加州大学伯克利分校栾升教授发表植物钙离子与镁离子稳态调控的综述文章
2017/9/17 来源:植物研究进展


钙(Ca2+)和镁(Mg2+)是植物中最丰富的二价阳离子。作为营养元素和信号离子,细胞中的Ca2+水平受到一系列通道蛋白和转运蛋白的调控,这种调控机制是Ca2+平衡和Ca2+信号产生的分子基础。虽然CorA型Mg2+转运蛋白家族在植物Mg2+平衡调节方面起关键作用,但仍需鉴定出更多组分。Ca2+和Mg2+在植物细胞中可能具有拮抗作用,因此植物依赖Ca2+和Mg2+之间的平衡以获得最适的生长和发育。维持这种平衡以应对土壤营养变化是植物矿物营养的重要特征。研究发现,植物能够感知营养变化并经过信号转导来调节转运蛋白活性,从而适应环境营养变化。这种“营养感知”信号网络之一,Ca2+依赖型类钙调磷酸酶B亚基蛋白(CBL)-CBL互作蛋白激酶(CIPK)途径,可作为环境营养与转运活性之间的联系枢纽。在本文中,作者综述了最近关于Ca2+和Mg2+转运系统及其调控的相关研究,并提出了对未来研究方向的看法。

Figure 1. Ca2+ transport systems in a plant cell.


Figure 2. Regulation of Mg2+ homeostasis in a plant cell.


前言

钙(Ca)和镁(Mg)是地壳中丰富的金属元素。土壤中的Ca2+和Mg2+是植物必需的营养物质。Ca2+可加强植物细胞壁、中和液泡阴离子以及提供胁迫保护。与植物组织中总钙含量高相反,细胞质游离Ca2+的基础水平极低,通常约为100-200 nM[1]。因通过Ca2+通道可快速增加细胞质基质Ca2+浓度,使得Ca2+在植物及其它真核生物的几乎所有生理过程中均起到通用信使的作用[2]。另一方面,细胞中含有高度丰富的Mg2+,可作为许多酶的辅因子以及作为绿色组织中叶绿素分子的核心金属[3]。Ca2+和Mg2+均由植物根系从土壤中获取,并通过木质部向上运输到枝条上。一旦沉积,Ca2+是不移动的,而Mg2+可通过韧皮部移动在植物体内再循环。已鉴定一些离子通道和转运蛋白家族,它们帮助Ca2+和Mg2+跨质膜和细胞内膜转运。在细胞和植株水平协调这些转运系统的活性可控制Ca2+和Mg2+营养水平,并确保Ca2+作为响应各种发育和环境信号的第二信使。尽管它们具有不同的生理和生化功能,但植物中Ca2+和Mg2+的平衡似乎是紧密相连的,并且可能至少部分地由共同的信号网络所调节。在本文中,作者总结了植物Ca2+和Mg2+转运及平衡机制的最新进展。

 

Ca2+转运:植物细胞的Ca2+特征

钙是植物生长必不可少的元素,占茎干重的0.1-5%。虽然钙在自然界中是丰富的,但钙缺乏可发生在需高水平钙的快速生长的组织中,钙缺乏会引起幼叶细胞坏死和果实脐腐症等症状[4]。钙缺乏通常发生在幼嫩组织中,部分原因为钙是一种不可移动的营养元素,几乎不能从老组织中重新移动并通过韧皮部重新分配。除作为细胞壁和其他细胞结构的重要组成成分外,Ca2+更为重要的功能是作为植物细胞中普遍存在的信号分子[5]。细胞质基质游离Ca2+浓度的瞬时升高可作为编码刺激特异性信息的细胞内信号。Ca2+变化的刺激特异性模式的形成,即“Ca2+特征”[6],依赖于不同Ca2+转运蛋白的协同作用,其介导Ca2+跨细胞膜的流入和流出(图1)。

质膜上的钙离子渗透通道介导Ca2+从质外体流入细胞质。在一些植物细胞中,电生理研究已鉴定出电压依赖的Ca2+渗透通道,进一步分为去极化激活的Ca2+渗透通道(DACC)和超极化激活的Ca2+渗透通道(HACC)以及不依赖电压的Ca2+渗透通道(VICC)[7]。通常认为DACC可能与Ca2+的瞬时流入有关,以响应各种外部刺激[8];而HACC可能与持续性的Ca2+流入有关,尤其是在保卫细胞的信号转导[9,10]以及根毛的Ca2+流入[7,11]。另一方面,VICC可在生理膜电位上组成型开放,其可能在维持植物细胞的基底细胞质基质Ca2+水平方面起重要作用[12]

尽管已对DACC、HACC和VICC进行了电生理研究,但在高等植物中,它们的分子特征仍不甚清楚。最近研究发现模式植物拟南芥中编码候选Ca2+渗透通道的几个基因家族,包括环核苷酸门控离子通道(CNGC),谷氨酸受体家族(GLR),mid1互补活性蛋白(MCA)和钙渗透胁迫门控阳离子通道(CSC)/降低的高渗透性诱导[Ca2+]i增加通道(OSCA)。在这些家族中,CNGC和GLR与各自在动物中的同源物结构相似,具有典型的离子通道的多个跨膜跨度。敲除突变分析表明,这两个家族中的几个成员参与Ca2+调节的发育和生理过程,包括根发育(OsGLR3.1[13];GLR3.2 & 3.4[14])、花粉管生长(CNGC18[15];GLR1.2 & 3.7[16])、根向地性和根毛尖部生长(CNGC14[17,18])、气孔运动(GLR3.1 & 3.5[19])、离子平衡(CNGC3[20];CNGC10[21];GLR3.2[22])、热适应(CNGC6[23];PpCNGCB & CNGC2[24])、病原体反应(CNGC2[25,26];CNGC4[27];CNGC11 & 12[28])以及创伤反应(GLR3.3 & 3.6[29])。虽然它们的结构和激活配体是不同的,但CNGC和GLR通道均可参与如花粉管导向等过程[16,30],这就引出了一个有趣的问题,即它们是如何相互协调来实现相同的功能。通过电生理实验已鉴定出这两个家族的几个成员。例如,在人胚肾(HEK)细胞和非洲爪蟾卵母细胞中,CNGC18和CNGC7,8,9,10,16被证明可渗透Ca2+和Ba2+,但不能渗透K+[30,31,32]。在HEK细胞中表达质膜定位的AtGLR3.4有利于氨基酸门控的Ca2+流入,从而产生细胞质Ca2+信号[33]。MCA最初的鉴定是基于其互补酵母mid1突变体的能力,mid1突变体在跨细胞膜的Ca2+转运方面存在缺陷[34]。突变和过表达分析表明,拟南芥MCA1和MCA2可介导跨细胞膜的Ca2+吸收,特别是在经历触摸或膨胀变化的机械应力的细胞中[34,35]。尽管未能揭示其通道活性,玉米MCA同源物在幼苗发育中起着重要作用[36]。在植物中已发现一个由渗透刺激的Ca2+渗透通道新家族,CSC/OSCA[37,38]。CSC1及其旁系同源物OSCA1在非洲爪蟾卵母细胞[37]和HEK细胞[38]中表现出高渗胁迫激活的Ca2+通道活性。对根和保卫细胞高渗胁迫的响应,osca1突变体的Ca2+升高幅度降低[38]。值得注意的是,上述Ca2+渗透通道主要在细胞Ca2+信号通路中起作用,但其中一些Ca2+通道也可能与多种细胞类型的Ca2+营养成分有关,目前这类观点的文献较少。

与Ca2+流入一样,Ca2+通过细胞膜流出和Ca2+螯合进入细胞内隔室对保持瞬时的Ca2+信号同等重要。P型Ca2+-ATPase可将细胞质基质中的Ca2+从细胞膜中泵出细胞,或将其螯合到内质网(ER)与其它细胞器中[39]。P型Ca2+-ATPase可分为P2A型内质网 Ca2+-ATPase(ECA)和P2B型Ca2+-ATPase(ACA)两大类,P型Ca2+-ATPase属于ATP水解激活的离子泵超家族。这些Ca2+泵存在于细胞膜(ACA8、ACA9和ACA10)、内质网(ECA1和ACA2)、高尔基体与内体(ECA3)、液泡膜(ACA4和ACA11)以及质体膜(ACA1)上,暗示这些细胞器可储存Ca2+以形成Ca2+信号的空间特异性[2,6]。在拟南芥中,aca9单突变体和aca8 aca10双突变体的遗传分析表明,这些Ca2+泵在花粉管生长与植物免疫反应中发挥作用[40,41]aca突变体表型与Ca2+通道突变体的缺陷表型相似,表明Ca2+流入和流出转运蛋白协同实现精确的Ca2+信号转导过程。除了Ca2+-ATPase,液泡膜上的CAX家族Ca2+/H+交换体有助于Ca2+进入到液泡中以保持植物细胞质基质中低的Ca2+水平[42,43]。敲除或过表达CAX1和CAX3可改变Ca2+平衡并损害植物生长及胁迫反应[44,45,46]。最近研究发现,CNGC2与CAX1/3协调介导Ca2+流入叶细胞。因此,CNGC2与CAX1/3介导的Ca2+流入及液泡吸收共同调节Ca2+在植物细胞中的分布,以防Ca2+在细胞质基质和质外体中的过度积累[47]。有趣的是,在外部低Ca2+条件下,cngc2突变体的发育缺陷和自身免疫被抑制[47]。这些发现表明,Ca2+平衡需要严格调节Ca2+的流入、流出和封存,从而确保正常的Ca2+信号传转导和代谢功能。

游离Ca2+从内部储存区释放代表了Ca2+信号产生的另一种机制,但在已测序的陆地植物基因组中缺少动物肌醇(1,4,5)三磷酸(InsP3)受体或ryanodine受体的同源基因。液泡膜二孔通道TPC1与拟南芥慢液泡(SV)通道活性有关[48]。最近研究表明,在HEK细胞中过表达位于细胞膜上的TPC1时,其优先调节Ca2+水平[49]。TPC1是否作为液泡Ca2+通道负责Ca2+从液泡腔释放到细胞质基质,仍有待研究。

除细胞质基质Ca2+外,细胞核Ca2+水平的升高也可作为根毛对结节因子[50]和硝酸盐感知的响应信号[51]。最近的一项研究表明,苜蓿中三个核膜定位的CNGC15同源异构体可参与核内Ca2+振荡及共生反应[52]

 

植物Mg2+转运与平衡:MGT家族

为维持各种组织中Mg的最佳水平,植物已进化出有效的Mg2+运输和调节机制。然而,关于植物Mg2+转运蛋白分子特征的认识尚未完全清楚。目前在高等植物中已鉴定的主要家族属于细菌CorA Mg2+转运蛋白(MGT)的同源物[53],也称为MRS2,其与向线粒体基质提供Mg2+的酵母Mrs2(线粒体RNA剪接2)蛋白具有相似性[54]。该家族中至少有10个成员存在于拟南芥中,每个成员具有两个跨膜结构域(TMD),并在两个TMD之间具有保守的Gly-Met-Asn(GMN)基序。通过Mg2+转运蛋白缺乏的细菌或酵母突变体的互补实验,发现某些MGT成员可促进细菌或酵母中的Mg2+转运[53,54,55]。放射性示踪剂(63Ni)分析表明,MGT转运包括Mg2+在内的二价阳离子[53,56]。尽管已报道了细菌CorA蛋白的通道样晶体结构,然而,植物MGT是否作为Mg2+通道尚未得到充分证实[57]

植物根系的Mg2+吸收可能包括高亲和性与低亲和性的转运系统[58]。在拟南芥中,MGT6似乎介导亚微摩尔范围内的高亲和性Mg2+吸收。此外,在外部Mg2+受限时,根中的MGT6表达显著上调;而在低Mg2+条件下,MGT6沉默的植株的生长受到限制[56]。根中优先表达的MRS2-7/MGT7基因在植物适应低Mg2+条件中起重要作用[55]。最近的一项研究表明,在正常和高Mg2+条件下,MGT6和MGT7在植物Mg2+平衡中发挥重要作用,然而,具体的分子机制尚不清楚[59]。Mg2+缺乏可由土壤中低水平的Mg2+条件或抑制其吸收的其他因子所引起。在酸性土壤中,铝(Al3+)可通过直接结合Mg2+通道而强烈抑制Mg2+吸收。有趣的是,Al3+可快速诱导水稻根中OsMGT1的表达,而osmgt1敲除突变体对Al3+胁迫敏感性增强,这可能是由于Mg2+吸收受损所致[60]

从土壤中吸收后,Mg2+被转运到木质部以实现从根到茎的远程运输。Mg2+在韧皮部也具有高度的移动性,因此Mg2+可从老组织到幼组织、从源到库,并可在连续的补充循环中从茎向下运输到根部。然而,参与这些过程的相关转运蛋白尚未得到鉴定。在细胞水平上,如许多其他离子一样,游离的Mg2+主要储存在液泡中以达到平衡。Mg2+流入液泡被认为由Mg2+/H+交换体(MHX)介导[61]。研究发现,AtMGT2和AtMGT3参与叶肉细胞Mg2+分配到液泡的过程[62]。然而,需更多的遗传研究来了解其生理功能。在绿色组织中,绝大部分的Mg与叶绿素形成复合体,但Mg2+如何转运到叶绿体中尚未完全情清楚。候选促进因子可能是MGT10,其似乎是被靶向在叶绿体膜[63]。Mg2+转运在植物生殖过程中也起着重要作用,包括MGT4[64]、MGT5[65,66]和MGT9[67]在内的几种MGT在花粉发育和雄性生殖方面起着重要作用。

不同MGT成员的亚细胞定位仍然是一个悬而未决的问题。最近的研究显示,同一MGT成员的定位不同,并且在瞬时过表达系统中,几个MGT与ER膜相关联,需要指出的是,许多膜蛋白被翻译,并在过表达时于内质网上积累。为确定它们的生理功能,需对拟南芥以及其他植物中所有MGT进行全面的功能分析。除CorA/Mrs2外,细菌和动物中其它家族的Mg2+通道或转运蛋白也被鉴定出[68]。证明其同源基因是否存在于植物界并参与植物细胞的Mg2+转运将会是非常有趣的工作。

 

调控网络:连接Ca2+和Mg2+平衡

作为两种类似的二价阳离子,Ca2+和Mg2+可彼此拮抗,已在几种情况下被证明。在天然蛇纹石土壤中,低Ca-Mg比可能会限制许多植物的生长或生存。通过遗传筛选在拟南芥中证实Ca2+-Mg2+具有拮抗作用,cax1等位基因的功能缺失植株对蛇纹石土更耐受[69] cax1突变体液泡Ca2+/H+交换活性的降低可导致进入液泡的Ca2+降低,而在代谢池中保留更多的Ca2+以拮抗过量的Mg2+。一致地,减少外部Ca2+供应可减轻缺乏Mg2+转运蛋白突变体的缺陷表型[70]。虽然通常认为Ca2+和Mg2+可能竞争相同的分子,如酶和转运蛋白,但仍需更多的研究来揭开植物细胞中Ca-Mg拮抗作用的分子基础。

作者对Ca2+-Mg2+相互作用的理解也是来自最近的发现,Ca2+信号通路在调节Mg2平衡中起关键作用。在酵母中,Mg2+缺乏会引起快速的Ca2+流入并激活Ca2+/钙调磷酸酶信号通路,并导致下游基因的转录变化[71]。虽然并不清楚植物对Mg2+饥饿响应中是否具有类似的机制,但已确定Ca2+信号在植物适应高Mg2+胁迫中的重要功能[72]。外部高Mg2+会诱导植物细胞质基质中Ca2+的瞬时升高。特定的Ca2+信号可被两个定位于液泡膜的钙调磷酸酶B亚基蛋白CBL2与CBL3感知,CBL2和CBL3功能冗余,可激活CIPK3,9,23和26[72]。CIPK可与液泡膜Mg2+转运系统相互作用并可将其磷酸化以实现液泡Mg2+的储存,从而在细胞质中保持无毒的Mg2+水平(图2)。研究发现,这些CIPK激酶可与脱落酸(ABA)响应途径中起关键作用的组2的几种蔗糖非发酵相关激酶(SnRK2)相互作用[73]。今后需重点解决以下问题:高Mg2+胁迫是如何诱导植物细胞中特异的Ca2+信号以及Ca2+和ABA信号在靶转运蛋白调控植物Mg2+平衡中的可能交叉点。

 

展望

钙离子是响应发育和环境信号的信使。研究植物钙信号转导的主要工作是利用生物化学、细胞学及遗传学组合方法来鉴定参与植物特定发育过程或响应特定刺激的通道蛋白和/或转运蛋白。建立如以前在非洲爪蟾卵母细胞或其他非植物系统中建立的与ABA、CO2、CBL-CIPK-AKT1相关的信号通路将有助于揭示Ca2+通道特性以及其他信号因子的调节作用[74,75]。基因编辑工具如CRISPR-Cas9将被证明能有效克服分析多基因家族的遗传冗余问题。这些工具也可用于揭示基因组中编码的许多未知的跨膜蛋白的功能。关于Ca2+转运,最大的挑战之一是探究流入和流出转运蛋白是如何被调控以将特定信息转化为Ca2+信号。对于Ca-Mg平衡,应继续完善调节和协调土壤营养状态变化下的Ca2+和Mg2+转运过程的信号网络。此外,设计新的筛选方法以揭示Ca2+和Mg2+营养及信号相关的突变体将在遗传和生理背景条件下产生重要发现。因为人类膳食中的主要Ca2+和Mg2+是植物来源的,因此揭示植物Ca2+和Mg2+平衡的分子机制将有助于改善作物的营养特性,从而提高作物产量,最终提高人类的健康水平。