植物凝集素類受體激酶參與非生物脅迫響應(yīng)的研究進(jìn)展

王夢(mèng)龍, 駱?biāo)匚? 李曉詩, 彭小群

( 惠州學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院, 廣東 惠州 516007 )

自然界植物會(huì)受到因各種環(huán)境因素影響而引起的脅迫,為了應(yīng)對(duì)多種多樣的生物或非生物脅迫,植物在進(jìn)化的過程中演變出許多有效機(jī)制來抵御外界環(huán)境脅迫。這些機(jī)制既可避免植物遭受脅迫損害,又可提高植物的品質(zhì)和產(chǎn)量。在植物的非生物脅迫應(yīng)答中,一類重要的蛋白——凝集素類受體激酶(lectin receptor-like kinases, LecRLKs),在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。LecRLKs是類受體激酶(receptor-like kinases, RLKs)的一個(gè)亞家族,廣泛存在于植物中,王夢(mèng)龍等(2020)報(bào)道其參與生物/非生物脅迫響應(yīng)和植物的發(fā)育調(diào)控。已有的研究表明LecRLKs可通過感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境中的各種信號(hào)分子參與非生物脅迫響應(yīng),包括鹽脅迫、低溫脅迫、干旱脅迫、機(jī)械損傷和植物激素等(Vaid et al., 2012; 王夢(mèng)龍等,2020)。例如,凝集素類受體激酶基因PbLRK138參與了植物的耐鹽性(Ma et al., 2018);LecRK-IX.2基因參與了植物的激素信號(hào)響應(yīng)(Luo et al., 2017)。由此可見,凝集素類受體激酶介導(dǎo)的非生物脅迫響應(yīng)對(duì)維持植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育極其重要。

近年來,隨著研究的持續(xù)深入,參與植物非生物脅迫響應(yīng)的凝集素類受體激酶被大量報(bào)道,但迄今為止尚未有文獻(xiàn)對(duì)這些研究進(jìn)行系統(tǒng)的歸類和總結(jié)。本文概述了植物凝集素類受體激酶的結(jié)構(gòu)特征、分類以及參與各項(xiàng)非生物脅迫響應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制和調(diào)控機(jī)制,并分析了未來的研究方向和應(yīng)用前景。

1 凝集素類受體激酶的結(jié)構(gòu)特征及分類

凝集素類受體激酶主要由細(xì)胞外凝集素結(jié)構(gòu)域、跨膜結(jié)構(gòu)域以及細(xì)胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域組成。其中,凝集素結(jié)構(gòu)域具有特異性結(jié)合糖類分子的功能,由于該結(jié)構(gòu)域多變且能識(shí)別多種不同的信號(hào)分子,因此LecRLKs被劃分為L(zhǎng)、G和C三種類型(Vaid et al., 2012; 王夢(mèng)龍等,2020)。其中,L型和G型只存在于植物中,C型主要發(fā)現(xiàn)于哺乳動(dòng)物中(Vaid et al., 2013; 王夢(mèng)龍等,2020)。L型LecRLKs中含有豆科類胞外凝集素結(jié)構(gòu)域,廣泛存在于豆科植物中,可以識(shí)別細(xì)胞外信號(hào)并在植物內(nèi)引起一系列信號(hào)響應(yīng)(Vaid et al., 2012, 2013)。G型LecRLKs屬于SRK(S-locus receptor kinase)中的一類,參與了花的發(fā)育過程,與自交不親和性(self-incompatibility, SI)相關(guān)(王夢(mèng)龍等,2020)。G型LecRLKs曾被稱為B型LecRLKs,其凝集素結(jié)構(gòu)域包括了12條β-barrel結(jié)構(gòu),并與α-D甘露糖具有潛在的親和力,但目前其內(nèi)在功能機(jī)制尚不清楚(Vaid et al., 2013)。C型LecRLKs是一類廣泛存在于哺乳動(dòng)物體內(nèi),能識(shí)別自我和非自我以及依賴于Ca2+行使功能的凝集素類受體蛋白激酶(王夢(mèng)龍等,2020)。C型LecRLKs在植物中較少發(fā)現(xiàn),目前在水稻(Oryzasativa)、擬南芥(Arabidopsisthaliana)、毛果楊(Populustrichocarpa)及桉樹(Eucalyptusrobusta)中都只發(fā)現(xiàn)1個(gè)該類型LecRLKs,其具體功能尚不了解(Bouwmeester &Govers, 2009; Vaid et al., 2012; 彭小群等,2022)。

LecRLKs的跨膜區(qū)由18～25個(gè)氨基酸組成,大多數(shù)氨基酸屬于非極性氨基酸,其序列一致性較差(Morillo &Tax, 2006)。Pi-d2蛋白屬于G型LecRLKs,其跨膜結(jié)構(gòu)域中一個(gè)氨基酸的改變會(huì)引起蛋白質(zhì)喪失功能,表明跨膜結(jié)構(gòu)域?qū)ecRLKs功能的維持十分重要(Chen et al., 2006)。已有研究發(fā)現(xiàn)跨膜結(jié)構(gòu)域不僅參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及質(zhì)膜定位過程,還具有識(shí)別配體的功能(Bi et al., 2016; Hohmann et al., 2017)。

激酶結(jié)構(gòu)域一般由250～300個(gè)氨基酸組成,與凝集素結(jié)構(gòu)域相比具有更高的保守性,其結(jié)構(gòu)域上具有磷酸化位點(diǎn),主要參與外界信號(hào)傳遞(Vaid et al., 2012)。酶動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)某些二價(jià)金屬陽離子可促進(jìn)激酶結(jié)構(gòu)域自身磷酸化以及激酶活性,其中Mn2+與Mg2+離子的促進(jìn)效果較Ca2+與Zn2+離子好(Nishiguchi et al., 2002; He et al., 2004)。

2 凝集素類受體激酶參與植物非生物脅迫響應(yīng)

2.1 參與鹽脅迫響應(yīng)

在非生物脅迫中,高鹽脅迫條件不利于植物的生長(zhǎng)發(fā)育,這是導(dǎo)致作物產(chǎn)量減少的主要原因之一,并且每年會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。植物在高鹽環(huán)境下通過自身基因調(diào)控以適應(yīng)脅迫環(huán)境。擬南芥、大豆(Glycinesoja)、水稻和豌豆(Pisumsativum)等植物中的各種類型凝集素類受體激酶均參與了鹽脅迫的應(yīng)答反應(yīng),表1中已列出參與鹽脅迫響應(yīng)相關(guān)的凝集素類受體激酶基因。

LecRK-I.3是擬南芥L型凝集素類受體激酶基因。已有研究發(fā)現(xiàn),擬南芥LecRK-I.3基因受鹽脅迫誘導(dǎo)表達(dá),將煙草中鹽誘導(dǎo)的乙烯受體基因NTHK1轉(zhuǎn)入擬南芥中過度表達(dá)會(huì)降低乙烯敏感性(Zhang et al., 2001; Xie et al., 2002)。Deng等(2009)證實(shí)了擬南芥LecRK-V.2基因主要在種子萌發(fā)時(shí)表達(dá),萌發(fā)后則停止表達(dá),并參與了種子早期發(fā)育過程的鹽脅迫應(yīng)答。更重要的是,由于LecRK-V.2基因被證實(shí)在種子萌發(fā)過程中作為ABA響應(yīng)的正調(diào)控因子,因此LecRK-V.2基因功能缺陷突變體能夠有效減少擬南芥生長(zhǎng)發(fā)育早期對(duì)ABA和鹽的敏感性。擬南芥L型凝集素類受體激酶基因LecRK-IV.3的轉(zhuǎn)錄受鹽和ABA雙重調(diào)控,高鹽條件下起著正向調(diào)節(jié)的作用,在種子萌發(fā)階段負(fù)向調(diào)控ABA反應(yīng)(Xin et al., 2009)。在高鹽環(huán)境下過表達(dá)LecRK-IV.3基因使植株對(duì)鹽脅迫耐性增強(qiáng),從而提高種子的萌發(fā)率和綠葉率(Huang et al., 2013)。李美玲(2019)的研究發(fā)現(xiàn),LecRKIII.2基因使擬南芥幼苗在萌發(fā)期間對(duì)鹽脅迫表現(xiàn)出更高的耐受性。

GsSRK是大豆中的G型凝集素類受體激酶基因,受鹽脅迫、干旱脅迫和ABA的多重誘導(dǎo),并通過獨(dú)立于ABA的反應(yīng)途徑來調(diào)控植物對(duì)鹽和干旱脅迫的耐受性。Sun等(2013)研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)該基因可提高植物的耐鹽性,使植物在成熟階段表現(xiàn)為葉綠素含量增加、離子泄露降低、株高增長(zhǎng)和果實(shí)增多等形態(tài)特征。在擬南芥中過表達(dá)GsSRK基因不僅正向調(diào)節(jié)植物對(duì)鹽脅迫的耐受性,而且提高了在鹽脅迫環(huán)境下的產(chǎn)量(Sun et al., 2013)。Sun等(2018)研究發(fā)現(xiàn),在苜蓿(Medicagosativa)中過表達(dá)大豆全長(zhǎng)GsSRK(GsSRK-f)或缺失G型凝集素結(jié)構(gòu)域的截短型GsSRK(GsSRK-t)基因均可提高植株的耐鹽性,并且過表達(dá)GsSRK-t的轉(zhuǎn)基因株系的生長(zhǎng)性能優(yōu)于過表達(dá)GsSRK-f。Zhang等(2022)通過轉(zhuǎn)錄研究鑒定到GmLecRLK為大豆鹽脅迫相關(guān)基因,主要在根系中表達(dá),參與調(diào)控大豆的耐鹽能力。GmLecRLK過表達(dá)轉(zhuǎn)基因大豆表現(xiàn)出對(duì)鹽脅迫耐受,并且增強(qiáng)了大豆清除活性氧(ROS)的能力(Zhang et al., 2022)。雖然有研究結(jié)果表明GmLecRLK能夠提高大豆對(duì)鹽的耐受性,但其實(shí)際調(diào)控機(jī)制尚未研究清楚。

豌豆L型PsLecRLK基因主要在根和嫩枝中積累,鹽脅迫條件下其表達(dá)會(huì)顯著上調(diào)。Joshi等(2010)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PsLecRLK基因在低溫和干旱脅迫下也會(huì)增加表達(dá),并且在鹽脅迫下表達(dá)增長(zhǎng)幅度最大。PsLecRLK基因在煙草植株中過度表達(dá)可以減少轉(zhuǎn)基因植株的離子平衡和滲透壓,從而獲得耐鹽性。Vaid等(2015)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)過表達(dá)PsLecRLK基因的植株在鹽脅迫下能夠表現(xiàn)出更高的萌發(fā)率和綠葉率,既可防止根系組織中ROS積累和膜損傷,又能有效降低Na+/K+比例從而增強(qiáng)了植株對(duì)鹽的耐受性。

Li等(2014)證明水稻L型凝集素類受體激酶SIT1在鹽條件下可快速被激活,進(jìn)而磷酸化下游效應(yīng)子MPK3和MPK6。SIT1負(fù)調(diào)控水稻的耐鹽性,隨著SIT1激酶的表達(dá)增加,植物存活率反而降低。擬南芥中SIT1蛋白激酶在鹽脅迫下使ROS積累增加,從而抑制植株的生長(zhǎng)發(fā)育且降低植株在鹽脅迫下的存活率(Li et al., 2014)。Ma等(2018)研究發(fā)現(xiàn)白梨(Pyrusbretschneideri)中有6個(gè)LecRLKs (4個(gè)L型和2個(gè)G型)在鹽脅迫條件下顯著表達(dá),提示它們可能在調(diào)節(jié)非生物脅迫方面發(fā)揮一定作用。在煙草中過表達(dá)白梨L型凝集素類受體激酶基因PbLEK138可導(dǎo)致細(xì)胞死亡,從而提高植物對(duì)鹽的耐受性(Ma et al., 2018)。櫻桃(Cerasushumilis)具有較強(qiáng)的耐鹽能力,Han等(2021)研究發(fā)現(xiàn)存在8個(gè)ChLecRLK基因(5個(gè)G型、2個(gè)L型和1個(gè)C型)在重度鹽脅迫下表達(dá)量顯著提高,輕度鹽脅迫下有5個(gè)ChLecRLK基因(4個(gè)G型和1個(gè)L型)顯著表達(dá),表明它們積極參與鹽脅迫的響應(yīng)?；ㄉ?Arachishypogaea)是我國主要的油料作物之一,通過同源克隆可在栽培種花生中獲得一個(gè)L型凝集素類受體激酶基因AhLecRK9。黃若蘭(2022)研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥中過表達(dá)花生L型凝集素類受體激酶AhLecRK9,植株對(duì)鹽脅迫表現(xiàn)出更強(qiáng)的敏感性。

表 1 參與鹽脅迫響應(yīng)相關(guān)凝集素類受體激酶基因列表Table 1 LecRLK genes involved in salt stress response

2.2 參與低溫脅迫響應(yīng)

同其他環(huán)境脅迫一樣,低溫是限制植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵性條件之一,其受地理位置影響較大。低溫會(huì)導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低、生長(zhǎng)發(fā)育不良甚至造成生殖發(fā)育阻礙。植物細(xì)胞通過不斷進(jìn)化出現(xiàn)復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)網(wǎng)絡(luò),當(dāng)遇到冷信號(hào)脅迫時(shí)可以直接或間接地增強(qiáng)對(duì)冷的耐受性。表2中已列出參與低溫脅迫響應(yīng)相關(guān)的凝集素類受體激酶基因。

擬南芥L型凝集素類受體激酶LecRK-V.6在遇到低溫時(shí)其表達(dá)被強(qiáng)烈抑制(Bouwmeester &Govers, 2009)。陸秀濤等(2016)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雖然擬南芥LecRK-S.7基因在植株各個(gè)時(shí)期的表達(dá)量并不高,但其啟動(dòng)子區(qū)含低溫脅迫應(yīng)答元件,表明LecRK-S.7基因可能參與低溫脅迫響應(yīng)。李美玲(2019)通過對(duì)擬南芥幼苗進(jìn)行低溫脅迫處理發(fā)現(xiàn),LecRKIII.2基因在植株中的表達(dá)量出現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢(shì),表明LecRKIII.2基因可能參與了冷脅迫的響應(yīng)。

豌豆PsLecRLK基因雖然在低溫條件下的表達(dá)量會(huì)增加,但與鹽脅迫相比其增長(zhǎng)幅度較小(Joshi et al., 2010)。水稻三葉期嫩苗經(jīng)低溫處理后,植株中的L型凝集素類受體激酶基因OsLecRK1的表達(dá)受到抑制(崔欣欣,2012)。Liu等(2017)在一種南極苔蘚黃絲瓜蘚(Pohlianutans)中鑒定出一個(gè)L型的凝集素類受體激酶基因PnLecRLK1。Liu等(2017)研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)PnLecRLK1基因在擬南芥轉(zhuǎn)基因植株中過量表達(dá)時(shí),植株可對(duì)低溫脅迫表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐受性。

2.3 參與干旱脅迫響應(yīng)

如表3所示,凝集素類受體激酶參與植物的干旱脅迫響應(yīng)。櫻桃是一種廣泛種植于我國北方且具有較強(qiáng)耐旱和耐鹽能力的重要水土保持果樹(Han et al., 2021)。Han等(2021)對(duì)櫻桃研究發(fā)現(xiàn),櫻桃中的LecRLKs不僅參與了鹽脅迫的響應(yīng),還在應(yīng)答干旱脅迫上至關(guān)重要。從對(duì)其170個(gè)LecRLK家族基因中選取的9個(gè)候選凝集素類受體激酶ChLecRLK基因(5個(gè)G型ChLecRLKs基因:ChLecRLK-G22、ChLecRLK-G36、ChLecRLK-G68、ChLecRLK-G82和ChLecRLK-G107;3個(gè)L型ChLecRLKs基因:ChLecRLK-L17、ChLecRLK-L32和ChLecRLK-L42;1個(gè)C型ChLecRLKs基因:ChLecRLK-C01)的研究表明,這9個(gè)基因積極參與了干旱脅迫響應(yīng)。在強(qiáng)干旱脅迫下,植株的葉片中有8個(gè)基因的表達(dá)量顯著提高;在弱干旱下,ChLecRLK-G36、ChLecRLK-G68及ChLecRLK-L32在葉片中的表達(dá)量降低(Han et al., 2021)。

表 2 參與低溫脅迫響應(yīng)相關(guān)凝集素類受體激酶基因列表Table 2 LecRLK genes involved in cold stress response

已有研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫能夠誘導(dǎo)大豆GsSRK基因的表達(dá),并且GsSRK基因調(diào)控植株的耐旱性過程獨(dú)立于ABA信號(hào)途徑(Ge et al., 2010; Sun et al., 2013)。Haider等(2021)研究表明在黃瓜中,多個(gè)凝集素類受體激酶基因可能參與了干旱脅迫響應(yīng)。黃若蘭(2022)將花生中獲取的L型凝集素類受體激酶基因AhLecRK9轉(zhuǎn)化到擬南芥植株中,得到轉(zhuǎn)基因過表達(dá)植株(OE)。干旱脅迫可抑制OE植株地上部的生長(zhǎng),而地下部與野生型相比相對(duì)伸長(zhǎng),表明AhLecRK9的過表達(dá)增強(qiáng)了擬南芥植株對(duì)干旱的耐受性。

2.4 參與機(jī)械損傷響應(yīng)

當(dāng)植物受到機(jī)械損傷時(shí),會(huì)引發(fā)細(xì)胞膜去極化、激活鈣離子通道與植物激素調(diào)控等一系列相關(guān)反應(yīng)。LecRLKs在機(jī)械損傷脅迫應(yīng)答中發(fā)揮重要的調(diào)控作用,其能夠通過感知植物遭受的機(jī)械損傷參與非生物脅迫響應(yīng)。表4中已列出參與機(jī)械損傷脅迫響應(yīng)相關(guān)的凝集素類受體激酶基因。

LecRK-V.5是擬南芥L型凝集素類受體激酶基因,是一類由45個(gè)成員組成的多基因家族的成員之一(Hervé et al., 1996; Barre et al., 2002; Bouwmeester &Govers, 2009)。Hervé等(1996)最早發(fā)現(xiàn)LecRK-V.5具有參與低聚糖與植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的生理功能。隨后的研究發(fā)現(xiàn)LecRK-V.5基因在植物的生物或非生物脅迫(如鹽脅迫、低溫脅迫、干旱、機(jī)械損傷等)響應(yīng)和植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中也起重要作用。Riou等(2002)對(duì)LecRK-V.5基因的啟動(dòng)子與GUS基因融合表達(dá)的研究發(fā)現(xiàn),在發(fā)生機(jī)械損傷脅迫后LecRK-V.5基因表達(dá)的誘導(dǎo)主要與局部反應(yīng)相關(guān)。機(jī)械損傷通常會(huì)引起包括誘導(dǎo)損傷周圍部位細(xì)胞分裂在內(nèi)的植物組織修復(fù)及愈合等系列局部反應(yīng)。從損傷的擬南芥植株組織中發(fā)現(xiàn),LecRK-V.5基因的表達(dá)在受到損傷后被局部激活,表達(dá)量明顯提高(Riou et al., 2002)。已有研究發(fā)現(xiàn),擬南芥受到損傷后其細(xì)胞壁的果膠將會(huì)釋放一種低聚半乳糖醛酸,以非茉莉酸(JA)的途徑誘導(dǎo)損傷脅迫響應(yīng)基因的表達(dá),表明該類分子可能參與了初期的損傷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(Benhamou et al., 1990; Riou et al., 2002)。擬南芥L型凝集素類受體激酶P2K1參與植物的傷口反應(yīng)。P2K1是第一個(gè)在植物中鑒定的細(xì)胞外三磷酸腺苷(eATP)受體,通過比對(duì)蛋白序列發(fā)現(xiàn)P2K1蛋白是LecRK-I.9(L-type lectin receptor kinase I.9),其在正常條件下高表達(dá)(Choi et al., 2014)。當(dāng)植株受到一定的損傷時(shí)會(huì)引發(fā)細(xì)胞破碎而釋放ATP,而這些釋放到細(xì)胞外的ATP能作為信號(hào)分子參與生物體的生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)激響應(yīng)(Tanaka et al., 2014)。隨著P2K1受體識(shí)別損傷脅迫響應(yīng)中的DAMP信號(hào)——ATP功能發(fā)現(xiàn),大多數(shù)與ATP響應(yīng)相關(guān)的基因被證明參與了損傷應(yīng)答(Tanaka et al., 2014)。Tanaka等(2014)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)P2K1基因突變體對(duì)ATP變化與損傷具有相同的應(yīng)答效果,并且過表達(dá)的P2K1能增強(qiáng)對(duì)ATP與損傷的響應(yīng)。這表明P2K1參與了植物的損傷脅迫應(yīng)答,與ATP作為DAMP信號(hào)分子的功能相同。

表 3 參與干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)凝集素類受體激酶基因列表Table 3 LecRLK genes involved in drought stress response

與擬南芥中LecRK-V.5基因相反,黑楊(Populusnigra)中PnLPK基因在幼葉受到機(jī)械損傷脅迫時(shí)表達(dá)量會(huì)增加(Nishiguchi et al., 2002)。茉莉酸(JA)是介導(dǎo)機(jī)械損傷誘導(dǎo)基因表達(dá)的重要組分(Pea-Cortés et al., 1995)。然而,Nishiguchi等(2002)的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)楊樹幼葉受到機(jī)械損傷時(shí),PnLPK基因表達(dá)的調(diào)控可能不依賴于JA和SA介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道。

在煙草(Nicotianabenthamiana)中,LecRK1參與了機(jī)械損傷的脅迫響應(yīng)。在受到機(jī)械損傷的煙草葉片中,LecRK1基因的mRNA豐度增加(Gilardoni et al., 2011)。水稻中的L型凝集素類受體激酶基因OsLecRK1經(jīng)機(jī)械損傷脅迫后,其表達(dá)量受到誘導(dǎo)上調(diào)(崔欣欣,2012)。Vaid等(2015)研究發(fā)現(xiàn)豌豆中L型凝集素類受體激酶PsLecRLK基因參與機(jī)械損傷響應(yīng)。在辣椒(Capsicumannuum)中,CaLecRK-S.5具有廣譜抗性,不僅參與植株的抗病反應(yīng),而且在機(jī)械損傷脅迫響應(yīng)方面具有重要作用(Woo et al., 2016)。損傷脅迫能夠誘導(dǎo)CaLecRK-S.5基因的表達(dá)。CaLecRK-S.5是一種辣椒L型凝集素類受體激酶基因,在無外在刺激時(shí),過表達(dá)的CaLecRK-S.5基因無法誘導(dǎo)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng)、ROS的爆發(fā)及其他反應(yīng)癥狀(Woo et al., 2016, 2020)。Woo等(2016)通過對(duì)CaLecRK-S.5基因沉默與過表達(dá)的研究發(fā)現(xiàn),在CaLecRK-S.5基因沉默植株中,與損傷脅迫應(yīng)答相關(guān)的基因表達(dá)量將降低,而在過表達(dá)CaLecRK-S.5基因植株中,損傷脅迫能誘導(dǎo)植株表現(xiàn)出更強(qiáng)的MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)以及ROS的爆發(fā)。這表明辣椒CaLecRK-S.5基因能夠?qū)p傷脅迫做出響應(yīng)。

2.5 凝集素類受體激酶參與植物激素信號(hào)響應(yīng)

植物激素在植物的生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控中具有重要的生理功能。植物激素的調(diào)控需要膜蛋白的參與,大量的研究結(jié)果表明凝集素類受體激酶LecRLKs參與植物激素信號(hào)響應(yīng)。

2.5.1 LecRLKs參與脫落酸(ABA)信號(hào)應(yīng)答 如表5所示,凝集素類受體激酶參與ABA信號(hào)響應(yīng)。Xin等(2009)對(duì)擬南芥中的凝集素類受體激酶的研究表明,多個(gè)LecRLKs受到ABA的轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Xin et al., 2009; Bouwmeester &Govers, 2009)。Xin等(2009)研究發(fā)現(xiàn),在擬南芥L型凝集素類受體激酶中存在一類為L(zhǎng)ecRKsA4的亞家族,共包括4個(gè)成員,即LecRKA4.1、LecRKA4.2、LecRKA4.3以及LecRKA4.4,它們?cè)诜N子的萌發(fā)過程中負(fù)向調(diào)控ABA脅迫,從而抑制種子萌發(fā)。Xin等(2009)對(duì)LecRKA4.1突變體的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),LecRKA4.1的T-DNA敲除突變體在種子萌發(fā)的抑制作用中對(duì)ABA脅迫做出弱增強(qiáng)的響應(yīng)。隨后,對(duì)LecRKA4.2、LecRKA4.3以及LecRKA4.4的功能缺失突變體的研究也發(fā)現(xiàn)相同的弱增強(qiáng)應(yīng)答。基于LecRKsA4基因的表達(dá)研究以及轉(zhuǎn)錄網(wǎng)格調(diào)控分析,LecRKA4.1與LecRKA4.2被證實(shí)參與調(diào)控部分ABA應(yīng)答基因的表達(dá)。基于對(duì)該家族成員基因在種子萌發(fā)中對(duì)ABA脅迫響應(yīng)的負(fù)調(diào)控存在冗余功能的猜測(cè),Xin等(2009)研究發(fā)現(xiàn)LecRKsA4成員基因雙突變或三重突變時(shí)ABA對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用更強(qiáng)烈。Zhang等(2019)研究發(fā)現(xiàn),LecRKA4.4參與調(diào)控ABA介導(dǎo)的氣孔開閉過程。擬南芥中LecRK-V.2在種子萌發(fā)階段參與了ABA脅迫響應(yīng)。LecRK-V.2在種子萌發(fā)階段受ABA正向調(diào)節(jié)。與LecRKsA4家族的突變系不同的是,LecRK-V.2的功能性缺失突變體能輕微減小ABA對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用(Deng et al., 2009)。當(dāng)LecRK-V.5基因過表達(dá)時(shí),其可以通過抑制ABA脅迫的應(yīng)答反應(yīng)來調(diào)控氣孔的開閉(Desclos-Theveniau et al., 2012)。豌豆L型凝集素類受體激酶PsLecRLK基因參與ABA的信號(hào)應(yīng)答。豌豆經(jīng)ABA處理后,PsLecRLK基因在后期會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)答(Vaid et al., 2015)。Liu等(2017)將黃絲瓜蘚中的L型凝集素類受體激酶基因PnLecRLK1轉(zhuǎn)入擬南芥中過表達(dá)發(fā)現(xiàn),可以提高擬南芥種子萌發(fā)時(shí)對(duì)ABA的敏感性。此外,在PnLecRLK1過表達(dá)的擬南芥轉(zhuǎn)基因植株中,ABA響應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄物豐度顯著提高。

表 4 參與機(jī)械損傷脅迫響應(yīng)相關(guān)凝集素類受體激酶基因列表Table 4 LecRLK genes involved in mechanical damage stress response

表 5 參與ABA信號(hào)響應(yīng)相關(guān)凝集素類受體激酶基因列表Table 5 LecRLK genes involved in ABA stress response

2.5.2 LecRLKs參與水楊酸(SA)信號(hào)應(yīng)答 如表6所示,凝集素類受體激酶參與SA信號(hào)響應(yīng)。Luo等(2017)研究發(fā)現(xiàn),擬南芥中的L型凝集素類受體激酶基因LecRK-IX.2參與植物激素SA的信號(hào)應(yīng)答。LecRK-IX.2基因能夠誘導(dǎo)鈣依賴蛋白激酶(CPKs)磷酸化且激活RBohD,從而引起ROS的爆發(fā),并增強(qiáng)ROS觸發(fā)的SA生物合成。LecRK-IX.2介導(dǎo)的細(xì)胞死亡需要SA的積累,當(dāng)LecRK-IX.2過表達(dá)引起SA升高時(shí)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡。此外,LecRK-IX.2突變體還參與響應(yīng)flg22誘導(dǎo)的擬南芥SA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。Melotto等(2006)研究表明,功能性SA信號(hào)參與氣孔免疫過程中的氣孔關(guān)閉。Yekondi(2018)等的研究提示,擬南芥LecRK-V.2和LecRK-VII.1可能在SA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉中發(fā)揮部分作用。

在煙草中,LecRK1會(huì)抑制SA在食草性過程的積累。通過病毒介導(dǎo)的基因沉默和反向重復(fù)RNA干擾,可以降低植株中LecRK1的表達(dá)量,從而得到ir-LecRK1植株。Gilardoni等(2011)研究發(fā)現(xiàn),在ir-LecRK1植株中,SA的積累量會(huì)增長(zhǎng)兩倍。

2.5.3 LecRLKs參與茉莉酸(JA)信號(hào)應(yīng)答 如表7所示,凝集素類受體激酶參與JA信號(hào)響應(yīng)。在擬南芥中,Balagué等(2017)研究發(fā)現(xiàn),L型凝集素類受體激酶LecRK-I.9參與JA信號(hào)響應(yīng)。JA能夠誘導(dǎo)LecRK-I.9基因的表達(dá),而過表達(dá)LecRK-I.9基因可以改變其JA信號(hào)響應(yīng)相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(TFs)的表達(dá)水平。此外,過表達(dá)LecRK-I.9基因?qū)铣蒍A及該信號(hào)通路中相關(guān)基因的表達(dá)也有一定的影響。Balagué等(2017)研究發(fā)現(xiàn),LecRK-I.9參與響應(yīng)JA激素信號(hào),能夠負(fù)調(diào)控信號(hào)通路的MYC分支。乙烯(ET)與JA共同參與調(diào)控LecRK-I.9的表達(dá),而SA不參與該過程(Gimenez-Ibanez &Solano, 2013)。Balagué等(2017)通過研究提出LecRK-I.9響應(yīng)JA信號(hào)通路的調(diào)控模型,即LecRK-I.9對(duì)JA介導(dǎo)的防御基因具有正調(diào)控作用,而對(duì)JA介導(dǎo)的損傷基因具有負(fù)調(diào)節(jié)作用。Yekondi等(2018)研究發(fā)現(xiàn),L型凝集素類受體激酶LecRK-V.2和LecRK-VII.1參與了氣孔的免疫過程以及JA誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程,即當(dāng)LecRK-V.2基因和LecRK-VII.1基因過表達(dá)時(shí),植株對(duì)MeJA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉過程表現(xiàn)出更高的敏感性。LecRK-V.2和LecRK-VII.1通過參與激活MeJA誘導(dǎo)的保衛(wèi)細(xì)胞Ca2+滲透陽離子通道的過程致使氣孔關(guān)閉(Yekondi et al., 2018)。因此,LecRK-V.2基因和LecRK-VII.1基因可能對(duì)flg22感知和MeJA積累的信號(hào)級(jí)聯(lián)過程具有重要作用,從而引起ROS爆發(fā)。由此可見,功能性的LecRK-V.2和LecRK-VII.1是MeJA介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉的重要組分。

Gilardoni等(2011)證實(shí)LecRK1參與煙草中昆蟲介導(dǎo)的對(duì)JA誘導(dǎo)的防御抑制過程。Gilardoni等(2011)研究發(fā)現(xiàn),在JA合成不足或?qū)ζ涿舾卸鹊偷闹仓曛?茉莉酸鹽能夠抑制LecRK1基因mRNA的表達(dá)。

2.5.4 LecRLKs參與乙烯(ET)信號(hào)應(yīng)答 如表8所示,凝集素類受體激酶參與ET信號(hào)響應(yīng)。Mergemann和Sauter(2000)的研究發(fā)現(xiàn),乙烯(ET)通過調(diào)節(jié)ROS的產(chǎn)生來介導(dǎo)植物的脅迫反應(yīng)。He等(2004)研究發(fā)現(xiàn),擬南芥L型凝集素類受體激酶LecRK-I.3基因在鹽脅迫下的誘導(dǎo)表達(dá)受ET信號(hào)通路及乙烯受體蛋白的調(diào)控。NTHK1是在煙草中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)受鹽脅迫誘導(dǎo)的乙烯受體基因(Zhang et al., 2001)。He等(2004)研究表明,在轉(zhuǎn)入了NTHK1基因的擬南芥中LecRK-I.3基因的表達(dá)被抑制或延緩。在乙烯過量表達(dá)突變體eto1-1中,LecRK-I.3基因受乙烯誘導(dǎo)呈組成性表達(dá)(He et al., 2004)。在乙烯不敏感突變體ein2-1中,LecRK-I.3受鹽誘導(dǎo)的表達(dá)量與野生型的基本相同,Alonso等(1999)研究表明LecRK-I.3在鹽脅迫下的誘導(dǎo)表達(dá)不依賴于乙烯信號(hào)通路的核心組分EIN2。

Li等(2014)研究發(fā)現(xiàn),水稻L型凝集素類受體激酶SIT1正向調(diào)控ET的產(chǎn)生,并介導(dǎo)鹽誘導(dǎo)的乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。在擬南芥中,SIT1通過MPK3/6和乙烯信號(hào)依賴的方式促進(jìn)活性氧ROS的積累,從而抑制植物的生長(zhǎng)甚至導(dǎo)致死亡。Li等(2014)研究證實(shí)了水稻中存在一個(gè)SIT1-MPK3/6級(jí)聯(lián)反應(yīng),可以通過調(diào)節(jié)ROS和乙烯的穩(wěn)態(tài)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)介導(dǎo)鹽的敏感性。

PsLecRLK是豌豆L型凝集素類受體激酶。PsLecRLK在煙草植株中過度表達(dá)時(shí),乙烯響應(yīng)基因表達(dá)上調(diào)(Vaid et al., 2015)。

表 8 參與ET信號(hào)響應(yīng)相關(guān)凝集素類受體激酶基因列表Table 8 LecRLK genes involved in ET stress response

3 展望

非生物脅迫(鹽害、溫度脅迫、干旱、機(jī)械損傷、激素脅迫等)既是限制大多數(shù)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一,也是威脅糧食安全的主要環(huán)境因子。目前,盡管已有許多凝集素類受體激酶參與植物非生物脅迫響應(yīng),涉及多種信號(hào)分子和信號(hào)通路,但其潛在的作用機(jī)制仍有待進(jìn)一步探索。第一,LecRLKs參與非生物脅迫識(shí)別配體的機(jī)制和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制尚不清楚。已知凝集素類受體激酶是識(shí)別自我與非自我的信號(hào)分子,并且通過信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)參與植物的生物/非生物脅迫響應(yīng)。例如,PnLPK可以通過非JA和SA介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通道參與機(jī)械損傷響應(yīng)(Nishiguchi et al., 2002)。然而,對(duì)于LecRLKs如何通過其細(xì)胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域?qū)⑿盘?hào)傳遞給下游的信號(hào)分子,如何調(diào)控應(yīng)激反應(yīng),如何與其他信號(hào)通路相互作用以及如何調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)翻譯等還缺乏系統(tǒng)研究。盡管已知凝集素類受體激酶具有激酶結(jié)構(gòu)域,磷酸化功能在信號(hào)激活和轉(zhuǎn)導(dǎo)中具有極其重要作用,但磷酸化功能是否參與調(diào)控植物的非生物脅迫響應(yīng)還鮮有報(bào)道。通過對(duì)凝集素類受體激酶的激酶活性及其磷酸化功能進(jìn)行深入研究,將進(jìn)一步拓展該類激酶參與非生物脅迫響應(yīng)的研究思路。第二,LecRLKs功能多樣性和功能冗余性的利用還未深入開發(fā)。LecRLKs可以在不同的非生物脅迫下發(fā)揮不同作用,甚至在同一種非生物脅迫下也可以有不同的效應(yīng)。例如,在低溫脅迫下,水稻嫩苗中的OsLecRK1基因表達(dá)受到抑制,而在機(jī)械損傷的脅迫下,水稻中OsLecRK1基因的表達(dá)量誘導(dǎo)上調(diào)。這表明同一LecRLKs的功能具有多樣性,而功能的多樣性可能與其結(jié)構(gòu)域、亞細(xì)胞定位、組織特異性表達(dá)等因素有關(guān)。同時(shí),LecRLKs間可能存在功能的冗余或協(xié)同應(yīng)答作用,將導(dǎo)致單基因敲除或過表達(dá)不明顯或不統(tǒng)一。因此,需要從遺傳學(xué)、分子生物學(xué)等角度深入系統(tǒng)地進(jìn)行功能分析與研究。此外,目前凝集素類受體激酶的功能研究大都集中在單一某個(gè)凝集素類受體激酶,而不同凝集素類受體激酶間是否存在相互作用,是否協(xié)同參與非生物脅迫響應(yīng)知之甚少。探究凝集素類受體激酶之間的相互調(diào)控關(guān)系,闡明它們參與非生物脅迫的響應(yīng)機(jī)制,是未來值得研究的方向之一。

LecRLKs在作物抗逆育種中的應(yīng)用尚未普及。通過轉(zhuǎn)基因或基因編輯技術(shù)改變LecRLKs的表達(dá)水平或活性,可以提高作物對(duì)非生物脅迫的抗性。例如,在擬南芥中過表達(dá)LecRK-IV.3基因可使植株對(duì)鹽脅迫耐性增強(qiáng)(Huang et al., 2013)。這些研究為利用LecRLKs進(jìn)行作物抗逆育種提供了有益的借鑒。然而,由于LecRLKs功能的多樣性和冗余性,以及轉(zhuǎn)基因或基因編輯技術(shù)的局限性,迄今為止還未有將LecRLKs成功應(yīng)用于作物抗逆育種的案例。因此,需要進(jìn)一步篩選和鑒定具有重要功能和應(yīng)用潛力的LecRLKs,以及開發(fā)更高效、更安全和更可靠的基因操作技術(shù),是實(shí)現(xiàn)LecRLKs在作物抗逆育種中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。同時(shí),深入了解植物發(fā)育與脅迫響應(yīng)間的相互關(guān)系,闡明其中的分子調(diào)控機(jī)制,尋找發(fā)育與抗逆的平衡點(diǎn),對(duì)于作物的抗逆育種也尤為重要。

對(duì)LecRLKs的進(jìn)一步鑒定和深入研究,有助于篩選出滿足人類需要的LecRLK候選基因,從而改造更耐脅迫、抗逆性的作物。此外,提高植物的抗逆性能在一定情況下減小由低耐受作物耗費(fèi)大量水肥引起的環(huán)境壓力,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展也至關(guān)重要。