钙信使系统参与草酸对湖北海棠POD活性的诱导

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NO和钙信使系统在草酸诱导黄瓜叶片抗霜霉病中的作用

NO和钙信使系统在草酸诱导黄瓜叶片抗霜霉病中的作用刘高峰【摘要】The effect of oxalate,MB,EGTA,chlorpromazine (CPZ) and Li+ on the POD activity and the disease index of Pseudoperonospora cubensis leaves was investigated, with which treated the leaves, and the role of nitric oxide and calcium signaling in the resistance induced by oxalate in cucumber leaves was studied. The results showed that oxalate could increase POD activity in different degree with the concentration from 10 mmol/L to 70 mmol/L,and improve the resistance to P. cubensis,and reduce the disease index. The treatment with 30 mmol/L was the best. Four inhibitors could inhibit POD activity induced by oxalate and increase the disease index when they were applied at the same time as oxalate or before oxalate treatment, or after the oxalate treatment of 30 mmol/L. These results suggested that NO,Ca2+ ,calmodulin (CaM) and inositol-1,4,5-trisphosphate (IP3) might be involved in the signal transduction by which oxalate induced the systemic resistance to P. cubensis.%通过草酸及其与不同抑制剂亚甲基蓝、EGTA、氯丙嗪和Li+组合处理黄瓜叶片,研究了草酸与抑制剂不同处理组合方式对黄瓜叶片POD活性和叶片病情指数的影响,探讨NO、钙信使系统在草酸诱导叶片抗霜霉病中的作用.结果显示,10～70mmol/L草酸均能不同程度诱导黄瓜叶片POD活性的升高,提高叶片对黄瓜霜霉病的抗病性,降低叶片病情指数,并以30mmol/L效果最好.4种抑制剂分别与30mmol/L草酸同时或先于草酸处理,或草酸处理后一定时间再用抑制剂处理,均明显抑制黄瓜叶片POD活性的升高及病情指数的降低.研究表明,NO、Ca2+、钙调素(CaM)和磷酸肌醇均可能参与了草酸诱导黄瓜霜霉病抗性的信号转导过程.【期刊名称】《西北植物学报》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】6页(P969-974)【关键词】一氧化氮;钙信使;草酸;黄瓜霜霉病【作者】刘高峰【作者单位】菏泽学院园林工程系,山东菏泽274000【正文语种】中文【中图分类】Q945.78一氧化氮（nitric oxide，NO）广泛存在于植物组织中，是植物一种关键信号分子，能促进种子萌发和植物生长、调节气孔运动、延缓衰老、诱导程序性细胞死亡和防御相关基因表达［1－2］.NO作用的重要途径之一是激活鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，GC），导致环鸟苷单磷酸（cyclic guanosinemono－phosphate，cGMP）生成增加，激活依赖于cGMP的蛋白激酶，最终诱导植物相关抗病基因表达［3］.亚甲基蓝（Methylene blue，MB）是鸟苷酸环化酶的强效抑制剂，可抑制NO相关信号转导.Ca2＋在植物信号传递过程中起着重要作用，它能作为第二信使把外源信号转变为胞内信号而导致一系列事件发生［4］.EGTA是一种专一性Ca2＋螯合剂，可螯合胞外Ca2＋；氯丙嗪（chlorpromazine，CPZ）是钙调素（CaM）专一性抑制剂［5］.锂离子（Li＋）是磷酸肌醇磷酸酶（PLC）特异性抑制剂，能够抑制三磷酸肌醇（inositol－1，4，5－trisphosphate，IP3）产生，而CaM和IP3都能启动钙信号系统而引发生理反应［6－7］.草酸能够促进植物体内过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、多酚氧化酶（PPO）等多种防御酶系活性的升高，从而诱导多种植物产生局部和系统抗病性［8－11］.而POD既参与了苯丙氨酸代谢，以及木质素和植保素的形成，又作为一种抗氧化酶类在清除自由基方面发挥重要作用，因此POD活性增加常被认为是植物开始形成系统抗性的标志［12］.但作为胞外刺激信号，草酸激活植物系统抗性过程中需要哪些信号分子的参与，目前仍不明了.黄瓜霜霉病是世界性最普遍的、严重危害黄瓜生产的病害之一.目前关于草酸诱导黄瓜抗霜霉病方面虽有报道［13－15］，但主要集中在草酸诱导的抗病能力方面，对于其诱导抗病性的信号转导机制未见报道.本试验通过外施上述信号分子抑制剂，研究了NO和钙信使系统在草酸诱导黄瓜叶片POD活性及抗霜霉病过程中的作用，初步探讨了草酸诱导抗病性的机理，进而为揭示草酸诱导植物抗病性的信号传导过程奠定基础.1.1 材料供试黄瓜品种为‘新泰密刺’，购于菏泽艺农种业有限公司.供试黄瓜霜霉病原菌（Pseudoperonospora cubensis）由菏泽学院园艺综合实验室提供，从菏泽定陶设施大棚黄瓜病叶中分离获得.试验中所用草酸为国产分析纯，所用抑制剂（浓度）分别为：LiCl（20mmol／L）［16］、EGTA（5mmol／L）［17］、氯丙嗪（50μmol／L）［16］、亚甲基蓝（10μmol／L）［18］，除LiCl为国产分析纯外，其余均是Sigma产品.1.2 材料培养及菌液配置选择饱满、无病虫的种子，在25℃条件下浸种催芽，待种子露白后播种于直径11cm育苗钵中，等幼苗长到4叶期时进行实验处理.将收集的黄瓜霜霉病病叶先用无菌蒸馏水清洗后，再用湿润的纱布包裹放入20℃左右的培养箱中，保湿培养48h后，用毛笔刷下霉层，然后根据预备实验，用无菌蒸馏水稀释成大约为2.3×104个／mL的霜霉病病原孢子囊悬浮液待用.1.3 诱导处理与病菌接种草酸浓度试验设置0、10、30、50、70mmol／L 5个水平.不同浓度草酸处理黄瓜第2片真叶，处理后第5天选用第3片真叶测定POD活性.同时，另选一批黄瓜幼苗，用草酸处理黄瓜第2片真叶后，于第5天将黄瓜霜霉病病原菌悬浮液均匀喷洒于叶片的正反两面，14d后统计发病情况.根据上述实验结果，将叶片POD 活性高、病情指数低处理的浓度作为草酸最佳处理浓度（30mmol／L），进行下一步试验.抑制剂与草酸组合处理采用如下方式：（Ⅰ）草酸单独处理（30mmol／L）；（Ⅱ）草酸与抑制剂同时处理；（Ⅲ）先进行草酸处理，4h后进行相应抑制剂处理；（Ⅳ）先进行草酸处理，8h后进行相应抑制剂处理；（Ⅴ）先进行抑制剂处理，8h后进行草酸处理.按上述组合处理黄瓜第2片真叶后第5天测定POD活性；同时，另选一批黄瓜幼苗在相应各试剂组合处理第2片真叶后第5天进行挑战接种实验，将病原孢子囊悬浮液喷洒在第2片真叶的正反两面，接种后保温保湿36h，空气相对湿度在90%左右，平均气温在20℃左右.14d后统计发病情况，计算病情指数.整个试验中均以灭菌蒸馏水作为对照（CK），每个处理重复3次，每个重复处理10棵幼苗.1.4 POD活性和病情指数测定黄瓜叶片POD活性测定采用愈创木酚法，以每分钟470nm处吸光度值变化1为1个酶活性单位.黄瓜霜霉病病叶严重度分级标准为：0级，叶片无病斑；1级，病斑占全叶面积的5%以下；2级，病斑占全叶面积的5%～10%；3级，病斑面积占全叶面积的10%～15%；4级，病斑面积占全叶面积的15%～20%；5级，病斑面积占全叶面积的20%以上.每处理调查20株，病情指数分级计算公式如下：病情指数（%）＝∑（级数×该级数病株数）／（总调查株数×最高级数）×100% 1.5 数据处理应用DPS数据处理系统进行实验数据的方差分析、处理的差异显著性检验和多重比较.2.1 草酸处理对黄瓜叶片POD活性和病情指数的影响正如图1所示，不同浓度草酸处理均诱导了黄瓜叶片POD活性的升高，且与对照相比差异显著（P＜0.05），并随草酸浓度增加表现出先升高后降低的趋势；其中30mmol／L处理效果最好，比对照高出40.44%，而10mmol／L的处理酶活性最低，但仍比对照高出14.46%.草酸处理第2片真叶，第5天第3片真叶POD活性的升高，说明草酸对黄瓜叶片POD活性具有系统诱导的效果.这一点也被接种结果所证实.不同浓度草酸处理均显著降低了叶片病情指数（P＜0.05），并随草酸浓度增加表现出与POD活性相反的趋势；处理效果与POD活性变化规律相吻合，以30mmol／L处理病情指数最低，为对照的62.47%，而10mmol／L处理的病情指数最高，但也仅为对照的83.44%.2.2 亚甲基蓝对草酸诱导黄瓜叶片抗病性的影响从图2可以看出，亚甲基蓝无论是与草酸同时处理（Ⅱ），还是先于草酸处理（Ⅲ和Ⅳ）或后于草酸处理（Ⅴ），各处理后叶片POD活性均显著低于草酸单独处理（P＜0.05）；尤其是亚甲基蓝与草酸同时处理后的POD活性仅为草酸单独处理的85.96%，这说明亚甲基蓝不同处理方式可在不同程度上抑制草酸对POD 活性的诱导.尽管如此，草酸与亚甲基蓝同时处理的POD活性仍比对照显著高出14.54%，说明尽管亚甲基蓝抑制了cGC活性，仍有其他途径参与了信号传导过程.在病情指数方面，处理间变化规律与POD活性变化趋势基本吻合，即各处理均显著低于对照，以草酸单独处理最低，草酸与亚甲基蓝同时处理较高，但仍低于对照10.96%.2.3 EGTA和CPZ对草酸诱导黄瓜叶片抗病性的影响图3，A显示，EGTA可明显抑制草酸对POD活性的诱导，尤其是EGTA与草酸同时处理时（Ⅱ），其POD活性比草酸单独处理显著降低36.77%（P＜0.05），其病情指数也显著高于草酸单独处理58.83%，与对照值接近无显著差异.这说明Ca2＋对于草酸诱导黄瓜叶片POD活性升高可能是必要的.另外，草酸处理8h后再用EGTA处理（Ⅲ）的POD活性和病情指数表现均好于草酸处理4h再用EGTA处理（Ⅳ），说明草酸诱导处理后4～8h内可能仍有Ca2＋参与信号传导.EGTA先处理8h后再进行草酸处理，其POD活性和病情指数表现均明显好于对照而低于草酸单独处理，这可能是因为EGTA处理仅限制了部分胞外Ca2＋，8h内因有其他部位Ca2＋的补充而减弱EGTA的抑制作用.正如图3，B所示，CPZ与草酸同时处理时（Ⅱ），黄瓜幼苗叶片POD活性和病情指数均与对照相近，差异不显著（P＜0.05）；草酸处理8h后再进行CPZ处理（Ⅳ）仍明显抑制POD活性的升高，与草酸单独处理（Ⅰ）相比，POD活性低9.17%（P＜0.05）.这很可能是因为Ca2＋与CaM结合后可激活细胞内多种与抗病反应相关的靶酶，而CPZ抑制CaM的活性，从而明显抑制草酸诱导POD活性的信号转导过程.CPZ处理8h后进行草酸处理（Ⅴ）的POD活性和病情指数，与草酸4h＋CPZ处理（Ⅲ）、草酸8h＋CPZ（Ⅳ）处理相比，均表现较差，也说明了CPZ处理对草酸诱导抗病性的信号转导有一定的抑制作用.2.4 LiCl对草酸诱导黄瓜叶片抗病性的影响由图4可见，LiCl处理可抑制草酸对黄瓜叶片系统抗病性的诱导，尤其是草酸和LiCl同时处理时，其病情指数接近对照，与草酸单独处理相比，叶片POD活性的诱导被显著降低23.03%.另外，草酸处理4h、8h后再用LiCl处理的POD活性和病情指数表现明显好于对照，这可能是因为由于PLC可被低浓度的Ca2＋浓度（＜1μmol／L）激活，草酸处理4h后已经在一定程度上激活相关钙信号系统.而草酸处理4h后LiCl处理与草酸处理8h后LiCl处理相比，其病情指数差异不显著，这也说明草酸处理后4h内磷酸肌醇介导的信号转导途径很可能已被激活.草酸可诱导多种植物的抗病性，促进植物体内防御酶系活性的升高［8－11］，而POD活性增加常被认为是植物开始形成系统抗性的标志［12］.本实验结果显示，喷施草酸可诱导黄瓜叶片POD活性的升高，降低黄瓜霜霉病的病情指数，且30mmol／L浓度处理效果最好.由此可见，草酸处理可诱导黄瓜叶片对霜霉病的抗病性.一般来说，植物抗病性诱导过程可分为3个阶段：一是诱导处理；二是诱导的抗病信号传递和转导；三是病原物侵染和诱导抗病性的表达［19］.而抗病信号的传递和转导是植物产生诱导抗病性的关键和内在机制.目前已有研究发现，NO、钙信使系统、肌醇磷脂系统参与了一些植物抗病信号的传递与转导过程［9，11］.本试验中亚甲基蓝各个处理均在不同程度上抑制了草酸的诱导作用，则说明NO很可能参与了草酸诱导黄瓜叶片抗霜霉病的信号转导过程.在抗病信号转导过程中，NO可激活鸟苷酸环化酶（guanylate cyclase，cGMPase）以合成环状鸟苷酸（cylic GMP，cGMP）而发挥信号作用.而cGMP和NO可诱导环状ADP核糖（cADPR）的合成［20］.cADPR负责调动钙离子流，是NO诱导反应的下游信使分子之一［21］.因此可推测，NO可能是通过调动钙信使系统而参与草酸诱导的抗病性过程，但也不排除存有其他途径，对此仍有待进一步研究.另外，值得注意的是，亚甲基蓝与草酸同时处理的POD活性虽低于草酸单独处理，但仍高于对照，这可能是因为植物中的NO信号转导过程包括依赖cGMP的信号转导和不依赖cGMP的信号转导两条途径，其中不依赖cGMP的信号转导途径还包括NO通过直接调节转录因子构象来调节植物基因表达［22］，草酸与亚甲基蓝同时处理后不依赖cGMP信号转导参与调控相应的信号转导过程，进而激活了相应POD同工酶基因的表达.通常认为，钙信使系统广泛参与植物抗逆性反应.逆境可诱导植物产生钙信号和钙结合蛋白增加，Ca2＋与钙结合蛋白可激活相应的靶酶或靶蛋白，通过调节多种酶或蛋白的活性而促进植物体产生有利于抵抗不良环境的生理生化反应，以提高植物体适应逆境胁迫的能力.本试验通过使用EGTA、氯丙嗪（CPZ）抑制了草酸对叶片POD活性的诱导以及病情指数的降低，则证明Ca2＋／CaM信使系统很可能参与了草酸诱导系统抗病性的信号转导过程.而钙信使系统在执行功能上与植物肌醇磷脂系统有着密切联系.一方面Ca2＋控制着PLC的底物专一性，决定IP3和DG的形成；而IP3信号传递分支的作用需要通过激活钙系统，DG的靶酶蛋白激酶C（PKC）的活化也依赖于Ca2＋；另一方面IP3的量又影响着Ca2＋的产生，PKC对于膜上Ca2＋通道具有反馈调节作用.可见PLC既可影响钙信使系统，也会影响蛋白质磷酸化过程［13，23］.本试验通过PLC抑制剂Li＋来抑制IP3的循环和DAG的生成，最终抑制了草酸对系统抗病性的诱导.结合钙离子螯合剂EGTA和钙调素抑制剂CPZ的作用效果，肌醇磷脂系统很可能通过影响钙信使系统也间接地参与了草酸诱导系统抗性的信号传导过程，但也不排除通过调节蛋白质磷酸化途径而影响信号转导，对此仍有待进一步探讨. 综上所述，NO、钙信使系统与肌醇磷脂系统很可能均参与了草酸诱导黄瓜叶片抗霜霉病的信号转导过程.但三者之间的相互关系仍有待进一步确定，NO与肌醇磷脂系统是否均通过影响钙信使系统参与信号转导，还是存在其他机制，这也是我们下一步将要研究的问题之一.【相关文献】［1］ BELIGNI M V，LAMATTINA L.Nitric oxide stimulates seed germination and de－etiolation，and inhibits hypocotyl elongation，three lightinducible responses in plants ［J］.Planta，2000，210（2）：215－221.［2］ CHANDOK M R，YTTERBERG A J，VAN WIJK K J，et al.The pathogen－inducible nitric oxide synthase（iNOS）in plants is a variant of the P protein of the glycine decarboxylase complex［J］.Cell，2003，113：469－482.［3］ DURNER J，WENDEHENNE D，KLESSIG D F.Defense gene induction in tobacco by nitric oxide，cyclic GMP，and cyclic ADP2ribose［J］A，1998，95（17）：10 328－10 333.［4］ ZHANG B（张蓓），LIU G（刘刚），WANG D M（王冬梅）.The specifity of calcium signal in plant defense response［J］.Chinese Journal of Cell Biology（细胞生物学杂志），2008，30：611－616（in Chinese）.［5］ FAN ZH H（樊志和），ZHOU R G（周人纲），LI X ZH（李晓芝），et al.Calcium－calmodulin and the inducement of heat shock proteins in wheat seedling［J］.Acta 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钙依赖蛋白激酶(CDPKs)在植物钙信号转导中的作用

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【doc】钙离子信号与细胞凋亡

钙离子信号与细胞凋亡生物物理gg---4-一卷ACTABIoPHYSICASINICA第一期二oo五年二月VOI.21No.1Feb.2005钙离子信号与细胞凋亡郭静,蒲咏梅,张东才(香港科技大学生物系,中国香港)摘要:细胞凋亡的分子机制是什么?这个问题当前引起人们广泛的研究兴趣.作为重要的第二信使,钙信号在许多生理和细胞活动中都起到了十分重要的作用.钙信号是否也在凋亡的调控中起作用呢?虽然在过去十多年中,许多研究证据都表明钙信号参与凋亡的调控,但是,钙信号如何作用于凋亡过程的具体机理仍然是众说纷纭.事实上,许多研究结果仍存有争议.文章总结了近几年来大量关于钙信号与凋亡研究的成果,集中讨论了两个问题:1)在凋亡前期"决定阶段"有没有钙离子信号的参与?2)钙离子信号与哪些凋亡调控因子(包括Bcl一2族蛋白)相互作用及如何作用?这问题还牵涉到亚细胞结构中钙库的作用(包括细胞质,内质网和线粒体.根据作者自己的实验结果,文章对这些文献中不同的说法作了一些具体的评估.最后,文章还提出了一个钙离子信号参与调控细胞凋亡的可能模型.关键词:钙离子信号:凋亡;线粒体;内质网;Bcl一2族蛋白;钙离子中图分类号:Q249,Q2551引言凋亡,又名细胞程序性死亡,是诱导性的细胞自杀过程,它使生物体可以有序地清除受损伤或无用的细胞[】I.自从1972年JohnKerr第一次提出凋亡这个概念后,人们发现它在多细胞生物的基本生命活动中起着十分重要的作用.首先,它对于生物发育过程中控制细胞数量平衡必不可少,例如,手指的形成和神经元与靶细胞之间联系的建立都依赖于器官中某些特定细胞群体的凋亡.凶此,细胞凋亡的缺陷会导致严重的发育畸形[2J.同时,许多病理过程,如缺血再灌注损伤,坏死,神经系统退行性病变以及病毒侵害或化学毒性等都与凋亡有关.此外,由基因变异而引起的细胞凋亡的抑制会导致肿瘤的发生或化疗耐受的产生[1]].正因为凋亡在生理学及病理学上的重要性,过去30年来,它引起了人们极大的兴趣.虽然近来的研究揭示出凋亡是由十分复杂的信号传导通路所调控的,但是,调控凋亡的具体机理仍然不十分清楚.目前已知有_=.个主要的信号传导通路[13],它们是:1)线粒体通路[14,15];2)死亡受体通路7J;3)内质网通路.所有这些信号传导通路都能激活凋亡执行者.caspase3,它会水解各种各样的细胞成分而使其凋亡[19J.在动物细胞中,线粒体通路是最普遍的凋亡机制[20川.线粒体是这个通路中的核心(图1).简而言之,细胞外或细胞内的凋亡信号会激发细胞质内Bc1.2族促凋亡蛋白,如Bax的激活.然后,这些凋亡的调节因子会转移到线粒体并且诱导线粒体膜间质凋亡蛋白(如细胞色素C(cytochromeC,Cyt.C).Smac/DABLO(secondmitochondria- derivedactivatorofcaspase),凋亡诱导因子(apoptosisinducingfactor,AIF)和核酸内切酶G(endonucleaseG,EndoG)等)的释放l14.细胞色素C是最关键的凋亡调节因子之一,从线粒体释放后,它会与凋亡酶启动子(Apoptoticproteaseactivatingfactor.1,Apaf-1)结合,在有脱氧三磷酸腺苷(dATP)存在的情况下,激活Apaf-1[24J.活化的Apaf-1会结合procaspase.9而将之切割和活化.活化的caspase.9会切割procaspase.3并产生活化的caspase.3的四聚体].同时,由于胞质内的凋亡蛋白抑制因子(inhibitorofapoptosisprotein,lAPs)可通过结合caspase的催化位点而抑制活化的caspaset,所以,线粒收稿日期:2005—02—05通讯作者:张东才,电话:852.23587326,传真:852—23581559,E-mail:************** LaboratoryofCellularCarcinogenesisandTumorPromotion, CenterforCancerResearch,NationalCancerInstitute,National InstitutesofHealth,Bethesda,MD20892,USA2生物物理DeathreceptorsIrradiationChemicalreagents(e.g.Tr,Fas,etc.)(e.g.UV;x—ray,~/-ray,etc.)(e.g.Thapsigargin,Taxol,etc.) ProteolysisandcelldeathActivecaspase-3Fig.1Themitochondria-dependentsignalingpathwayofapoptosis.Manyextracellularorint racellularapoptoticstimuli,includingdeathreceptors,irradiationorchemicalreagentscantriggertheactivationo fthepro—apoptoticBcl-2familyproteinsinthecytoso1.Theseapoptoticregulatorswilltranslocatetomitocho nd fiaandinducethereleaseofcytCfromitsinter-membranespace.ThereleasedcytCthenbindstoApaf-1andactivatesApaf-1inthepresenceofdA TP.TheactivatedApaf-1thenrecruitsprocaspase一9andtriggersitsactivationbyauto-cleavage.Theactivatedcaspase-9inturncleavesprocaspase-3andgeneratesanactivet etramericform.Thecatalyticsitesoftheprocessedcaspases,however,areimmediatelyboundedbythelAPs(inhi bitorofapoptosisproteins).Atthesametime,anotherreleasedmitochondrialproteinSmac/DABLObindstol APsandremovesthemfromtheprocessedcaspases.Thecaspasesarenowfreetocleavetheirsubstratesandcau secelldeath.体会同时释放出另一个线粒体蛋白Smac[2728],它可通过结合imps而去除imps对caspase的抑制作用从而使caspase的催化位点再次暴露_29J.在死亡受体通路中,caspase一3的激活依赖于细胞膜上死亡受体的活化[3o].当肿瘤坏死因子d (tumornecrosisfactord,TNFot)或Fas配体(Fasligand)与它们在细胞膜上的受体结合时,会促使受体三聚体的形成并通过胞质侧的死亡区域吸引procaspase一8到细胞膜.活化的caspase一8可切割procaspase一3,从而产生活化的caspase一3.此外,caspase一8还可以通过切割而激活单BH3促凋亡Bcl一2族蛋白(BH3onlyproapoptoticprotein)Bid.被切割的Bid会转移到线粒体引起膜间质凋亡蛋白的释放_32].在内质网通路中,caspase一3是被位于内质网上的caspase一12所激活的_33].Caspase一12主要位于内质网膜的胞质侧,当内质网的稳态被破坏,如内质网钙离子排空时,caspase一12会被激活.有证据显示caspase一12的激活依赖于钙调蛋白水解酶(calpain)[341.其具体的机制仍然在探索中.钙离子作为一个主要的细胞内信使,参与调控许多细胞和组织的生理活动,包括肌肉收缩,新陈代谢,分泌以及细胞分裂_35.在静息生理状态下,细胞内钙离子浓度总是保持在极低的水平,约为10mol/L.细胞内外的钙离子浓度差大约为一万倍.图2显示了细胞内钙离子分布及流动的调节机制.当遇到相应的刺激时,细胞会通过多种途径瞬间提高胞内局部或全部的钙离子浓度.有人发现细胞内钙离子浓度在细胞死亡过程中有变化,并且这种变化与许多病理状态相关,例如,心脏缺血_3s-4o[,肌肉营养不良],脑缺血损伤[42,43]和低血糖症等.第l期钙离子信号与细胞凋亡3MitochondriaFig.2TheregulationofintracellularCa2+compartmentalization.CellularCaimportthroug htheplasmamembraneOCCBrSlargelybyreceptor—operated(forexample,glutamatereceptors),voltage?sensitiveandstore—operatedchannels.Onceinsidethecell,CacaneitherinteractwithCa2+-bindingproteinsorb ecomesequesteredintotheendoplasmicreticulum(ER)ormitochondria.ThelargestCa2十storeincellsisfoundintheERorsarcoplasmicreticulum,withlocalCa2~concentrationsreachingmillimolarlevels.Ca 2+levelsintheERareaffectedbytherelativedistributionofSarCO(endo)plasmicreticulumCa2+-ATPase(SERC A)pumpsandofinositol—l,4,5一trisphosphate(Ins(1,4,5)P3)receptors(Ins(1,4,5)P~Rs)andryanodinereceptors(RVRs),as wellasbytherelativeabundanceofCa2--bindingproteins(calreticulin,calsequestrin)intheERorsarc oplasmicreticulum.ThecytosolicCa2concentrationinunstimulatedcellsiskeptat～l00nmo1/LbybothuptakeintotheERand Cextrusionintotheextracellularspacebytheplasma-membraneCa2+-ATPase(PMCA).ER Ca2+releaseis triggeredbyagoniststimulationthroughthegenerationofIns(1,4,5)P3throughhydrolysisof phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate(PtdIns(4,5)P9operatedbyaphospholipaseC(PLC~/).Themitochondriata keupC矿electrophoreticallythroughauniporttransporterandcanreleaseitagainthroughthreediffere ntpathways:reversaloftheuniporter,Na+/H+-dependentCa2exchange,orasaconsequenceofpermeabilitytrans itionpore(PTP)opening.ThePTPcanalsoflickertoreleasesmallamountsofCa2+.Ca2十effluxfromcellsisregulatedprimarilybythePMCA,whichbindscalmodulinandhasahighaffinityforCa2+.Ca>effluxmightal sobemediatedbytheNa*/Ca~-exchanger(NCX).【Ca2十],calciumconcentration;DAG,diacylglyceride.(Reproducedfromreference[37】withpermissionfromNatureReviewsMolecularCellBiology).2钙信号是否参与凋亡?早在1974年,Fleckenstein等就提出钙离子可能参与某些重要的细胞死亡过程,他们发现过多钙离子进入心肌细胞会导致细胞死亡,这可能是缺血时造成心肌病变的机制.随后的研究中,人们通过应用钙离子载体A23187(增加细胞质内钙离子浓度)或钙离子螯合剂(抑制细胞质内钙离子浓度的增加),进一步证明了细胞质内钙离子浓度的增加可能导致细胞死亡.有结果表明A23l87可以模拟皮质类固醇激素所引起的淋巴细胞的死亡,相反,用乙二醇双四乙酸(EGTA)螯合培养液中的钙离子可以抑制皮质类固醇激素的作用.可是,由于当时对细胞凋亡的认识仍比较局限,所以这些4生物物理2005笠钙离子浓度升高所导致的细胞死亡究竟是坏死(necrosis)还是凋亡(apoptosis)并不清楚.其后,随着对细胞凋亡认识的不断提高,人们逐渐意识到钙离子可能参与凋亡的过程.McConkey与Orrenius的研究小组[47-58]在早期运用各种凋亡的诱导剂和细胞模型进行了一系列的工作,他们的结果表明核酸内切酶的激活和细胞凋亡依赖于早期持续的细胞质内钙离子浓度的升高.其后不久,在许多其它的凋亡系统中也得到了类似的结果[59~61].虽然早先的研究有力地表明钙离子可能在凋亡的信号传导通路中起到了十分重要的作用,但是,一些重要的问题仍然没有解决.第一,钙离子载体的试验结果仅仅表明细胞质内的高钙水平可诱导细胞死亡,并不表明细胞质内钙离子浓度的升高是其它在生理及病理情况下发生的凋亡过程所必需的;第二,上述研究中,人们就所观察到的细胞质内钙离子浓度的升高是凋亡的结果还是原因仍然存在争议.为了更有说服力地证明细胞质内的钙离子信号参与凋亡的调节,必须证明阻止了细胞质内钙离子浓度的升高会抑制凋亡.因此,许多研究小组在实验中运用膜可通透的钙离子螯合剂(BAPT～AM)抑制细胞中的钙信号来研究细胞质内钙信号与凋亡的关系[62-72].但是,结果却非常有争议.虽然有些研究显示BAPTA/AM可以在一定程度抑制凋亡[65-68],其它的一些报告却指出BAPTA/AM根本不能抑制凋亡[62.在某些情况下,人们甚至发现BAPTA/AM本身就可以诱导脱氧核糖核酸的裂解(DNAfragmentation)和细胞死亡].由于这些实验结果,近几年来有些实验室认为钙离子信号并不参与某些凋亡过程的调控,例如,有研究显示在锌离子的螯合剂TPEN诱导的胸腺细胞的凋亡中,胞内钙离子浓度并无升高,而且应用钙离子螯合剂对凋亡也没有影响[74].McFarlane等也发现在TNF诱导的HeLa细胞的凋亡中,没有钙离子信号的变化,同时,应用钙离子螯和剂EGTA和BAPTA—AM以及Ca+-ATPase抑带0齐0thapsigar—gin,均对细胞凋亡没有影响[72].为了阐明细胞质内钙离子是否参与凋亡调控这个问题,我们进行了一系列的试验来研究不同类型的钙离子信号阻滞剂对紫外线[75]和过氧化氢所诱导的凋亡的影响.我们发现,膜可通透性的BAPTA/AM只能抑制过氧化氢诱导的成神经细胞瘤细胞(neuroblastomacel1)的凋亡(未发表的数据),而不能抑制紫外线所诱导的海拉细胞(HeLacel1)的凋亡(图3A).但是,膜非通透性的BAPTA可以抑制紫外线所诱导的海拉细胞(HeLa cel1)的凋亡(图3B).我们的研究结果无疑表明在这两个系统中,阻止细胞质内钙离子浓度的升高可以显着抑制细胞凋亡.另外,在HeLa细胞中,当应用内质网膜1,4,5一三磷酸肌醇受体(inositolTimeafcerUV—irradiationFig.3TheeffectofBAPTA/AM,BAPTAandhepafin onUV—inducedapoptosisinHeLacells.(A)Percent OfUV—inducedapoptoticcellsasafunctionoftime withorwithoutpre?-treatmentofmembrane?-impermeant BAPTA/AM.口:Control;一:BAPTA/AM.rB1Percent OfUV—inducedapoptoticcellsasafunctionoftime withorwithoutpre—loadingofmembrane—permeant BAPTA.口:Control;一:BAPTA.rC1Percentof UV—inducedapoptoticcellsasafunctionoftimewith orwithoutanIP3Rblockerheparin.口:Control;一:Hepafin.(Reproducedfromreference[751).∞加∞如∞如加m㈧㈣㈣第1期钙离子信号与细胞凋亡1,4,5.triphosphatereceptor,IP3R)的拮抗剂肝素(heparin)来阻止钙离子从内质网的释放时,我们也得到了相似的结果(图3C).我们这些发现有力地表明细胞质内钙离子浓度的升高的确参与驱动凋亡进程的信号传导.我们认为上文提到的BAPTAM的不同效果可能是由于它对不同亚细胞分布的钙离子的不同作用造成的.因为BAPTAdAM是膜可通透的,在一些细胞中它进入细胞膜的同时也可以进入细胞器,如内质网,并在其中蓄积.因此,BAPTA/AM不仅可以阻止细胞质内的钙离子浓度的升高,它还可能螯合内质网腔内的游离钙离子.因为内质网钙离子的排空可以激发凋亡【18,62],所以在一些凋亡的模型中,BAPTAdAM可能会产生这种副作用从而促进凋亡.这种副作用在使用膜非通透性的BAPTA或者hepafin时就可以完全避免.因此,有些研究如果只凭BAPTA/AM不能降低凋亡就认为细胞质内钙信号并不参与凋亡的调控,其结论是站不住脚的.3是否有早期钙信号参与凋亡中线粒体膜通透的上游传导通路?凋亡的过程包括两个主要的阶段:早期的决定阶段(commitmentphase)和后期的执行阶段(executionphase).有报告指出在凋亡的执行阶段可观察到细胞质内持续的钙离子浓度的升高[53～5458]. 人们相信这种持续的钙离子浓度的升高参与了脱氧核糖核酸的裂解[49,8].而更令人关注的问题是,钙离子是否参与凋亡早期的信号传导?以前的研究表明钙离子可能会作用于凋亡通路中线粒体细胞色素C释放或caspase一3激活的上游,例如,有人指出细胞质内钙离子浓度的升高可能直接作用于线粒体,导致离体的线粒体肿胀并释放细胞色素c【'".为了更有力地回答这个问题,必须解决两点:第一,直接测量细胞质内钙离子的浓度以证明钙离子浓度的变化发生在凋亡的早期;第二,用钙信号阻滞剂汪明凋亡可以被抑制在早期阶段.凶为在不同的细胞中凋亡的发生是不同步的,所以要在细胞群体中捕捉瞬间的钙离子的升高(假如有的话)是很困难的.因此,为了测定凋亡过程中细胞质钙离子浓度的动态变化,单一细胞测量技术是必不可少的.当然,在单个哺乳动物细胞中直接测量细胞质钙离子的浓度并不容易,这需要高精确度及敏感度的成像工具.在几年以前,已有一些关于在单个活细胞中测量凋亡中细胞质钙离子浓度的报告,例如用tiara.2的比率成像,在HL.60凋亡细胞中, Lennon等[82]观察到凋亡晚期细胞内钙离子浓度的升高.根据他们的解释,这些升高显然是凋亡的结果,而不是原因.用钙离子敏感的荧光探针Fluo.3,在抗Fas一抗体处理的Jurkat细胞中, Scoltock等发现1～2小时后细胞内钙离子浓度持续地升高.但是,这种细胞内钙离子浓度的增加被证明只是脱氧核糖核酸裂解选择性的必要条件,并不是早期的凋亡活动【83_.然而,Tagliarino等V4]发现在pachone处理的MCF.7细胞加药后几分钟内细胞质内有早期钙离子短暂的升高.他们相信这一细胞内钙离子浓度的改变在线粒体上游凋亡的早期信号传导通路中起到了关键作用.为了近一步探索这个问题,我们应用高度敏感的钙离子荧光探针(连接了l0ku右旋糖苷的calciumgreen一1),测量了在紫外线或TNF诱导的HeLa细胞[851及过氧化氢诱导的成神经细胞瘤细胞凋亡的两个模型中细胞质内钙离子浓度的变化.在紫外线或TNFd诱导的凋亡中,我们发现有部分的HeLa细胞在凋亡的早期阶段显示出一系列反复的钙峰(图4).这些瞬间的细胞内钙离子浓度的fA1fB1Fig.4Samplerecordsshowingthedynamicchangeofthe integratedfluorescencesignalofCaGn-linHeLacells undergoingUV—inducedapoptosisfA,or丁NF—n—induced apoptosis(B).I_口r1『100口Q∞0'10一■口J工o0口03S0_l0=6十物物理增高似乎在细胞色素C释放的上游,凶为当钙离子浓度的升高被抑制时,细胞色素C的释放也被有效地抑制和推迟了.在第二个模型中,我们发现在成神经细胞瘤细胞中,在最初的3分钟内,过氧化氢可导致钙离子浓度快速的升高,其后是缓慢持续的钙离子浓度的升高.螯合细胞内钙离子浓度的升高也可以抑制细胞凋亡和细胞色素c的释放(未发表的数据).这些结果有力地表明,在线粒体上游,早期的钙离子信号在调控凋亡的进展中有重要作用[85].实际上,一些间接的证据也显示了细胞质内钙离子浓度的增加参与早期凋亡活动.例如,当在神经酰胺预处理的细胞中应用_一磷酸腺苷时,胞质内会产生IP相关的钙峰,从而促进细胞色素C的释放.而且,有报告指出通过调节IP受体所引起的钙离子浓度的升高可以直接调控细胞死亡机制.疆差当I型lP受体缺乏时,地塞米松,电离辐射,T细胞受体或Fas的激活都不能引起细胞质钙离子的升高,同时凋亡也会被抑制,而在IP受体缺乏的T细胞上表达恒定活化的钙调神经磷酸酶A(calcineurinA)后,细胞对凋亡诱导剂的敏感性可以恢复[87,88].所以,从我们的直接实验结果及其它的研究提出来的间接证据,都显示有一个早期的钙信号参与了细胞凋亡的调控.从我们对紫外线及TNFo/.诱导的凋亡的研究中可以得知,在凋亡过程的不同阶段中可能有多种钙离子浓度的变化(图5).在凋亡早期的"决定阶段",钙信号显然是调控机制中重要的一环.至于在"执行阶段"观察到的钙离子浓度的升高,虽然据称与脱氧核糖核酸的裂解在时间上吻合,但仍未有充分的证据显示它在功能上的重要性.因此不能排除这个晚期升高的钙信号可能是由凋亡产生的副作用.TimeafterUV—irradiation(min)Fig.5DynamicchangeofthefluorescencesignalofCaGn一1andcellsizeduringthe commitmentphaseandtheexecutionphaseofUV—inducedapoptosisinHeLacells. ——:Fluorescence;…△…:Cellsize4钙信号~nt.--I与凋亡的信号传导通路相互作用?虽然钙离子信号的确参与了早期的凋亡活动,但是,对于钙离子信号如何激发早期凋亡活动的确切机理仍然不清楚.人们只知道钙离子的作用很可能是通过钙离子依赖的酶起作用,至于通过哪种酶及酶的底物,则仍需要进一步的探索.目前,已经有大量的研究朝这个方向发展.4.1细胞质内钙信号的下游标靶4.1.1钙调蛋白分解酶(calpain)许多研究表明calpain可能作用于细胞质内钙离子的下游来激活凋亡的过程.可能的calpain的标靶包括:1)calpain可以切割并激活Bax[89].有报告指出calpain可以切割Bax的N端,产生一个强力促凋亡的l8ku的较大片断,从而促进细胞色素C的释放[9c~92].不过,我们实验室通过使用融合第l期钙离子信号与细胞凋亡绿色荧光蛋白(GFPgene—fusion)技术显示,在紫外线诱导的凋亡过程中,这个建议的机制并未在活细胞内发生,因而在某些凋亡过程中,这个机制并不成立.2)calpain可以通过切割激活Bid.有人发现在人黑素瘤细胞中,凋亡诱导剂cisplatin可以使Bid被切割,产生一个l4ku的片段,从而激发离体的线粒体中细胞色素c的释放.Chen等的工作也显示在体外情况下重组的Bid也可以被calpain切割成片段而激发细胞色素C的释放.3)位于内质网的caspase一12的激活也依赖于cal—pain的活化.有证据显示calpain抑制剂可以抑制内质网应激所诱导的caspase.12的活化.4)cal—pain可以切割x染色体连锁的凋亡抑制蛋白(x—chromosome—linkedinhibitorofapoptosisprotein, XIAP)而去除其对capases的抑制作用. Kobayashi等】近来的研究显示在体外的情况下calpain可切割XIAP,使其不能与caspase一3的催化位点相结合.5)calpain可以通过激发cal—cineurin依赖的通路促进凋亡.近来有报告显示calpain可通过切割calcineurin的内源抑制剂cain/cabin1,使calcineurin从抑制剂释放出来并激活calcineurin依赖的凋亡通路.我们的研究也发现calpain的抑制剂可以显着抑制紫外线诱导的HeLa细胞凋亡中细胞色素C的释放及凋亡细胞的数量(图6B).4.1.2钙调神经磷酸酶(calcineurin)calcineurin的抑制剂环孢霉素A可以抑制某些凋亡过程的研究使人们认识到calcineurin可能参与凋亡的调控[97,98].体外的研究显示活化的calcineurin可以使Bad去磷酸化,使其与抑制蛋白14—3—3解离,然后转移到线粒体激发细胞色素C的释放.而且活化的calcineurin可引起基因转录的改变,这也可能是一个调控凋亡的机制【too].因此,calcineurin作为钙离子信号的下游是可以作用于线粒体上游的早期凋亡阶段的.此外,在我们的实验中,我们也观察到calcineurin抑制剂的确可抑制紫外线诱导的HeLa细胞的凋亡中细胞色素c的释放及凋亡细胞的比例(图6A).Fig?6(A)Effectsofapplicationofacalcineurin(CN)auto—inhibitorypeptideonUV—inducedapoptosisinHeLacells.口:Control;-:CNinhibitor.(B)TheprotectiveeffectofcalpaininhibitorfALLN)on uv—inducedapoptosisinHeLacells.口:Control;■:ALLN4.1.3DAP激酶DAP激酶是一族死亡相关的蛋白激酶]tot,to2].它们的调节机理与CaMKII十分相似,即含有一个自体抑制的CaM结合区域.而且,DAP激酶还含有一个C末端的自体抑制的死亡区域].正如CaMKⅡ一样,DAP激酶的激活依赖于细胞中钙离子浓度的升高[101,102].有报告显示DAP激酶参与TNFo~或Fas诱导的凋亡[103].但是DAP激酶如何调控凋亡过程的机理仍然不清楚.4.1.4对线粒体钙稳态的直接作用近来,人们发现线粒体的钙超载在某些凋亡中起到了至关重要的作用04].那么,线粒体中升高的钙离子来自哪里呢?有人认为线粒体中的钙离子可直接来自细胞质.有研究显示,虽然细胞质内钙离子升高的平均水平不超过微摩尔浓度,但是,长时间的蓄积也会增加线粒体内钙离子的浓度[105,106]. 另外,在内质网和线粒体外膜的近距离的接触区域内,从内质网释放的钙离子也可以几乎直接流入线粒体.有人发现线粒体钙离子的摄取发生得很快并且依赖于内质网膜上受体开口处细胞质内钙离子的浓度梯度[10].通过这些途径所产生的线粒体钙离子的聚集会直接破坏线粒体膜电位,从而引起5O5O5O5O13,,'1l∞一一..pa∞矗一.J...lJ.)B65432l∞一一...∞盘一.J_..lJ0)A8生物物理2005在线粒体膜间质凋亡蛋白的释放].有人提出线粒体钙离子的主要标靶是线粒体通透性转换孔(mitochondrialpermeabilitytransitionpore,PTP)[1131.一些研究显示PTP参与线粒体凋亡因子的释放,如细胞色素C(参考综述[21]).近来,Rizzuto的研究小组…报告高表达PTP的组成成分之一的VDAC(voltage.dependentanionchanne1)可以加强IP受体介导的线粒体钙离子的摄取和神经酰胺所引起的凋亡.然而,关于PTP的开放是否会造成线粒体蛋白的释放仍然在争论中[1l4~121]. 根据我们在单个活细胞中的研究,我们认为PTP在凋亡中的作用可能是参与控制线粒体钙离子的流通而不是细胞色素C的释放Ill9].4.2钙信号与Bcl一2族蛋白的相互作用Bc1.2族蛋白包括多至4个保守的BH区域(Bc1.2homologydomain).根据不同的结构和功能特征,Bc1.2族蛋白可分为两类,即抗凋亡和促凋亡蛋白.抗凋亡蛋白包括Bc1.2和其它5个相关蛋白(Bc1.xL,Bc1.w,Al,Mc1.1,Boo/Diva).促凋亡蛋白则可再分为两组:多区蛋白(themulti.domainproteins),如Bax,Bak和Bok等;单BH3蛋白(BH3domainonlyproteins),如Bid,Bad,Bim等[26].近几年来大量的研究表明,在细胞质及线粒体外膜上,Bc1.2族抗凋亡蛋白可以通过中和Bc1.2族促凋亡蛋白来抑制细胞凋亡【24].然而,近年来,Bc1.2族蛋白在内质网上的作用受到越来越多的关注.因为钙离子在调控细胞凋亡中起着重要的作用,而内质网又是参与调控钙离子稳态的主要细胞器,所以位于内质网上的Bc1.2族蛋白如何调控钙离子的稳态引起人们浓厚的兴趣[7].4.2.1Bc1.2尽管人们认为Bc1.2主要是在线粒体上起作用,但在某些细胞类型中,它还分布于其它细胞内膜结构,例如内质网和核膜.早在十年前人们就开始了关于Bc1.2调节细胞内钙离子稳态的研究[I230].当时的研究发现在细胞失去生长因子时, Bc1.2可抑制钙离子从内质网的释放,从而抑制钙离子的波动和钙离子从内质网到线粒体的重新分布.随后越来越多的研究结果证实了这个理论.例如,Distelhorst研究小组[131,132]的工作表明Bc1.2可以抑制钙离子从内质网的释放并维持内质网中钙库的水平.他们最近的研究还发现Bc1.2可以直接抑制钙离子通过受体通道从内质网的释放.这种抑制作用不是由于IP受体的表达水平或内质网腔内钙离子浓度的改变,而是由于Bc1.2与IP受体之间的相互作用抑制了II)激发的离子通道的开放而引起的[133].然而,另外一些研究小组(包括Rizzuto等)发现了很不一样的结果,他们直接测量了内质网腔的钙离子浓度,发现Bc1.2的高表达可以降低稳定状态下内质网内的钙离子浓度,从而降低了激发时可释放的钙库的水平[104,1.有报告指出Bc1.2可能是通过增加钙离子从内质网的渗漏来起作用的34?36].另外,Bc1.2还可以降低内质网腔内钙结合蛋白(calreticulin)以及钙泵(SER.CA2b)的表达从而降低内质网内的钙离子浓度.与Rizzuto等研究小组的研究结果一致的是,最近发表的一些文献证实降低内质网内钙离子浓度可以抑制细胞凋亡,而增加内质网内钙离子的浓度则可以增加细胞对凋亡的敏感性[18,104,137].可见,这些关于Bc1.2的作用的研究结果显示了两点重要的争议:1)Bc1.2是否可以降低内质网内的钙离子浓度?2)Bc1.2是抑制还是促进钙离子从内质网的外流?有学者认为导致争议的原因可能有:其一是由于有些研究缺乏对内质网腔内的钙结合蛋白等一系列可以影响钙稳态的蛋白表达变化的检测;其二是由于几乎所有的研究都是使用高表达的Bc1.2,而不是研究内源性Bc1.2对钙离子的作用[138].然而,从他们的研究中我们可以看到,无论Bc1.2的作用是降低内质网内的钙离子浓度还是抑制钙离子的释放,它的最终结果都是降低可诱导的细胞质内钙离子浓度的升高,从而抑制钙离子相关的凋亡的发生(图7).目前,关键的问题是:Bc1.2引起的内质网钙渗漏的增加到底是通过什么机制?至今关于内质网渗漏通道的分子基础及功能仍不清楚.目前主要存在两种推测,首先,凶为有证据显示Bc1.2族蛋白可以在质膜上形成离子通道[139,140],所以有研究者推测Bc1.2的高表达所造成的内质网渗漏的增加可能是由于Bc1.2的离子通道的特性所致【n5].然而,目前对于Bc1.2是否可以介导钙离子的通过仍不清楚.另外一个关于Bc1.2增加内质网渗漏机理的推测是Bc1.2可以作用于已经存在于内质网上的通道,比如在静息状态时的钙离子释放通道(如IP3受体或Ryanodine受体).目前,我们只能等待这一领域更为深入的研究才能够回答这些问题.第1期钙离子信号与细胞凋亡9Fig.7RegulationofCareleasefromERbyBcl一2,Two possiblewaysinexplainingtheeffectofBcl一2onERCa。

钙信使在植物适应非生物胁迫中的作用

的产生、传递、特点和作用方式，以及钙在各种非生物逆境响应中的作 Байду номын сангаас等方面对钙信号转导进行综述。
关键词：钙信号；非生物逆境；钙信号系统
低温、高温、干旱、盐害和重金属毒害等一些非生物胁迫严重影响植物的生长和发育，植物体为了适应外界环境刺激，最大限度减少逆境对植物体所造成的伤害，在长
引起［Ｃａ抖】 Ⅲ 增加，但不同刺激引发的钙信号，在变化幅
度、动力学及空间分布方面有所不同，即钙信号存在时空
（ｓｐａｔｉｏ－ｔｅｍｐｏｒａ］）特异性，称为ｃａ２＋记号（Ｃａ２＋萄鲷ａｔＩ１如低温引起的［Ｃａ
叶绿体中的钙离子浓度也高于细胞质，由于光合作用和呼
吸作用的原因，使Ｃａ大多数和磷酸盐形成结合态，促使Ｃａ抖内流，从而促使质体和线粒体中的Ｃａ水平高于细胞质基质中的Ｃａ水平 “ ６】。
目前已经发现多种刺激因子，如高温、低温 Ⅲ 、干
的钙离子浓度的变化产生钙振荡，不同的刺激可以诱导植物细胞内产生振幅、频率各不相同的振荡方式。振荡方式还与刺激强度直接相关并决定最终生理反应的幅度，从而使植物产生合适的应答过程［１７］０尽管多种环境刺激均可
和生物胁迫下传导和作用成为细胞生物学研究中最热门的
课题。
释放Ｃａ的通道：（１）受Ｉ调节的Ｃａ通道；（２）受电压门控的ｃａ通道［１２１ｏＺｏｃｃｈｉ【】等人在对玉米根的冷处理中

细胞生物学复习思考题答案

第八章内膜系统与蛋白质分选和膜运输1名词解释：膜结合细胞器：指细胞质中所有具有膜结构的细胞器。

包括内膜系统及线粒体，叶绿体，过氧化物酶体，细胞核。

内膜系统：是指在结构、功能乃至发生上相互关联、由膜包被的细胞器或细胞结构，主要包括内质网、高尔基体、溶酶体、胞内体和分泌泡等。

初级溶酶体：是指刚刚分泌的单层膜包被且内含溶酶体酶的分泌小泡。

次级溶酶体：是初级溶酶体与细胞内的自噬泡或异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的复合体。

自噬溶酶体：指初级溶酶体与细胞内的自噬泡融合形成的次级溶酶体。

异噬溶酶体：指初级溶酶体与细胞内的异噬泡、胞饮泡或吞噬泡融合形成的次级溶酶体。

自噬作用：是溶酶体对自身结构的吞噬降解的一种现象。

异噬作用：是溶酶体对进入细胞内的营养物质或致病菌等大分子物质进行消化降解的一种现象。

自溶作用：是溶酶体将酶释放出来将自身细胞降解的一种现象。

蛋白质分选：指细胞对新蛋白前导肽或信号肽的识别，挑选，并通过特殊方式运送到达细胞的各个部位的过程。

翻译后转运：是指胞质基质游离核糖体上完成多肽链的合成，然后转运至膜围绕的细胞器或成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白的转运方式。

共翻译转运：是指蛋白质合成在游离核糖体上起始后由信号肽引导转移至糙面内质网，然后边合成边转运的转运方式。

肽：是一种由氨基酸脱水而成，含有羧基和氨基的两性有机化合物。

导肽：是将游离核糖体上合成蛋白质的N端具有信号作用的序列。

细胞分泌：动、植物细胞将在粗面内质网上合成而又非其组成部分的蛋白和脂通过小泡运输的方式经过高尔基体的进一步加工和分选运送到细胞内相应结构、细胞质膜以及细胞外的过程称为细胞分泌。

2细胞内蛋白质合成部位及其去向如何？答：一是在游离核糖体上合成，合成的蛋白质将转运至膜围绕的细胞器或成为细胞质基质的可溶性驻留蛋白和支架蛋白。

二是在膜结合核糖体上合成，合成的蛋白质将转运至溶酶体、细胞质膜或分泌到细胞外。

3.说明细胞内蛋白质分选的主要途径和蛋白质分选定位的运输方式。

生物小综述钙离子第二信使-

Ca2+在信号传导中对植物生理的影响一、摘要本文简要分析Ca2+在信号传导中作为第二信使配合钙调蛋白和钙依赖型蛋白激酶的机制原理，并概述其对植物生长生理的影响。

二、关键词：Ca2+钙调素 CDPK 第二信使三、引言我们知道，矿质元素对植物的生长发育和生理过程起着重要作用，Ca2+就是其中最为重要的离子之一。

Ca2+既是植物细胞壁的重要组成部分，大部分Ca2+在细胞壁中与果胶酸形成果胶酸钙，起支持和加固作用；Ca2+对维持膜结构的稳定性也有一定作用；同时，Ca2+作为第二信使配合钙调蛋白和CDPK在植物生理的信号传导过程中具有重要作用。

四、正文1、钙稳态在静息态的胞质中Ca2+浓度≤0.1μmol/L，而通常在细胞壁、ER、液泡、线粒体中的浓度会高2~5个数量级。

细胞壁是植物细胞的最大钙库[1]。

细胞中各处的钙离子浓度梯度在未受刺激时是保持相对稳定的，当受到刺激时，由于胞外Ca2+浓度高与胞内，此平衡就会被打破。

信号分子与受体结合通常引起跨膜的离子流动，从而引起膜电位的改变。

在质膜上，存在Ca2+通道，类似于水通道，引起Ca2+的内流；同时存在Ca2+泵，是Ca2+外流的通道。

在胞内钙库如液泡、ER等结构的膜上也存在相应的结构，其上的Ca2+通道是从钙库流向胞质的通道，Ca2+泵、Ca2+/nH+反向运输体是Ca2+从胞质流向钙库的通道。

因此细胞质中的游离Ca2+的浓度主要受质膜和内膜系统上的Ca2+通道和Ca2+泵的调节。

任何一种外界刺激或激素所引起的细胞反应通过Ca2+作为第二信使传递的直接证据是细胞质中是否有游离Ca2+的浓度变化。

2、Ca2+的作用方式有两种：第一种是游离Ca2+的浓度直接或间接影响植物的生理过程；第二种是胞质里的Ca2+与钙结合蛋白，如钙调蛋白CaM（也叫钙调素）、钙依赖型蛋白激酶（CDPK）结合而起作用。

3、钙调素3.1 钙调素( Calmodulin, CaM)是一种分布最广，功能最重要的钙依赖性调节蛋白。

高中生物竞赛植物生理学--《细胞信号转导》基础训练题

高中生物竞赛植物生理学--《细胞信号转导》基础训练题一、单选题1.能够穿过细胞质膜进入细胞内的信号是( )。

A、植物激素B、多肽C、糖类D、光2.以下一般不属于光信号转导引起的反应的是( )。

A、光合作用B、向光性C、需光种子萌发D、光周期诱导开花3.当细胞感受外界刺激后，会引起细胞中Ca2＋浓度的变化，以下不会引起细胞中Ca2＋浓度变化的蛋白是( )。

A、Ca2＋通道B、Ca2＋泵C、Ca2＋-H+转运体D、钙调蛋白4.植物激素( )参与了蓝光诱导气孔开放的信号转导。

A、ABAB、IAAC、GAD、CTK5.以下哪种物质不是植物胞内信号( )。

A、激素受体和G蛋白B、肌醇磷脂信号系统C、环核苷酸信号系统D、钙信号系统6.第二信使系统包括肌醇磷酯信号系统、环核苷酸信号系统和( )。

A、G蛋白B、蛋白系统C、离子通道系统D、钙信号系统7.当细胞感受到外界信号刺激后，细胞质的Ca2＋浓度会( )。

A、升高B、下降C、不变D、不稳定8.cAMP是由( )经腺苷酸环化酶催化产生的。

A、ATPB、ADPC、AMPD、腺苷9.受体能识别和结合特异的信号分子，这是受体的( )决定的。

A、专一性B、组织特异性C、高亲和性D、饱和性10.cAMP作为第二信使主要通过激活起信号转导的作用( )。

A、G蛋白B、环核苷酸C、蛋白激酶D、钙调素11.除了具有受体的功能外，本身就是一种具有跨膜结构的蛋白激酶的受体是( )。

A、离子通道连接受体B、G蛋白偶联受体C、酶联受体D、细胞核上的受体12.植物激素( )参与了植物应答干旱的许多生理过程。

A、IAAB、GAC、CTKD、ABA13.细胞表面受体中能与配基相互作用的部分是( )。

A、胞外结构域B、跨膜结构域C、胞内结构域D、链合区14.以下物质( ) 不作为第二信使。

A、钙离子B、cAMPC、DAGD、ATP15.除具有受体的功能外，还具备跨膜转运离子功能的受体是( )。

Ca2在生物细胞信号转导中的作用研究进展[2]

Ca2+在生物细胞信号转导中的作用研究进展郭广君1吕素芳1沈志强1王荣富2（1.山东省滨州畜牧兽医研究院，滨州2566002.安徽农业大学生命科学学院，合肥230036）摘要Ca2+是多种信号途径的第二信使，钙信号的转导在整个真核生物信号转导中发挥重要作用。

近年来，胞质自由Ca2+的浓度变化的原初位点、钙信号的表现形式及Ca2+靶蛋白在发挥生物学功能的构象效应方面已成为生命科学中的研究热点。

钙信号途径下游的Ca2+靶蛋白——钙调素（CAM）和钙依赖的蛋白激酶（CDPK），前者在整个生物界细胞中都存在，后者在高等动物中没有发现，而只在植物、藻类、部分原生动物存在。

关键词Ca2+,钙信号, 钙调素, 钙依赖的蛋白激酶, 非密封接膜片钳游离Ca2+是细胞内重要的第二信使，参与多种生命活动的调节。

Ca2+在细胞外、胞浆、细胞核内起着重要的调节作用，生物的许多重要的生理过程，如：对各种外界刺激的响应、物质的跨膜运输、代谢调节、细胞有丝分裂、基因的转录与表达和细胞的调亡等均受到胞内外Ca2+浓度变化的调节和调控。

因此，需要测定胞质自由Ca2+的浓度变化水平。

目前已有几种较好的测定方法，如：荧光指示剂法、重组水母发光蛋白测定法、非密封接膜片钳法等。

胞质自由Ca2+浓度的变化包括瞬时增加、持续变化和振荡，主要是通过存在质膜及细胞内膜上Ca2+通道（Ca2+channel）与Ca2+泵（Ca2+pump）及Ca2+/H+反向转运子（Ca2+/H+ antiporters）的作用来实现。

另外，近几年来，对Ca2+信号途径的下游Ca2+的靶标和引起的生物学效应有了更加深入的了解。

1.Ca2+研究方法1.1胞内Ca2+浓度的测定方法1.1.1Ca2+荧光指示剂就非转基因生物材料而言，测定胞内Ca2+浓度主要是利用荧光指示剂。

Ca2+荧光指示剂中，indo－1、fura－2、quin－2、fura－4f、fura－5f、fura－6f、BTC 等由紫外光所激发；fluo－3、rhod－2、calcium green－1 、calcium green－2、calcium orange、calcium crimson、fura red、calcein等由可见光所激发。

非生物诱抗剂草酸对黄瓜叶片中过氧化物酶的系统诱导作用

非生物诱抗剂草酸对黄瓜叶片中过氧化物酶的系统诱导作用张宗申;彭新湘;姜子德;徐大高;李明启【期刊名称】《植物病理学报》【年(卷),期】1998(28)2【摘要】本文进一步证明草酸是一种有效的非生物诱抗剂，它能显著提高黄瓜对炭疽病的系统抗性，进而研究了草酸对黄瓜叶片中与抗病有关的过氧化物酶（ＰＯＤ）的系统诱导作用及其内在机理。

结果表明：４０ｍｍｏｌ／Ｌ草酸诱导可溶态ＰＯＤ活性效果最佳；在测定时间范围内，草酸诱导的可溶态ＰＯＤ活性在第７ｄ后逐渐下降，而细胞壁离子键结合态ＰＯＤ活性被诱导后保持稳定；草酸在快带区诱导出一种新的ＰＯＤ同功酶，其Ｒｆ值为０．６３；自由基清除剂甘露醇和抗坏血酸可明显抑制草酸对可溶态ＰＯＤ活性的诱导作用；草酸诱导可溶态ＰＯＤ的作用信号可在５ｈ左右从被处理的第１片真叶传导至未处理的第２片真叶，被处理叶的保留时间越长，其诱导效果越好。

【总页数】6页(P145-150)【关键词】草酸;系统抗病性;过氧化物酶;黄瓜;炭疽病【作者】张宗申;彭新湘;姜子德;徐大高;李明启【作者单位】河南省周口师专生物系;华南农业大学生物技术学院;华南农业大学植保系【正文语种】中文【中图分类】S436.421.1【相关文献】1.草酸对黄瓜叶片中几种与抗病有关酶的系统诱导作用 [J], 张宗申;彭新湘;姜子德;李明启2.寡聚糖诱抗剂诱导黄瓜抗白粉病的研究 [J], 马青;孙辉;杜昱光;赵小明;商鸿生3.3种非生物诱导剂对红地球葡萄离体叶片中主要芪类物质的诱导作用 [J], 黄方爱;张波;杨晓燕;颜欢;陈韩英;郑秋生4.寡聚糖诱抗剂诱导黄瓜抗白粉病的研究 [J], 马青;孙辉;杜昱光;赵小明;商鸿生5.化学诱抗剂诱导黄瓜抗盐性及其机理 [J], 宋士清;刘微;郭世荣;尚庆茂;张志刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

植物体内钙信号转导通路的调控机制研究

植物体内钙信号转导通路的调控机制研究植物的生长和发育离不开各种内部信号调控机制。

其中钙离子在植物中起着至关重要的作用，被称为“第二信使”，即在外界信号刺激下，通过细胞内信号转导过程，将“一级信使”（如激素、光、重力等）传递到内部，引起细胞代谢和行为的改变。

本文将讨论植物体内钙信号转导通路的调控机制研究。

一、钙离子及其作用钙离子是细胞内浓度最高的阳离子之一，除了参与骨骼和牙齿的构成以外，在细胞内还起着调节和调控作用。

植物细胞膜内外的钙离子浓度差异比较大，由于膜是细胞内外之间交流的桥梁，所以植物细胞膜对外部的信号影响最大。

外部信号通过植物细胞膜内的钙通道、孔道等途径，引起细胞内钙离子的浓度变化，从而启动一系列细胞代谢的活动。

对于植物生长发育的各个时间和阶段，钙离子在植物体内起着不同的作用。

二、钙信号转导途径植物细胞内的钙信号转导通路主要有三个路径：1.胞浆中的钙离子运输和调节；2.质膜上离子通道的调节；3.细胞内钙动员和退役的调节。

其中，胞浆中的钙离子运输和调节是细胞内钙信号传递过程中最核心环节之一，包括细胞内钙泵、钙型离子通道和钙离子缓冲蛋白等。

三、植物体内钙信号转导通路调控机制1. 某些蛋白能够直接感知钙信号，并参与调控。

比如，钙感受蛋白（Calmodulin）是一种广泛存在于植物中的钙结合蛋白，能够感知钙离子浓度变化，并调控与其结合的蛋白活性。

2. 另外，还有一类蛋白通过具有钙感知特异结构域感知钙信号。

比如，CML蛋白家族和CBL蛋白家族，它们都含有EF手指结构域，可以感知到细胞内的钙信号，并调节下游蛋白的功能。

3. 一些植物激素（如ABA）也通过钙信号转导，参与了根生长、逆境胁迫响应等过程。

比如，ABA能激活Protein Phosphatase 2C（PP2C），这种蛋白酶可以去磷酸化SnRK2s（或SAPKs），从而激活它们。

而SnRKs/SAPKS的激活又能调节植物的生长发育。

四、未来展望随着分子生物学的研究手段和技术的不断发展，植物体内钙信号转导通路的调控机制也越来越清晰。

植物细胞中钙信号的时空多样性与信号转导

植物学通报　2001,18(4):436～444Chinese Bulletin of Botany植物细胞中钙信号的时空多样性与信号转导宋秀芬　洪剑明①(首都师范大学生物系　北京　100037)摘要　近年来,对钙信号的研究,包括对钙信号的产生、传导及最终靶蛋白的研究,越来越受到人们的重视。

植物生长发育许多过程的信息传递,包括对各种内外刺激的反应都涉及到钙信号。

钙信号的产生及传导是通过胞质自由钙离子的浓度变化来实现的。

本文综述了胞质自由钙离子的测定、钙信号的时空多样性及钙信号的靶蛋白如CaM、Ca2+依赖的蛋白激酶、钙调磷酸酶、磷脂酰肌醇-磷脂酶C等方面的一些最新进展,展望了今后钙信号研究的方向及所用到的一些技术方法等。

关键词　Ca2+信号,Ca2+振荡,Ca2+通道,Ca2+泵,Ca2+/H+反向转运子,钙调蛋白,Ca2+-依赖的蛋白激酶,钙调磷酸酶,磷脂酶CSpatio-temporal V arieties of C alcium Signals and SignalsTransduction in Plant CellS ONG X iu-Fen　H ONGJian-Ming①(Department o f Biology,Capital Normal Univer sity,Beijing100037)Abstract　In recent years,people are paying m ore and m ore attention to the research of calcium signals,which inv olves the production,transduction and targets of calcium signals.The message transmission of many procedures for plant growth and development inv olves reactions to internal and external stimulation.The production and transduction of calcium signals are realized through the change of calcium concentration in cytoplasm.S ome current progress is reviewed in this paper, which inv olves the measure of free calcium concentration in cytoplasm,spatio-tem poral variety of calcium signals and the targets of calcium signals such as CaM,Ca2+-dependent protein kinase.In addition,the prospects of calcium signals research and s ome useful techniques are als o discussed. K ey w ords　Calcium signals,Ca2+oscillations,Ca2+channel,Ca2+pum p,Ca2+/H+ antiporters,CaM,Ca2+-dependent protein kinase,Phosphatases,P LCCa2+是植物中普遍存在的信号。

生物小综述钙离子第二信使-

二、关键词：Ca2+钙调素 CDPK 第二信使三、引言我们知道，矿质元素对植物的生长发育和生理过程起着重要作用，Ca2+就是其中最为重要的离子之一。

四、正文1、钙稳态在静息态的胞质中Ca2+浓度≤0.1μmol/L，而通常在细胞壁、ER、液泡、线粒体中的浓度会高2~5个数量级。

细胞壁是植物细胞的最大钙库[1]。

细胞中各处的钙离子浓度梯度在未受刺激时是保持相对稳定的，当受到刺激时，由于胞外Ca2+浓度高与胞内，此平衡就会被打破。

信号分子与受体结合通常引起跨膜的离子流动，从而引起膜电位的改变。

在质膜上，存在Ca2+通道，类似于水通道，引起Ca2+的内流；同时存在Ca2+泵，是Ca2+外流的通道。

因此细胞质中的游离Ca2+的浓度主要受质膜和内膜系统上的Ca2+通道和Ca2+泵的调节。

任何一种外界刺激或激素所引起的细胞反应通过Ca2+作为第二信使传递的直接证据是细胞质中是否有游离Ca2+的浓度变化。

3、钙调素3.1 钙调素( Calmodulin, CaM)是一种分布最广，功能最重要的钙依赖性调节蛋白。

外源Ca2+对喜钙植物、随遇植物和嫌钙植物POD活性和相对含水量的影响

外源Ca2+对喜钙植物、随遇植物和嫌钙植物POD活性和相对含水量的影响作者：王传明乙引来源：《湖北农业科学》2014年第10期摘要：为了探讨外源Ca2+对喀斯特环境中喜钙植物生理生化的影响，选取喜钙植物单性木兰和伞花木、随遇植物青冈栎与嫌钙植物华山松作为试验材料，通过使用不同浓度外源Ca2+对其进行胁迫处理，并测定其对植物相对含水量、POD活性的影响。

结果表明，在较低浓度Ca2+如喜钙植物单性木兰和伞花木、随遇植物青冈栎在0～20 mmol/L、嫌钙植物华山松在0～5 mmol/L等Ca2+浓度具有较高的相对含水量和较低的POD活性，而在较高浓度Ca2+如喜钙植物单性木兰、伞花木和随遇植物青冈栎在30～50 mmol/L嫌钙植物华山松在20～50 mmol/L等Ca2+浓度相对含水量降低和POD活性升高，喜钙植物单性木兰和伞花木、随遇植物青冈栎与嫌钙植物华山松相比表现出对高浓度钙离子处理具有较强的适应能力，适宜生长于富钙的环境。

关键词：外源Ca2+；相对含水量；POD活性中图分类号：S718；Q945.78文献标识码：A文章编号：0439-8114（2014）10-2347-05Effects of External Ca2+ on the Relative Water Content and POD Activity of Plants being Calcicole， Indifference and CalcifugeWANG Chuan-ming1，YI Yin2（1.Qiannan Medical College for Nationalities，Duyun 558000，Guizhou；2.Guizhou Normal University，Guiyang，550000，China）Abstract： To explore effects of external Ca2+ on physiology and biochemistry of karst plants，the activities of POD and relative water content of Kmeria septentrionalis Dandy（calcicole），Eurycorymbus cavalerei（calcicole）， Cyclobalanopsis glauca（indifference）and Pinus kwangtungensis Che（calcifuge）were measured and compared. Results showed that to Kmeria septentrionalis Dandy （calcicole），Eurycorymbus cavalerei（calcicole） and Cyclobalanopsis glauca（indifference），the activities ofPOD in leaves were generally low and relative water content in leaves were generally high after treated with 0～20 mmol/L Ca2+ concentration. The activities ofPOD in leaves increased or relative water content decreased after treatment with 30～50 mmol/L Ca2+ concentration. As for Pinus kwangtungensis Chen（calcifuge），the activities of POD in leaves showed a sustained increasing trend or relative water content in leaves showed a sustained decreasing trend with the increase of Ca2+ concentration.Key words： exogenous Ca2+；relative water content；POD activity基金项目：国家自然科学基金项目（30460031）喀斯特地貌是指由地下水和地表水对可溶性碳酸盐类岩石的溶蚀和改造作用而形成的具有一定地表、地下区域特征的特殊地貌，在全球广泛分布。

植物中钙解码机制的研究进展

植物中钙解码机制的研究进展顾志敏;张海良;陈析丰;马伯军【摘要】Ca2+作为重要的第二信使,在植物生长发育中起着非常重要的作用.目前已经鉴定的植物Ca2传感器蛋白有:钙调素( CaM)、类钙调素蛋白(CMLs)、钙依赖型蛋白激酶(CDPKs)和类钙调磷酸酶B亚基蛋白(CBLs)及其互作蛋白激酶(CIPKs),这些传感器蛋白多以基因家族形式存在,并且在植物中能够形成错综复杂的钙离子信号传递网络系统.主要从植物Ca2+传感器蛋白的生化特性、生理功能和靶蛋白3个方面,综述了植物解码钙信号机制的最新研究进展.%Calcium is a ubiquitous second messenger in plants, playing vital roles during plant growth and development. Intracellular Ca2+ concentrations are modulated in response to various signals, including hormones , light, mechanical disturbances, abiotic stress and pathogen elicitors. The information encoded in transient Ca2+ signals is deciphered by various intracellular Ca2+ sensors and sensor relays that convert the Ca2 + signals into a wide variety of biological responses. Prominent Ca + sensors like, Calmodulins (CaM) , Calm-odulin-like proteins ( CMLs) , calcium dependent protein kinases ( CDPKs) , Calcineurin B-like proteins (CBLs) and their interacting kinases (CIPKs) exist in complex gene families and form intricate plants signaling networks which are capable of robust and flexible information processing. The recent progress on biochemical properties, physiological function and newly identified targets proteins of plant Ca2+ sensors were reviewed.【期刊名称】《浙江师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(036)001【总页数】6页(P11-16)【关键词】钙信号;钙传感器;蛋白激酶;磷酸化作用;植物;转录【作者】顾志敏;张海良;陈析丰;马伯军【作者单位】浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江金华321004;浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江金华321004;浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江金华321004;浙江师范大学化学与生命科学学院,浙江金华321004【正文语种】中文【中图分类】Q945.78Ca2+作为重要的第二信使，在植物应答光照、极端温度、机械损伤、干旱、盐、植物激素和病原菌激发子等生物和非生物胁迫反应中具有重要的作用［1］.在真核生物中，由Ca2+转运体对细胞质中的钙离子浓度(［Ca2+］)进行严格的调控.正常情况下，细胞质中［Ca2+］保持在低浓度水平(100～200 nmol/L).而在细胞受到某种刺激后，细胞质中［Ca2+］会发生特异性的变化，即产生Ca2+签名(Ca2+ signature)［2］.特异性的“Ca2+签名”是借助于细胞内质膜和细胞器膜上的离子通道和转运蛋白产生的［1，3-5］.尽管大量的生理研究表明植物细胞中存在大量的Ca2+转运蛋白［3，6］，但是专门传送Ca2+内流的通道蛋白的分子特性至今仍不清楚.最近研究发现:类环核苷酸门控通道(CNGCs)等非特异性阳离子通道能够提高病原菌防御性信号转导途径中的Ca2+导率［7］;而在花粉管的生长中，类谷氨酸受体蛋白(GLRs)能够介导非特异性的Ca2+内流［8］.这些研究表明，非特异性阳离子通道在Ca2+签名的形成中可能具有重要的作用.尽管多种环境刺激均可引起细胞质中［Ca2+］增加，产生Ca2+签名，但在不同的刺激下，细胞内［Ca2+］变化的部位和时间特征不同，因此所产生的Ca2+签名也具有特异性.不同的下游反应因子(受Ca2+调控的蛋白质)对Ca2+签名作出反应，称为解码(decoding).环境胁迫不但可诱发植物细胞产生钙信号，而且还可诱导Ca2+传感器蛋白的表达.Ca2+传感器蛋白的激活是Ca2+签名产生后信号继续传递的下游事件，Ca2+传感器参与解码特异性的Ca2+签名，并直接导致特异性生理反应的产生［6］.大部分Ca2+传感器蛋白拥有典型的螺旋-环-螺旋的EF 手型基序，并且成对存在，这些EF 手型基序导致传感器蛋白通过Ca2+依赖型的构象改变而结合Ca2+.研究最多的模式植物拟南芥，其基因组编码了至少250 个EF 手型蛋白［9］.植物中三大类型EF 手型蛋白是:钙调素(CaMs)及类钙调素蛋白(CMLs)、钙依赖型蛋白激酶(CDPKs)和类钙调磷酸酶B 亚基蛋白(CBLs).从概念上来讲，植物Ca2+传感器蛋白作为信号元件可被分成“传感器依赖型”和“传感器响应型”两大类［10］.例如:CDPKs 通过Ca2+传感功能(EF 手型基序)和Ca2+应答功能(蛋白激酶活性)与一个单一蛋白结合，从而被归类为传感器响应型蛋白.因此，这些激酶能将Ca2+签名编码的信息翻译成特定靶蛋白中的磷酸化事件.相反，没有酶催化功能的CaM/CML 家族成员是通过Ca2+依赖型蛋白-蛋白互作改变下游靶蛋白活性的，因此，它们代表着典型的传感器依赖型蛋白.由于缺少一些酶活性，CBL 蛋白也属于传感器依赖型蛋白.但是，CBLs 能特异性地与一种称作CBL-结合蛋白激酶(CIPKs)的激酶家族互作.因此，CBL-CIPK 复合体被看作是双分子传感响应器［11］.下文中笔者将会讨论每个Ca2+传感器蛋白家族的机制和生物学功能.1 植物中的Ca2+传感器蛋白1.1 CDPKs 的Ca2+感知和应答目前研究发现，钙依赖型蛋白激酶(CDPK)仅存在于植物和一些双鞭毛原生生物中［12-14］.拟南芥基因组中有34 个CDPKs.CDPK 由1 个丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶域、1 个自我抑制结构域和1 个类CaM 结构域组成，含有4 个EF 手型基序［15］.在正常Ca2+水平下，激酶域的激活部位是通过与自我抑制结构域互作而被抑制的.一旦胞内Ca2+浓度上升，Ca2+结合到类CaM 结构域，使自我抑制结构域被取代，导致激酶激活［16］.CDPKs的这种激活过程大大提高了这些蛋白的自磷酸化，进而促进所有激酶的激活.根据预测，大多数CDPKs 的N 末端被豆蔻酰化和/或S-酰化所修饰，双脂质修饰可以提高这些蛋白的膜附着和膜定位.对蒺藜苜蓿中CPK3［17］和水稻中CPK2［18］的详细研究，揭示了它们的膜定位分别严格取决于豆蔻酰化和S-酰化作用.此外，也证明了其余的CDPKs 定位于包括质膜、内质网膜(ER)和过氧化物膜在内的不同细胞膜上［19-20］.与这些定位研究一致的是各种各样的膜蛋白可以作为CDPKs 的特定底物.在拟南芥中，慢(S-型)阴离子外流通道SLAC1 定位于质膜上，SLAC1 被激酶CPK21 和CPK23 所调节，在植物激素脱落酸(ABA)的应答中调控气孔的关闭.一旦SLAC1与激酶CPK21 和CPK23 共表达，阴离子电流可以显示出2 个蛋白激酶对SLAC1 的刺激.然而，SLAC1 的Ca2+敏感型激活仅仅指向CPK21.因为在体内的磷酸化实验分析中，CPK23 似乎更倾向于对Ca2+不敏感［21-22］.此外，马铃薯中CDPK4 和CDPK5 的磷酸化和质膜上的NADPH 氧化酶RBOHB 的激活导致了活性氧(ROS)的增多［23］.相对而言，Ca2+泵ACA2 定位于内质网膜上是由于拟南芥中的CPK1 通过N 末端的磷酸化而负调控的［24］.明显可以看出，ACA2 是通过与CaMs 的互作被正调控的［25］，表明ACA2 可能是2 种不同的Ca2+信号转导途径的集合点.最近的研究发现，CDPKs 调节底物的功能似乎不单单局限于膜蛋白.拟南芥中的CPK4，CPK11 和CPK32 磷酸化并正调控脱落酸响应型bZIP 转录因子(ABFs)［26-27］.在烟草中，转录激活子RSG 与由NtCDPK1 调节的赤霉素(GA)信号通路有关.RSG 中Ser-114 的磷酸化使其与14-3-3蛋白互作并且间接导致了RSG从细胞核进入细胞溶质中［28］.因此，CDPK 介导的磷酸化作用在调节不同的细胞隔间的不同生物过程中起着重要的作用.1.2 CBL-CIPK 网络系统下的Ca2+感知和应答CBL-CIPK 信号系统是近年来新发现的钙离子信号识别和传导系统.CBL 蛋白(Calcineurin Blike proteins，简称CBLs)是一类与动物钙调磷酸酶B 亚基(CNB)及中枢神经钙感受器(NCS)极其相似的小分子蛋白，每个CBL 蛋白含有4 个变异程度不等的EF 手型基序［11］.CIPK 蛋白(CBLinteracton protein kinases，简称CIPKs)是CBL 特定靶向的一类丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶［8］.CIPKs 在N 端含有一个与酵母SNF1(sucrose nonfermenting)、动物AMPK(AMP-activated protein kinase)极其相似的激酶催化域(该结构域高度保守)，在C 端含有一个高度变异的调控域，所有CIPK 的C 端调控域均含有一个高度保守的由21 个氨基酸组成的FISL 模体(也称为NAF 模体)，FISL 模体主要用于结合CBL［29］.CBLs 能够感知逆境激发的特异性Ca2+信号，结合Ca2+后与CIPKs 特异性作用，形成CBL-CIPK 复合体，通过翻译后磷酸化下游靶蛋白或调节转录因子及胁迫应答基因，实现不同细胞水平、组织部位抗逆性的调控.在CBL-CIPK 信号系统中，CBL 蛋白感知Ca2+签名并且与CIPK 激酶中保守的NAF 结构域互作［30］.CBL 结合NAF 结构域释放激酶域的C末端的自我抑制结构域，从而将激酶转变成激活的构象［31］，因此CBL 蛋白的特性决定了CBLCIPK 的亚细胞定位，从而在靶蛋白的识别中产生空间特异性.然而，CBL-CIPK 复合体的底物特异性是由CIPK 决定的.另外，最近的研究发现，CIPKs 与CBLs 互作后，能够以某种机制磷酸化CBLs，这个磷酸化过程对于CBL-CIPK 复合体作用于下游靶蛋白是必须的［32-33］.CBL-CIPK 复合体的特异性和可选择性，使得拟南芥中一个特定的CBL 可以与26 个CIPKs 中的多个成员互作;反之，一个特定的CIPK 也可以与10 个CBLs 中的几个成员互作.这表明其中可能存在着一个对空间特异性和特异性生理靶蛋白调控的指导原则［34］.例如，酵母双杂交和BiFC 实验分析表明CBL1 与CIPK1 和其他5 个CIPKs 互作，而CIPK1 与8 个CBL 互作［31，35-36］.进一步研究发现:拟南芥CBL1-CIPK1 复合体在干旱和渗透压胁迫应答中发挥作用，而在盐胁迫中没有作用［37-38］;而CBL4-CIPK24 和CBL1-CIPK24 复合体在盐胁迫中起作用［39-40］.对拟南芥中全部10 个CBLs 的定位分析表明，CBLs 中可变的N 末端对特异性亚细胞定位非常重要［31］.其中，4 个CBL 蛋白定位于质膜上，另外4 个定位于液泡膜上，2 个定位于细胞质和细胞核中［31］.这些不同的亚细胞定位，表明CBL在内部和外部Ca2+储存源的局部Ca2+释放中行使快速继电器的功能，有助于Ca2+信号的空间特异性分布.有意思的是，与CBL 蛋白不同，大多数CIPKs 定位于胞质和核质中［31，39］.然而，体内的CBL-CIPK 互作分析表明CBL-CIPK 复合体中的CIPKs 的亚细胞定位由CBL 的特性决定［31，37，39］.例如:CIPK1 通过CBL1 或CBL9 定位于质膜上［37-38］;而一旦与CBL2 互作，CBL2-CIPK1 复合体则专一性地定位于液泡膜上［35］.在植物的耐盐信号传导中，CIPK24 与CBL4 或CBL10 都能够互作形成不同的复合体，其工作模型是:在根中，CBL4-CIPK24 复合体通过调节质膜上的H+/Na+逆向转运体SOS1 来介导钠离子的外流;而在地上部，CBL10-CIPK24 复合体通过调节未知的靶蛋白将钠离子储存于液泡内［13，41］.近几年鉴定的一些离子转运蛋白中，很多都属于CBL-CIPK 复合体的靶蛋白.例如，钾离子通道蛋白AKT1 的活性是由CIPK23 在与CBL1 或CBL9 互作的情况下调控的［37，42-43］.有意思的是，在植物中，CBL1/9-CIPK23 复合体不仅调节了钾离子的吸收，也调节了硝态氮的摄取.生物化学和反向遗传学实验结果表明，CIPK23 作为一个关键的调节器，通过磷酸化硝酸盐转运体CHL1 的Thr101 氨基酸残基，介导低和高亲和力的硝酸盐运输模式的转换［44］.最近，在对钾离子通道蛋白AKT2 的调节作用的研究中，Held 等［45］发现拟南芥中Ca2+传感器CBL4 与它的互作蛋白激酶CIPK6，通过介导钾离子通道蛋白AKT2 转移到质膜上，调节AKT2的活性和膜位置.重要的是，依赖于CBL4 的豆蔻酰化和棕榈酰化的双脂质修饰作用，使CIPK6 中一个独立的C 末端调节结构域介导CBL4 依赖型和Ca2+ 依赖型的通道从内质网膜迁移到质膜上［46］.因此，这一工作揭示了离子通道调节的一个重要机制:Ca2+传感器通过输送一个互作依赖型而非磷酸化依赖型的激酶转移到质膜上，调节K+通道的活性.1.3 CaMs/CMLs 的Ca2+感知和传导在真核生物中，钙调素(CaMs)是保守的Ca2+传感器蛋白.动植物中的CaM 有着高度相似的结构.在拟南芥中，7 种基因编码了4 种CaM 亚型，而亚型的不同仅仅是由于其中1～5 个氨基酸残基的不同所引起的.拟南芥的基因组编码了50 个类钙调蛋白(CMLs)亚型，它们被认为是从原始的CaMs 进化而来的，而现在的CaMs 却表现出高度的结构差异，甚至在EF 手型基序的数量方面也差异很大［47］.CaMs 和CMLs 与Ca2+结合后，它们的构象会发生改变，从而使CaMs 和CMLs 蛋白与它们的靶蛋白发生互作［46，48］.迄今为止，包括激酶、磷酸酶、离子转运体、代谢酶和转录因子在内的许多蛋白已经被鉴定为CaMs/CMLs的靶蛋白［49］.植物中，CaM 依赖型蛋白激酶(CaMKs)的活性由其与CaM 特异性结合来产生或增强.此外，一些植物中也存在Ca2+-CaM 依赖型蛋白激酶(CCaMKs)，除包含有CaM 结合结构域外，CCaMKs 还含有一个类视锥蛋白Ca2+ 结合结构域［47］.有意思的是，真核生物中，促分裂素原活化蛋白激酶(MAP 激酶)的偶联和Ca2+/CaM 通路能够交叉.例如，拟南芥的有丝分裂原激活蛋白激酶8(MPK8)需要CaM 的结合与MPK 激酶3(MKK3)的磷酸化作用同时进行，才能全面激活其活性［50］.另外，MPK 磷酸酶1(MKP1)通过与Ca2+依赖型CaM 结合被激活［51］.CaMs/CMLs 在调节基因表达中也起着重要的作用.例如，有报道指出，拟南芥的CaMK(AtCBK3)和一个CaM 依赖型磷酸酶(AtPP7)分别通过磷酸化作用或去磷酸化作用正调控或负调控热休克转录因子［52-53］.CAMTAs，WRKYs 和MYBs 等转录因子都是通过与CaMs 直接互作而被调控的［54-56］.值得注意的是，CaMs/CMLs 虽被归类为“传感器依赖型”，但拟南芥的CaM7 似乎本身就有转录因子的功能，CaM7 能够与启动子互作并激活某些光诱导基因［57］.这个发现也提供了一种新的Ca2+信号通路对转录调节的作用模式:CaM7 能够解码细胞质的Ca2+签名后，通过与DNA 结合来调节基因的表达.2 展望Ca2+信号几乎参与了植物生长发育的全过程，因为刺激产生特异性Ca2+签名是Ca2+信号中重要而基本的一步.在过去的十年中，人们对植物中Ca2+解码过程的研究取得了重大的进展.在信息处理的关键步骤中，植物具有一个广泛而复杂的Ca2+结合蛋白工具包，其功能是作为Ca2+传感器来解码各种各样的Ca2+ 签名.CaMs，CMLs，CDPKs和CBL-CIPK 复合体形成错综复杂的信号网络系统，能够将Ca2+签名转化为磷酸化反应和转录调节等下游反应.正是有了这些重要的解码过程，才使得信息处理过程变得灵活而强大.现在，我们对于Ca2+传感器蛋白或传感器/激酶复合体的生化特性、生理功能和靶蛋白的认识都有了很大程度的提高，同时，对信号网络系统中信息处理过程的功能性原理也有了认知.然而，目前对Ca2+传感器蛋白精确地感知和传导钙签名的机制仍然不清楚.因此，未来关于钙信号研究的方向有3 个:1)确定不同的转录和调节机制，因为它们负责组装这些不同的信号模块和通路;2)阐明植物中几个独立的Ca2+信号系统形成的原因，以及它们是如何互相联系的;3)阐明植株中Ca2+信号与其他第二信使和激素调节的互作机制.成功地解决这些问题将会极大地推进对植物有机体全面理解的进程.参考文献:［1］Sanders D，Brownlee C，Harper J F，et municating with calcium［J］.Plant 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植物逆境胁迫中活性氧和钙信号的关系

Issu es and C ou nterm easu re on the S ub stain able Developm en of Vegetab le Ind u stry in S hou guan gXU E Q i qin,LI Mei qin,PEI Hua li,Q IAO Ning,M IAO Jin shan (Wei fang U niversity of Science and Technolog y ,Shouguang,Shandong 262700)A bstract:By making a deep investigationg and research through various links in the production chain,the result showed that there were five restrictive factors for vegetable industry s developmen:High quality and high end vegetable products were relatively insufficien;The agroecological environment worsens day by day along with the growth of vegetables planting agelimit;The vegetables commercial and intensive processing had lagged behind;The level of mechanization for vegetables planting was low;The excellent varieties of intellectual property rights were insufficient;The peasantry quality was relatively low.Based on these restrictive factors,some strategies on how to carry out the sustainable development were offered.Suggestions contain carrying out the new soil management system;Expanding the organic vegetables production and enhancing the intensive processing;Using the experience of other countries for reference and enhancing mechanization and automation for vegetables industry.Strengthening cooperation with research institutions and raising widely the level of domestic vegetables seed;Reinforcing training to improve the peasantry quality.Key words:vegetable industry;substainable developmen;issues and countermeasure第一作者简介:王海波(1981 ),男,博士,讲师,研究方向为农产品贮藏与加工。

植物细胞中钙离子信号的调控途径研究

植物细胞中钙离子信号的调控途径研究植物细胞的生长和发育受到多种内外因素的调控，而这些调控的机制中，钙离子信号起到了至关重要的作用。

钙离子是细胞内最为普遍的第二信使，可以调节多种蛋白的活性，进而影响细胞的代谢及信号转导。

本文将介绍植物细胞中钙离子信号的调控途径研究，着重探讨植物细胞中的钙传感蛋白家族及其作用机制。

一、植物细胞中的钙离子传递机制植物细胞中的钙信号可以从多个来源获得，如细胞外液、细胞内储存器、非生物应激等，其内在的传递机制也是十分复杂的。

目前认为植物细胞中的钙信号的传递主要有两条途径，即胞质网（cytosolic signaling）和胞内网（internal signaling）。

胞质网途径：该途径是指钙离子由细胞外或细胞内储存器进入胞质，之后在胞质中与钙传感蛋白结合，进而传递某些生化信息。

胞质中的钙离子浓度可以在亚秒级别内发生变化，对于植物细胞代谢和信号转导调节有着至关重要的作用。

胞内网途径：钙离子还可以通过细胞内的高尔基体和内质网等储存器释放或吸收来调节胞内钙离子浓度。

例如，胞质中钙离子浓度的升高可以导致高尔基体内溶酶体的膜融合，释放细胞质内的酶和其他物质，实现特定的生化反应。

二、植物细胞中的钙传感蛋白家族及其作用机制植物细胞中的钙离子信号调控的复杂性在于其需要与多种钙传感蛋白相互作用，并进一步影响到不同的靶标蛋白。

目前已知的植物钙传感蛋白家族中，可分为四大类，即钙离子感受器（calcium sensors）、钙依赖激酶（calcium-dependent protein kinases, CPKs）家族、钙离子调节蛋白（calmodulin-like protein, CML）家族和四环素蛋白（Tetraspanin）家族。

这些钙传感蛋白在细胞中具有不同的分布及调节遗传表达的方式，并通过与不同的靶标蛋白，从而实现不同的功能。

1.钙离子感受器细胞质钙离子感受器的作用在于当胞质中的钙离子浓度上升时，它们能够结合并激活某些特定的靶标蛋白。

生物新高考热点主题专项训练(7) 稳态的基石——信息传递和反馈调节(学生版)

生物新高考热点主题专项训练(七) 稳态的基石——信息传递和反馈调节一、单项选择题1．在多细胞生物体内，细胞通过细胞膜上的受体接受各种“信息”，以完成各项生命活动。

下列不能体现细胞膜“信息交流”功能的是()A．抗利尿激素促进肾小管重吸收水分B．神经递质促进肌肉细胞收缩C．高浓度蔗糖溶液使洋葱细胞质壁分离D．B细胞识别抗原2．蛋白质分选是蛋白质依靠自身信号序列，从起始合成部位定向转运到功能发挥部位的过程。

下图示为人体某种线粒体蛋白的分选途径，下列说法错误的是()A．结构A是蛋白质通道，结构B是受体B．信号序列发挥定向功能与翻译过程几乎是同时进行的C．参与③过程的酶是肽酶D．信号序列和受体是蛋白质分选的物质基础3．在家兔动脉血压正常波动过程中，当血压升高时，其血管壁上的压力感受器感受到刺激可以反射性地引起心跳减慢和小血管舒张，从而使血压降低，仅由此调节过程判断，这一调节属于()A．神经调节，负反馈调节B．神经调节，正反馈调节C．体液调节，负反馈调节D．体液调节，正反馈调节4.参与内环境稳态调节的三个系统通过信息分子构成复杂网络。

如图，若a是白细胞介素，b是乙酰胆碱。

则c、d、e、f分别是()A．c是甲状腺激素，d是TRH，e是糖皮质激素，f是干扰素B．c是TRH，d是甲状腺激素，e是糖皮质激素，f是干扰素C．c是干扰素，d是甲状腺激素，e是TRH，f是糖皮质激素D ．c 是TRH ，d 是甲状腺激素，e 是干扰素，f 是糖皮质激素5．人体内环境稳态是神经—体液—免疫调节网络调控的结果。

如图是人体内某些生命活动的调节过程。

下列说法错误的是( )A ．信息分子A 、C 、D 、E 、F 发挥作用后会被移走或分解失活B ．信息分子C 由内分泌腺分泌后，由体液定向运输到肾脏C ．信息分子F 与B 细胞结合，该过程属于特异性免疫D ．信息分子A 、C 、D 、E 、F 均会与受体结合，起到调节作用6．具有调节细胞生命活动作用的化学物质被称为信息分子。

植物钙信号途径及其分子调控机制研究

植物钙信号途径及其分子调控机制研究随着科学技术的不断进步，人们对生物学的认识也越来越深入。

植物是地球上重要的生命体，它们在自然界中扮演着至关重要的角色。

植物与环境的互动过程是基于信号传递的。

在这个过程中，钙离子被认为是植物中最重要的信号分子之一，参与了植物的许多生长发育和胁迫响应。

因此，植物钙信号途径及其分子调控机制研究已成为当前植物科学领域的热点之一。

一、植物钙信号途径钙信号途径是指某种外界因子作用于细胞表面受体后，通过一系列的蛋白激酶和蛋白磷酸酶等中间介质引起细胞内游离钙离子的浓度变化，最终调控细胞内再生产和转录水平。

而植物钙信号途径的发现始于上世纪70年代，随着先进的分子生物学技术的不断发展，目前已经分离出多种植物钙离子传感器和钙依赖的蛋白激酶、蛋白磷酸酶等上游分子，揭示了一条完整的植物钙信号途径。

植物钙信号途径的大致流程是：外界信号作用于受体后，激活G蛋白，G蛋白二聚体激活PLC酶，PLC酶水解PIP2产生DAG和IP3。

DAG激活蛋白激酶C （PKC），PKC进而激活某些钙离子通道，促使细胞内钙离子变化。

IP3则能够激活细胞内储存的质膜和液泡，释放大量的游离钙离子。

细胞内游离钙离子浓度的增加，激活下游的钙离子结合蛋白，诱导一系列的生物学反应。

二、分子调控机制植物钙信号途径的分子调控机制是指在钙离子传感器和下游响应蛋白之间，一系列蛋白质激活和结合过程中的精细调控。

其调控机制主要可分为两类：阳性调控和阴性调控。

1.阳性调控阳性调控是指一些蛋白能够增强或促进植物钙信号通路中蛋白的激活和结合能力。

在植物细胞膜上，有许多钙离子通道、钙离子结合蛋白和其他结合伴侣蛋白，它们之间通过复杂的结合过程调控植物建立要快速传递和响应强烈的钙信号。

以钙依赖的激酶为例，激酶充当着钙信号途径的“开关”，通过遗传学和分子生物学手段已经确定了数十种激酶亚型。

而这些激酶亚型之间的调控作用则可以通过激酶的自磷酸化状态、域互作和指示蛋白等方式进行。

植物体内的钙信使系统

植物体内的钙信使系统
龚明;李英
【期刊名称】《植物学通报》
【年(卷),期】1990(007)003
【摘要】Ca对植物不仅仅是一种大量营养元素,更重要的是作为偶连胞外信号与胞内生理生化反应的第二信使,作为植物代谢和发育的主要调控者。

本文介绍了Ca 在植物细胞中的分布及其体内平衡机制,以及Ca^(2+)信使系统调控的植物生理生化过程,讨论了外界信号通过Ca^(2+)信使系统的传递和表达过程,Ca^(2+)信使系统对基因表达的可能影响,以及Ca^(2+)信使系统的作用机制,并提出了今后的研究方向。

【总页数】11页(P19-29)
【作者】龚明;李英
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】Q945
【相关文献】
1.植物体内的钙信使系统 [J], Poov.,BW;刘德华
2.平滑肌细胞双信使系统与钙火花相关性研究 [J], 张维维;曾晓荣;杨艳
3.NO和钙信使系统在草酸诱导黄瓜叶片抗霜霉病中的作用 [J], 刘高峰
4.钙(Ca2+)信使系统在植物低温适应性中的研究进展 [J], 张雪梅
5.植物体内的Ca^(2+)信使系统及其与抗逆性的关系 [J], 陈立松;刘星辉
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