植物细胞中钙调素研究进展

基金项目 : 山西省自然科学基金项目 (项目编号 : 200901104 - 2)
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Vol129 No16
和柱头中 CaM 含量最高 。大麦叶片的分生组织 、 顶端分生组织中 CaM mRNA 的含量增加 (Choi 等 , 1996 ; Chye 等 , 1995) , CaM mRNA 在雌蕊正在发 育过程中的细胞核和核仁中大量表达 , 特别是在 核仁中的表达最多[8 ,9] 。在成熟植物细胞的细胞 质和细胞核中 CaM 的 mRNA 的表达量一致 , CaM 在细胞质中的表达却高于细胞核中的表达[10 ,11 ] 。 杨军等 (2002) 用胶体金免疫电镜技术观察了水 稻受精前后胚囊中的钙调素的分布变化 , 发现授 粉后 , 卵细胞 、助细胞和中央细胞内的钙调素含 量均有所增加 , 授粉到受精期间 , 钙调素的主要 分布形式由分散的单颗粒转变为聚集颗粒 , 受精 完成 后 再 变 为 分 散 的 单 颗 粒 形 式[12] 。李 等 (1999) 研究了烟草受精前后胚囊中 CaM mRNA 和 CaM 的变化 , 发现在卵细胞与中央细胞之间 , 受 精后宿存助细胞与退化细胞之间 , 合子与胚乳细 胞之间 , 细胞原胚的顶细胞与基细胞均存在表达 的差异[13] 。成熟胚囊中的 CaM mRNA 主要分布在 珠孔极的卵器和合点端的反足细胞 ; 中央细胞较 少 。在受精前后 , 卵细胞和中央细胞之间出现富 含 CaM 的短暂性区带 , 而在授粉后到受精前卵器 与极核之间出现一条暂时的 CaM mRNA 条带 , 受 精后此条带消失 。受精后 CaM mRNA 主要集中于 伸长的合子和原胚的合点端 , 在植物根冠和分生 组织区域具有专一性增加的 CaM 位点 。大麦叶片 的分生组织 、顶端分生组织中 CaM mRNA 的含量 增加[14] 。赵洁等 (1998) 在研究小麦分离合子与 幼胚的发育过程中发现 , 在不同的胚期 CaM 分布 不一样 , 较大的梨形期 , 胚体较胚柄含量高 , 刚 分化 出 胚 芽 鞘 和 胚 芽 时 , 基 部 的 CaM 含 量 很 高[15 ] 。
第 29 卷 第 6 期 ·3 5 · 2009 年 12 月
农业与技术 Agriculture &Technology
Vol129 No16 Dec12009
植物细胞中钙调素研究进展
段江燕 张俊红
(山Βιβλιοθήκη Baidu师范大学生命科学学院 , 山西 临汾 041004)
[ 摘 要 ] 植物细胞对一系列生物和非生物刺激所产生的反应都与细胞内的钙离子信号转导有关 。钙调素是钙离子受体中最重
CaM 广泛地分布于几乎所有已知的真核生物 中 , 但在不同组织 , 器官和原生质体中它的含量 不同 , 分布也不一样 。细胞内 CaM 的水平最终是 由胞内 Ca2 + 浓度控制的 , 胞内静息态 Ca2 + 浓度为 10～7mol/ L , 当胞内浓度高于 10～5mol/ L 时 , Ca2 + 则结合 CaM。Ling 等 (1992) 用光密度测定法和 酶活性试验检测了蚕豆不同器官 、组织和原生质 体中 CaM 的含量 , 发现保卫细胞 、表皮 、胚轴中 CaM 的浓度为 1～2Lmol/ L , 细胞质内总 CaM 浓度 约为 5～20Lmol/ L[6] , Fisher 等 (1996) 检测胡萝 卜细 胞 悬 浮 液 中 CaM 含 量 相 似[7] 。CaM 和 CaM mRNA 在培养细胞的分生群体和植物分生组织中 分布最多 。如 : 在花粉管的萌发过程中 , 花粉管
了 CaM 基因的表达 。在 Ca2 + 存在下 CaM 基本螺 旋 - 线 - 螺旋结构上的几个转录因子抑制了它与 DNA 的结合 , 且抑制了转录基因的表达 。在植物 中 , Szymanski 等[34] 报导了在花 椰 菜 植 物 中 存 在 bZIP 转 录 因 子 TGA3 和 结 合 蛋 白 之 间 的 作 用 。 Ca2 + 增加了拟南芥中 Cam3 启动子与 CaM 和 DNA 结合蛋白之间的结合 。
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农业与技术
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的高等植物中的 Cam 序列中 , 编码区域包括两个 外切子 , 一个内含子 。植物 Cam 基因的启动子富 含 AT 区域 , 具有 TATA 结构模块 。有的学者提出 “多个基因一种蛋白”的假设用以解释不同组织和 器官具有不同 Cam 的特异表达 。所有的 Cam 基因 的 cDNA 克隆编码了一段 148 个氨基酸多肽链 , 此多肽链具有高度保守性 。对植物不同器官中 CaM mRNA 的检测[23] 表明在植物中存在多种 Cam 基因表达系统 , CaM mRNA 存在于各种不同的组 织中 。为了适应水喷射 、地下灌溉 、风 、触动 、 伤流 、黑暗等 , 拟兰芥至少启动了四个基因的表 达 , 刺激 30min 后 CaM mRNA 水平增加了 100 倍 。 CaM 和其它一些 CaM 类似物结合增加了的 Ca 激 活产生细胞反应[24 ] 。Yang 等[25 ]以马铃薯 cDNA 为 探针从水稻种至少获得了四个 CaM 和 CaM 相关基 因 。Poovaia 等[26]研究报导 , 用酵母双杂交系统获 得了编码 CCaMK( Calmodulindependentproteinkinase) 的 cDNA 克隆 , 其中 LIEN21 与 CCaMK的磷酸化作 用位点具有高亲和性 。CaM 一般存在于细胞质中 , 但最近的研究发现在细胞核中也存在 CaM。Schu2 urink 等[27]用免疫荧光检测发现在大麦糊粉原生质 体细胞的细胞核中存有一定数量的 CaM。他们发 现不同的激素 GA 和 ABA 处理后 , 糊粉层中 CaM mRNA 和 CaM 蛋白在细胞质和细胞核中 CaM 的含 量没有明显的变化 , 证明激素处理对 CaM 的分布 没有明显的联系 。有些研究者发现生长素[28] , 赤 霉素 ( GA) [29 ] 、光 照[30 ] 等 能 引 起 细 胞 核 内 CaM 基因表达的不同 , 在很多情况下刺激了 CaM 基因 的表达 , 随即引起细胞内 Ca2 + 浓度的改变 。外部 刺激引起细胞内 Ca2 + 浓度的改变怎样导致了基因 水平的变化 ? 在动物 Ca2 + 信号转导中是通过转录 因子 CREB[31 ] 、ERK、JNK、NFAT 和 NFkB[32 ]来改 变体内的基因表达模式 。这些转录因子通过 CaM 激酶级联反应的磷酸化/ 去磷酸化作用和 CaM 依 赖蛋白磷酸酶激活钙调神经酶 。在植物中还没有 这方面的详细研究报导 。Corneliusse[33]报导了 Vig2 naradiata 细胞内 Ca2 + 浓度的改变在转录水平影响
4 植物中 CaM 基因的表达
研究者们已经从不同的植物中如 : 苹果[16] 、 拟 兰 芥[17 ] 、马 铃 薯[18 ] 、水 稻[19 ] 、小 麦[20 ] 、藻 类[21 ] 、苜蓿[22 ] 分离或克隆出 CaM 基因 。在所有
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5 细胞中 CaM 的参与调节多种生理功能
CaM 生理功能的研究涉及面相当的广泛 , 参 与调控多种的生理功能 , 在植物的有性生殖过程 中起着特别重要的作用 。孙大业等发现植物细胞 外广泛存在 CaM , 并且具有调节细胞增殖 , 原生 质体壁再生的生理功能 。Polito 最先发现外源 CaM 具有促进花粉萌发及花粉伸长 , 并能诱导特定基 因的生理功能[35] 。尚忠林等发现外源的钙调素可 以促进花粉的立体生长 , 而钙调素抑制剂则一直 其萌发及生长 。崔素娟等发现花柱细胞外 CaM 对 花粉在柱头上的萌发起促进作用 , 对花粉管的伸 长起促进作用[36 ,37 ] 。李建华等[38 ] 发现 CaM 主要 通过 NOS 途径诱导 NO 合成 , 进而调节蚕豆及拟 南芥的气孔运动 。周建涛[39]等发现钙调素对梨自 花及异花授粉后花柱的变化中起着重要调控作用 。 苏火生等 [ 40 ] 研究表明钙调素可能参与细胞分裂素 诱导 的 长 春 花 生 物 碱 的 合 成 调 节 。Witisuwan2 nakul[41]表明 , 钙调素参与了乙烯利刺激巴西橡胶 树乳胶增产过程中的分子调控和信号转导 。Gun2 ther[ 42 ]等在对 光 敏 素 调 控 基 因 表 达 的 研 究 中 发 现 了 , CaM 参与了光敏素调控的基因表达过程 。李 红兵[43]发现胞外 CaM 有促进白芷悬浮细胞增殖的 作用 , 边艳青等[44]发现外源 CaM 可促进白芷原生 质体壁再生和第一次分裂 。Grangwani 等[45] 发现 CaM 可激活从浮萍属植物中得到的环核苷酸磷酸 二酯酶的活性 , Preisig 等[46] 发现在烟草的植物抗 毒素合成中也有 CaM 的参与 , 这些都表明了 CaM 的生理作用是一个广阔的研究领域 。
有四个可以结合钙离子的相似的结构域 , CaM 是 酸性蛋白质 , 等电点为 319 , 近 1/ 3 的氨基酸是酸 性 Glu , Asp1 不含有易氧化的 Try , Cys。因此分 子相当稳定 , 特别耐热 , 90 ℃下可保留完全的活 性 , CaM 的一级结构在进化上呈现很强的保守性 (图 1) 。
1 CaM 的发现及命名
CaM 是 1967 年美籍华人张槐耀在研究细胞内 cAMP 的浓度变化中环腺苷酸磷酸二脂酶 ( PDE) 的调 节 作 用 时 发 现 的 。Krostinger 建 议 命 名 为 (Calmodulin , CaM) , 我国于 1987 年正式命名为钙 调素 (顾永清 , 1994) [3] 。CaM 是一种有多种调节 功能的 Ca2 + 结合蛋白 , 是细胞内信号转导途径中 重要信号分子 , 广泛存在于真核生物 , 对动植物 的多种生理过程起着重要的调节作用[4] 。
2 CaM 的结构
CaM 是一种钙依赖性调节蛋白 , 是细胞内一 种多功能调节剂 。CaM 的一级结构是一条由 148 个残基组成的多肽链 , 分子量 16700 。CaM 分子内
图 1 钙调素一级结构 CaM 的二级结构 , 是两个类似的球状叶片通 过一段长长的有延展性的肽链的连接而组成的整 个分子 。在每个球叶中含有两个钙离子结合位点 。 每个结合位点是 12 个氨基酸残基组成的腔式结 构 , 半径约为 011nm。两旁连接着两条互相垂直 的由 8 个氨基酸组成的α- 螺旋 , 即 EF 手型 (图 2) 。两个 EF 手型单位之间彼此相距 111nm。在一 个球叶中的两个钙离子结合位点对钙离子具有很 高的亲和性 , 而在另一个球叶中的位点则亲和性
要的一种 , 参与调控植物细胞的生理代谢过程 。本文介绍了钙调素的结构及其在植物细胞中的分布 , 以及钙调素的生理功能等方
面的最新研究进展 。
[ 关键词 ] 植物细胞 ; 钙调素 ; 信号转导
中图分类号 : Q942
文献标识码 : A
植物在受到外界非生物刺激 (如 : 光照 , 冷 , 热 , 运动 , 缺氧 , 干旱等) 和生物刺激 (如 : 植 物激素 , 抗原刺激) 下会普遍产生钙离子信号[1] , 钙与钙调蛋白 ( CaM) 结合 , 进而通过与细胞内 多种酶和蛋白质结合而调节细胞生理生化过程[2] 。 本文将重点讨论植物细胞中 CaM 的最新研究进 展。
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较低 , 钙离子结合到亲和性较低的两个位点上 , 激活 CaM , 使 CaM 再去刺激促进其它的酶 。现在 对 CaM 的三维结构及其两个结构域的功能有了新 的研究 (图 3) [。5 ]
图 2 钙调素 EF 手型图
图 3 钙调素三维图像
3 CaM 在植物细胞中的分布