楊玲琴 劉敬 李魏 戴良英
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院,作物基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410128)
鉀是植物所必需的三大營養(yǎng)元素之一,也是唯一以較高濃度存在的一價(jià)陽離子,約占植物總干重的2%-10%[1]。鉀是一種大量元素,對(duì)植物的生長發(fā)育有著至關(guān)重要的作用。它參與植物體內(nèi)的多種生理活動(dòng),如植物的氮代謝、脂肪代謝、蛋白質(zhì)的合成、滲透調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞膜的極化等。鉀離子可以提高植物對(duì)干旱、鹽堿等非生物脅迫的耐受性,同時(shí)也可以抵抗真菌等生物脅迫[2]。除上述生理功能外,鉀在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也有非常重要的作用,鉀肥的濃度直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。植物細(xì)胞質(zhì)中鉀離子的濃度需要保持在100-200 mmol/L之間,植物才能維持正常的生理功能[3],但土壤中的鉀離子濃度(10-100 μmol/L)與細(xì)胞質(zhì)中的含量相比低3-4個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。因此,植物需要通過其體內(nèi)的鉀離子吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)從土壤中獲得并富集足夠濃度的鉀離子。其中,植物體內(nèi)各種類型的鉀離子通道在這個(gè)過程中起到了至關(guān)重要的作用。本文主要介紹鉀離子通道的結(jié)構(gòu)與調(diào)控鉀離子吸收的機(jī)制及其在生長發(fā)育、非生物脅迫與生物脅迫方面的功能。
20世紀(jì)80年代,Schroeder等[5]利用膜片鉗技術(shù)在蠶豆(Vicia faba)的保衛(wèi)細(xì)胞中首次發(fā)現(xiàn)鉀離子通道的存在。隨后研究人員采用酵母突變體互補(bǔ)法從擬南芥(Arabidopsis thaliana)、大麥(Hodeum vulgare)、小麥(Triticum aestivum)、馬鈴薯(Solanum tuberosum)等植物中分離到不同類型的鉀離子通道[6]。鉀離子通道實(shí)質(zhì)是一種跨膜蛋白,存在于植物細(xì)胞質(zhì)膜或內(nèi)膜(如液泡膜、其他細(xì)胞器膜)上。根據(jù)鉀離子的流動(dòng)方向及對(duì)電勢(shì)的依賴性可將其分成兩類:內(nèi)向整流型鉀離子通道(Inward rectifier K+channel;K+in),外向整流型鉀離子通道(Outward rectifier K+channel;K+out)[7]。內(nèi)向整流型鉀離子通道是植物體吸收鉀離子的主要途徑,該通道的特點(diǎn)是對(duì)鉀離子的親和力低、對(duì)鉀離子濃度變化敏感、對(duì)電壓的依賴性高,這類蛋白主要存在于細(xì)胞的質(zhì)膜上。內(nèi)向整流型鉀離子通道在細(xì)胞膜超極化(Hyperpolarization)的電壓條件下打開,引起胞外的鉀離子內(nèi)流進(jìn)入胞內(nèi)[8]。外向整流型鉀離子通道是植物細(xì)胞中鉀離子外流的重要途徑,對(duì)鉀離子有較高的通透性和選擇性,通透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他一價(jià)陽離子,如 Rb+、Na+、Li+等[9]。外向整流型鉀離子通道是在細(xì)胞去極化(Depolarization)的條件下被激活打開,跨膜電勢(shì)較高,引起鉀離子由胞內(nèi)排到胞外[10]。
鉀離子通道依據(jù)蛋白序列和結(jié)構(gòu)特征的不同,又可分為3大類:Shaker 家族通道、Tandem-Pore K+(TPK)通道和Kir-like通道(K+Inward Rectifier-Like Channel)[11]。其中,Sharker家族通道是最早被發(fā)現(xiàn)且研究最深入的鉀離子通道家族。近年來,人們已從多種植物或同種植物的不同組織器官中鑒定到30多個(gè)Shaker 鉀離子通道基因[12]。TPK通道也被稱為KCO通道即鉀離子通道(K+channel)、鈣激活(Ca2+activate)和外向整流(Outward-rectifying)的縮寫。1997年,第一個(gè)TPK通道家族成員KCO1在擬南芥中鑒定出[13]。TPK通道是動(dòng)物串聯(lián)孔(TWIK-like)通道的植物同源物[12]。在擬南芥基因組序列數(shù)據(jù)庫中搜索TPK1同源序列時(shí)發(fā)現(xiàn)動(dòng)物TPK1同源序列KCO3,導(dǎo)致KCO3初始分類成單獨(dú)的植物Kirlike通道家族[14]。系統(tǒng)發(fā)育數(shù)據(jù)證明Kir-like通道實(shí)際上屬于TPK家族,起源于進(jìn)化上最近的基因重復(fù)和部分缺失事件[15-16]。因此有學(xué)者認(rèn)為Kir-like通道不是一個(gè)獨(dú)立的鉀離子通道家族[11]。
1992年,Sentenagc等[17]利用酵母的鉀吸收缺陷突變體,從擬南芥cDNA文庫中克隆并分離得到AKT1基因。鉀離子通道AKT1是典型的Shaker家族成員。植物Shaker通道蛋白N端和C端均位于胞質(zhì)內(nèi),N端是由大約60個(gè)氨基酸組成的一個(gè)很短的結(jié)構(gòu)域;C端在第6個(gè)跨膜片段末尾,它含有一個(gè)約80個(gè)氨基酸殘基組成的C-接頭,一個(gè)環(huán)核苷酸結(jié)合區(qū)(Cyclic nucleotide-binding domain;CNBD)、一個(gè)錨蛋白區(qū)(Ankyrin-related domain;ANKY)和一個(gè)富含疏水酸性殘基的KHA域[18-19]。大部分Shaker型鉀離子通道家族都存在錨蛋白區(qū)。錨蛋白有助于鉀離子通道與細(xì)胞骨架的連接,并能調(diào)節(jié)細(xì)胞溶質(zhì),促進(jìn)蛋白與蛋白之間的相互作用[20]。Shaker家族成員具有6個(gè)跨膜鏈(S1-S6),S1-S4這4條跨膜鏈與鉀離子通道感受并響應(yīng)膜電位變化的能力密切相關(guān)。S4跨膜鏈每隔兩個(gè)氨基酸殘基就有一個(gè)帶正電荷的精氨酸或賴氨酸重復(fù)序列(Arg/Lys-Xaa-Xaa-Arg/Lys),這個(gè)結(jié)構(gòu)的存在可以讓S4在膜上移動(dòng),從而引起了膜通道構(gòu)象發(fā)生變化,起到控制通道孔的開放與關(guān)閉的作用[21]。S5與S6之間含有一個(gè)P環(huán)(Pore)結(jié)構(gòu)域,由一段嵌入細(xì)胞膜內(nèi)的多肽片段,構(gòu)成通道孔。一般單個(gè)鉀離子通道是同源四聚體結(jié)構(gòu),它由4個(gè)亞基對(duì)稱圍成一個(gè)恰好讓單個(gè)鉀離子通過的孔道。Shaker型鉀離子通道能夠形成異源四聚體結(jié)構(gòu),這也是Shaker通道的一個(gè)重要的特點(diǎn)。這個(gè)結(jié)構(gòu)使得植物能相對(duì)獨(dú)立的調(diào)節(jié)每個(gè)器官或組織中細(xì)胞內(nèi)的鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)活性[22]。
土壤中K+濃度過低影響植物正常生長發(fā)育。在低鉀條件下,osakt1突變體的冠部高度、植株高度、根部和冠部的生物量均顯著低于野生型。osakt1突變體與野生型相比其抽穗、灌漿和種子成熟所需的時(shí)間明顯更長。種子成熟后統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的農(nóng)業(yè)性狀發(fā)現(xiàn),osakt1突變體主穗穗粒數(shù)、主穗飽滿種子比例和百粒重都低于野生型。這些結(jié)果表明水稻OsAKT1功能的缺失會(huì)影響水稻的生長發(fā)育[23]。我們的研究發(fā)現(xiàn)擬南芥akt1突變體與野生型相比有明顯的晚花現(xiàn)象,還發(fā)現(xiàn)在四周齡的時(shí)候akt1突變體的葉片及整個(gè)植株直徑也明顯的小于野生型。將Atakt1突變體幼苗置于低鉀環(huán)境下生長,其根毛的生長受到抑制。在低鉀培養(yǎng)基上生長,擬南芥akt1突變體植株表現(xiàn)出低鉀敏感表型和鉀離子含量降低[24-25]。擬南芥akt1突變體根缺乏內(nèi)向整流鉀離子通道的功能,在鉀離子濃度為100 μmol/L或更低時(shí),突變體生長受到抑制,同時(shí)也檢測(cè)不到鉀離子內(nèi)流[26]。AKT1介導(dǎo)的鉀離子吸收能促進(jìn)植物腫瘤細(xì)胞的增殖,當(dāng)AKT1被敲除時(shí)腫瘤細(xì)胞的增殖發(fā)育過程受到明顯的抑制[27]。除了AKT1功能缺失導(dǎo)致植物鉀離子含量減少外,銫離子也能夠影響植物體內(nèi)鉀離子的含量。銫離子對(duì)植物目前沒有已知的有益作用[28]。銫離子對(duì)AKT1和其他鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白/通道,通過與鉀離子競(jìng)爭或阻斷的方式,導(dǎo)致植物體內(nèi)K+積累減少,從而使得植物生長遲緩[29]。因此,在調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育方面鉀離子通道AKT1發(fā)揮重要作用。
鉀離子影響作物生產(chǎn)的很多方面,包括產(chǎn)量、對(duì)病原體的抗性和對(duì)非生物脅迫的耐受性(如鹽度、倒伏和干旱)[30]。植物響應(yīng)干旱脅迫中的一種方式是通過吸收并積累大量的溶質(zhì)(如K+、Na+和脯氨酸等)[31],降低細(xì)胞滲透勢(shì),從而增強(qiáng)植物細(xì)胞的吸水能力。AKT1主要從兩個(gè)方面參與調(diào)控植物的抗旱性。首先,AKT1能增強(qiáng)植物根吸收鉀離子的能力。將水稻OsAKT1基因超表達(dá)后,在干旱條件下該轉(zhuǎn)基因水稻生長良好,根中積累較多的鉀離子;相反,水稻Osakt1突變體生長不良,根中鉀離子含量明顯減少[32]。由此表明,OsAKT1轉(zhuǎn)基因植株根中的鉀離子積累,改善細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力,從而增強(qiáng)抗旱能力。其次,AKT1通過調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)來維持植物體內(nèi)的水分平衡。干旱脅迫下,擬南芥akt1突變體植株的失水量和蒸騰速率明顯低于野生型。由此可見,擬南芥中AKT1基因的沉默使得保衛(wèi)細(xì)胞K+跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)體系受損,氣孔導(dǎo)度下降,從而增強(qiáng)植物對(duì)水分脅迫的反應(yīng)[33]。這些研究結(jié)果表明,AKT1在介導(dǎo)植物保衛(wèi)細(xì)胞鉀離子轉(zhuǎn)運(yùn),調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)及維持細(xì)胞水分平衡中發(fā)揮著重要的作用。
鹽逆境對(duì)植物造成的危害最初表現(xiàn)為滲透脅迫,然后因離子失調(diào)引起Na+毒害和營養(yǎng)元素的虧缺,最后引起氧化脅迫導(dǎo)致植物膜通透性改變、生理生化代謝紊亂和有毒物質(zhì)的積累,進(jìn)而造成植物生長發(fā)育和形態(tài)建成的改變[34-35]。植物通過維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)較高的K+/Na+比的策略來增強(qiáng)對(duì)鹽脅迫的耐受性[36]。先前的研究表明,番茄中的AKT1和HAK5參與鹽脅迫應(yīng)答和在鹽條件下維持K+/Na+的動(dòng)態(tài)平衡中起到關(guān)鍵的作用[37]。水稻鉀離子吸收通道OsAKT1對(duì)鹽脅迫非常敏感,能通過影響水稻根部對(duì)Na+的吸收來維持植株內(nèi)的鉀離子平衡[38]。棉花CCRI49在鹽脅迫期間通過AKT1、SOS1和HAK5減少了ROS的過量產(chǎn)生,同時(shí)在根系膜上維持著K+高于Na+的選擇性吸收[39]。鹽地堿蓬SsAKT1能介導(dǎo)高親和力和低親和力K+攝取,鹽脅迫下促進(jìn)植物體內(nèi)鉀離子積累,從而增強(qiáng)植物的耐鹽性[40]。在擬南芥中超表達(dá)小花堿茅PtAKT1與野生型相比更加的耐鹽。在正常、饑餓和NaCl脅迫條件下,過表達(dá)PtAKT1增加了擬南芥的鉀離子含量,而根和莖中Na+積累量均有所下降[41]。表明PtAKT1增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)鉀離子含量的積累,進(jìn)而增強(qiáng)植物的耐鹽性。以上研究結(jié)果表明,AKT1在維持植物體內(nèi)較高的鉀離子含量,調(diào)節(jié)植物體內(nèi)K+/Na+平衡以及增強(qiáng)植物耐鹽性等方面具有非常重要的作用。
植物營養(yǎng)狀況可以影響植物對(duì)病原體入侵的免疫力。鉀是植物生長發(fā)育所必需的,同時(shí)它也有助于植物抵抗病原物,高鉀可以降低真菌、細(xì)菌及病毒對(duì)作物的危害[42]。研究表明,OsAKT1不僅在水稻吸收鉀離子的過程中發(fā)揮重要的作用[43],還參與水稻的抗病反應(yīng)。稻瘟病產(chǎn)生的效應(yīng)蛋白AvrPiz-t以鉀離子通道為靶點(diǎn),破壞植物的免疫功能,干擾OsAKT1與其上游調(diào)節(jié)因子OsCIPK23的關(guān)聯(lián)。Avr-Piz-t與水稻鉀離子通道OsAKT1相互作用,抑制Os-AKT1介導(dǎo)的鉀離子電流,導(dǎo)致osakt1突變體鉀離子含量降低,對(duì)稻瘟病的抗性降低[44]。本課題組研究發(fā)現(xiàn)擬南芥AKT1正調(diào)控對(duì)病原菌草莓灰霉的抗病性。接菌草莓灰霉后Atakt1與野生型相比病斑直徑和死亡率均高于野生型。從機(jī)制上而言,鉀離子主要從以下幾個(gè)方面增強(qiáng)植物對(duì)病害的抗性:(1)植物施鉀肥可使植物提前開花完成生育期,成功避開病害爆發(fā)期;(2)通過調(diào)節(jié)植物形態(tài)學(xué)提高植物抗病性。施鉀肥可以讓植物角質(zhì)層、表皮層和細(xì)胞壁更加的厚實(shí),形成堅(jiān)硬的第一道防線以抵抗病原物入侵;(3)通過調(diào)控植物體內(nèi)代謝,如酚代謝、碳氮代謝和活性氧代謝等進(jìn)而調(diào)控植物的抗病性[45-46]。
植物通過鉀離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白從環(huán)境中吸收鉀離子。它們之間通過復(fù)雜的分工與合作共同調(diào)控植物不同組織及細(xì)胞的鉀離子濃度和滲透勢(shì)等的變化,鉀離子通道和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白功能的實(shí)現(xiàn)離不開調(diào)控機(jī)制。為了能夠精確調(diào)控鉀離子通道,植物體進(jìn)化出多種機(jī)制來調(diào)節(jié)它的表達(dá)狀態(tài)和轉(zhuǎn)運(yùn)活性,以滿足植物不同部位、不同生理階段和不同生長環(huán)境的生理需求[47]。鉀離子通道的調(diào)控機(jī)制有很多類型,如轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控、翻譯后調(diào)控、定位調(diào)節(jié)、pH調(diào)節(jié)、電壓調(diào)控等。最近的研究發(fā)現(xiàn)在藍(lán)光(450 nm)誘導(dǎo)下,CRY2與CIB1結(jié)合使嵌合在細(xì)胞溶質(zhì)中的蛋白激酶AKT1募集至質(zhì)膜,同時(shí)使其被激活[48]。Sentenac等[17]從擬南芥中克隆得到第一個(gè)高等植物Shaker型鉀離子通道AtAKT1。下文重點(diǎn)介紹其中兩種調(diào)控方式。
研究表明,鉀離子通道AKT1最常見的蛋白調(diào)控方式是磷酸化或去磷酸化,ATP或非水解ATP類似物可影響鉀離子通道的活性。到目前為止CBL(Calcineurin B-like protein)/CIPK(CBL-Interacting Protein Kinase)的磷酸化調(diào)控鉀離子通道AKT1的研究最為深入。
CBL蛋白是由兩個(gè)相連的短連接域折疊形成的球形區(qū)結(jié)構(gòu),擬南芥和水稻CBL蛋白都含有四個(gè)典型的EF-hand結(jié)構(gòu)域[49-50]。CBL下游特異的底物是CIPK蛋白激酶。CIPKs是植物中特有的絲/蘇氨酸蛋白激酶,具有兩個(gè)典型的結(jié)構(gòu)域:N端類SNF1(Sucrose non-fermenting-1)蛋白激酶結(jié)構(gòu)域和負(fù)責(zé)與CBL互作的C端高度可變調(diào)節(jié)區(qū)NAF結(jié)構(gòu)域[51]。研究發(fā)現(xiàn)CBL蛋白的C末端都含有一個(gè)FPSF基序,F(xiàn)PSF中的絲氨酸殘基能被其互作的CIPK蛋白磷酸化,進(jìn)而提高CBL與CIPK蛋白之間結(jié)合的強(qiáng)度,同時(shí)還能增強(qiáng)CBL-CIPK復(fù)合體對(duì)下游靶蛋白的磷酸活性[52]。
在擬南芥中的研究結(jié)果表明磷酸化AKT1需要CIPK23和CBL1/CBL9共同參與才能被激活[20]。將CIPK23與被分段后的AKT1胞內(nèi)區(qū)進(jìn)行互作分析,能與CIPK23互作的片段是含有完整Anky區(qū)域的片段,這研究結(jié)果說明AKT1與CIPK23之間的互作依賴于AKT1中的Anky區(qū)域[18]。在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中其他植物的Shaker鉀離子通道也能被CBL1/CIPK23調(diào)控,如葡萄中的 VvK1.1和 VvK1.2[53-54]、玉米中的ZMK1等[55]。隨后的研究發(fā)現(xiàn)多種CBL和CIPKs與AKT1之間存在互作關(guān)系,例如在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中CIPK6和CIPK16也同樣能與CBL1結(jié)合一起激活A(yù)KT1。CBL10能直接結(jié)合AKT1,并以濃度依賴性和CIPK非依賴性的方式降低AKT1的活性[56]。這個(gè)高度復(fù)雜且靈敏的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還有其他的組成部分。如PP2C磷酸酶AIPI,在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中它與CIPK23的作用相反,與AKT1結(jié)合通過去磷酸化作用使其失活[57]。Lan等[58]在研究PP2Cs和CBL-CIPK途徑之間的相互作用時(shí),發(fā)現(xiàn)PP2C磷酸酶與CIPK-CBL復(fù)合體相互作用,以抑制激酶磷酸化活性使AKT1去磷酸化。綜上所述,CBL、CIPK和PP2C提供了一個(gè)全面的系統(tǒng)來調(diào)節(jié)由AKT1介導(dǎo)的K+攝取,為植物提供強(qiáng)大的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)以響應(yīng)廣泛的環(huán)境變化。
動(dòng)植物Shaker鉀離子通道都具有典型的四聚體結(jié)構(gòu),當(dāng)4個(gè)蛋白亞基相同時(shí)組成同源四聚體通道,當(dāng)來自同一家族但是4個(gè)蛋白亞基不同時(shí)組成的是異源四聚體通道。與同源四聚體通道相比,異源四聚體通道具有新的通道特性[59]。植物Shaker鉀離子通道中存在這種異源聚合方式。通過異源聚合的調(diào)控方式,鉀離子通道的活性被靈活的調(diào)控,使得植物更加適應(yīng)逆境脅迫,以及滿足自身生理需求。
AKT1除了受激酶和磷酸酶調(diào)控外還受到AtKC1的調(diào)控。AtKC1是內(nèi)向整流型Shaker鉀離子通道中的調(diào)節(jié)子或沉默α亞基,對(duì)四聚體的鉀離子通透能力產(chǎn)生抑制作用[60]。酵母雙雜交結(jié)果顯示AtKC1與AKT1能夠相互作用[61]。AtKC1將AKT1的激活閾值偏向更負(fù)值,抑制AKT1在胞外1 mmol/L K+條件下鉀離子外流,從而增強(qiáng)擬南芥的低鉀耐受性[62]。研究發(fā)現(xiàn)AtKC1與AKT1形成聚合結(jié)構(gòu),除了影響活化閾值外,AKT1-AtKC1異聚體中孔通道對(duì)鉀離子依賴性發(fā)生了改變。AKT1-AtKC1異聚體的孔通道在較高的鉀離子濃度下比AKT1同聚體的孔通道更塌陷[55]。此外,SNARE(Soluble N-ethylmaleimidesensitive factor protein attachment protein receptor)蛋白SYP121(Syntaxin protein 121)與AtKC1相互作用形成復(fù)合體,共同調(diào)節(jié)AKT1鉀離子通道的活性[63]。
從植物營養(yǎng)學(xué)界提出植物中存在鉀離子通道,到編碼鉀離子通道蛋白的基因被克隆出來,并且人們對(duì)其蛋白結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)部位和生理功能等方面也有了深入研究,該文綜述了植物鉀離子通道及其分類、Shaker鉀離子通道的結(jié)構(gòu)特征、AKT1影響植物的生長發(fā)育、AKT1在非生物脅迫和生物脅迫中的功能以及鉀離子通道AKT1其中的兩種調(diào)控機(jī)制,但是關(guān)于鉀離子通道很多生理功能的具體作用機(jī)制還不是特別的清楚,還需要進(jìn)一步深入研究。因此,基于目前的研究現(xiàn)狀,今后可從以下3個(gè)方面對(duì)植物鉀離子通道AKT1進(jìn)行研究。(1)運(yùn)用基因突變、基因敲除、RNA干擾和超表達(dá)等技術(shù)對(duì)AKT1在非生物脅迫響應(yīng)中的作用機(jī)理進(jìn)行深入解析;(2)進(jìn)一步闡明鉀離子通道在植物抗病反應(yīng)中的調(diào)控機(jī)理,并完善鉀離子信號(hào)傳導(dǎo)途徑參與調(diào)控植物抗病性的分子遺傳證據(jù);(3)應(yīng)用分子育種和基因工程技術(shù),將能介導(dǎo)低鉀及高鉀吸收、提高植物響應(yīng)逆境脅迫的AKT1編碼基因轉(zhuǎn)入作物中,提高作物對(duì)鉀離子的吸收利用能力及作物的產(chǎn)量、對(duì)病原體的抗性和對(duì)非生物脅迫的耐受性。