开放阅读框全长1 398 bp,编码465个氨基酸,相对分子量为52.95 kD,等电点为8.89。(2)蛋白质结构分析表明,JcCIPK2的N端含有位于第11～265个氨基酸之间的丝氨酸/苏氨酸激酶_蔗糖非发酵-1型相关蛋白激酶3催化域STKc_SnRK3,在激酶结构域内还具有激活环(Activation Loop);C端含有位于第316～430个氨基酸之间的CIPK蛋白激酶调控域CIPK_C,其调控域中含有CIPK家族典型的能与CBL特异性结合的NAF结构域,位于第314～369个氨基酸之间。(3)系统进化分析显示,小桐子JcCIPK2蛋白与同属于大戟科的木薯(Manihot esculenta Crantz.)同源关系最近,序列一致性达87%。(4)qRT-PCR分析表明,JcCIPK2基因在小桐子根、茎、叶中均有表达,经12℃和1℃低温处理后,叶片中JcCIPK2基因的表达都呈现先上调后下调表达的趋势,且都在低温处理24 h的表达量最高,与对照相比分别上调了6.0倍和16.72倍;小桐子JcCIPK2基因在42℃高温、30%PEG、150μmol/L ABA、250 mmol/L NaCl处理下也受到不同程度的诱导表达。研究推测,JcCIPK2基因在小桐子对逆境的响应与适应中起重要作用。     

持续激活型CIPK9在花粉管生长过程中的生物学功能及亚细胞定位分析

植物的花粉管生长是一个多因素参与的生理学过程,需要多种信号传导系统来引导植物细胞完成。钙离子作为第二信使,可以通过钙传感器CBLs激活下游的蛋白激酶CIPKs参与调控细胞的极性发育过程。该研究中 CIPK9 被确定为候选基因,其C端与绿色荧光蛋白(GFP)相融合,通过基因枪技术在烟草花粉中进行瞬时表达,观察对应的亚细胞定位及花粉管中诱导的表型。结果表明:(1)GFP标记的CIPK9定位于花粉管中高速运动的颗粒状细胞器,并可随胞质环流进行规律的运动,为进一步探究CIPK9的生物学功能,还构建了持续激活型CIPK9(CACIPK9)。(2)与全长CIPK9相比较,CACIPK9缺少C末端的调控区域,并在激酶区域的激活环中进行了点突变,从而表现出不受调控的持续高活性。(3)缺少C端调控区的CACIPK9表现出非特异性的亚细胞定位,即与GFP对照相同的胞内弥散定位,说明CIPK9的C末端调控区对于其在花粉管中的正确定位发挥重要的调控作用。另外,CACIPK9过表达可以引起花粉管的去极化生长表型。这表明CIPK9作为钙信号下游家族的一员参与了花粉管极性生长的相关过程,并对花粉管的生长具有一定的调控作用。     

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。