植物钙依赖蛋白激酶CDPK基因功能综述

CDPK是一类Ser/Thr型蛋白激酶,存在于植物的各个器官和原生生物中,直接被Ca2+信号激活,通过对底物的调节,调控多个下游支路,将信号放大,从而完成传递信号的作用,广泛参与干旱、盐碱等非生物胁迫。本文对植物钙依赖蛋白激酶CDPK基因功能的研究进行综述。     

高等植物中的CDPK及其生理生化功能

蛋白激酶主要催化蛋白质的磷酸化作用，参与细胞的信号识别与转导。CDPK是一类钙依赖钙调素不依赖的蛋白激酶(Calcium—dependent and calmodulin—independent protein kinase)，与细胞Ca^2 信号进一步传递有密切关系。     

钙依赖蛋白激酶与植物钙离子的信号转导

钙离子所依赖的蛋白激酶(CDPKs)在植物钙信号转导过程中发挥着关键作用。本文就CDPK的结构以及生物学功能等方面做了较为详尽的阐述。     

非生物胁迫下植物中CBL-CIPK信号通路研究进展

植物在外界胁迫环境中能够生存得益于它们对胁迫的快速应答和体内复杂的调控机制。钙调磷酸酶B样蛋白(CBL)和CBL相互作用蛋白激酶(CIPK)信号通路是一类灵敏的Ca~(2+)信号传导网络。在众多植物中都已经鉴定出了编码CBL和CIPK的基因。本文将围绕CBL/CIPK基因的表达模式和功能,非生物胁迫下植物CBL和CIPK调控网络上最新的研究发现进行综述,以期为抗逆育种提供新思路。     

野生大豆CDPK基因保守区的克隆及序列分析

CDPK(Ca2+-dependent,calmodulinindependentproteinkinase)是植物钙信号传导过程中关键的蛋白激酶,在逆境胁迫信号传导过程中起到重要作用。研究基于同源序列候选基因的策略,根据已经公布的多个CDPK序列的比对结果,在保守性较高的区域,设计两对巢式简并引物,结合降落PCR和巢式PCR在野生大豆中克隆。对获得的序列片段进行序列分析,发现该序列具有激酶活性的功能区域和CDPK特有的EF手性结构区,并且与VrCDPK(U08140)序列达到94%的相似性,可以确定该片段是CDPK基因的保守序列。结果证明,野生大豆中也存在CDPK基因,并为通过RACE等方法获得野生大豆全长CDPK基因奠定了基础。     

植物体内钙离子的感受器类型及功能研究

阐述了Ca2 信号的产生与特点,Ca2 的感受器CaM(钙调蛋白),CDPK(钙依赖性蛋白激酶)以及CBL(钙调磷酸酶B类似蛋白)的结构与生理功能。     

梨树CDPK基因家族进化和表达分析

钙依赖蛋白激酶(CDPK或CPK)在植物生长和发育、逆境信号刺激及其对病原物的防御反应过程中发挥着非常重要的作用。本研究利用梨树全基因组数据,采用生物信息学的方法,在全基因组水平上对梨树CDPK基因家族进行系谱进化关系、基因结构、共线性关系及表达情况等分析。结果表明,梨树基因组中共存在31个CDPK基因,命名为PbCDPK1~PbCDPK31。系谱分析结果表明,这些CDPK基因归属于4个亚家族。共线性分析检测到12对CDKP基因间存在显著的共线性关系,其中10对由最近一次发生的全基因组复制事件形成。非同义/同义置换率的比率(dN/dS)说明CDPK基因在功能上进化得非常保守。荧光定量PCR结果发现,5个梨树CDPK基因对干旱逆境有响应。试验结果可为进一步开展梨树CDPK基因家族的功能鉴定和分子进化机制的研究提供参考。     

玉米ZmCPK9基因在非生物胁迫下的表达分析

【目的】钙依赖蛋白激酶(CPKs)是一类依赖于Ca~(2+)的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,仅在植物和部分低等生物中存在。Ca~(2+)作为第二信使,在植物生长发育和抗逆应答过程中起着重要作用。研究玉米Zm CPK9基因在幼苗期不同逆境胁迫下的动态表达,为分析该基因在玉米逆境应答中的功能和机制奠定基础。【方法】利用生物信息学方法,分析Zm CPK9基因序列特征,采用Real-time PCR技术分析Zm CPK9在干旱、低温、盐和ABA诱导下的表达特征。【结果】利用生物信息学方法从玉米基因组中鉴定出CPK基因,命名为ZmCPK9。序列分析表明Zm CPK9 c DNA序列长1 548 bp,编码515个氨基酸。生物信息学分析显示,在蛋白质序列和结构上该基因与其他物种CPK基因一样非常保守。Real-time PCR的结果表明,在干旱、低温、盐和ABA诱导下,Zm CPK9表达量均有所上调。【结论】Zm CPK9是玉米CPKs基因家族中一个新的成员,对干旱、低温、盐和ABA等非生物胁迫具有应答反应,推测Zm CPK9对植物防御非生物胁迫具有一定作用。     

短芒大麦钙依赖蛋白激酶基因的克隆与功能分析

【目的】克隆强抗寒性牧草短芒大麦钙依赖蛋白激酶(Calcium-dependent protein kinase,CDPK)基因,分析其生理生化特性,为理想抗逆工程基因的筛选和利用奠定基础。【方法】采用RACE-PCR技术,获得短芒大麦CDPK基因全长cDNA序列;采用Northern杂交分析该基因在逆境条件下(低温(4℃)、干旱(200 g/L PEG6000)、盐(300 mmol/L NaCl)、激素(100μmol/L ABA))的表达模式;采用农杆菌介导的方法,对该基因编码蛋白进行亚细胞定位,并对转基因烟草的离子渗漏率和脯氨酸含量进行测定。【结果】获得了短芒大麦CDPK基因的编码序列,将其命名为HbCDPK;HbCDPK编码的蛋白是一个膜定位钙依赖蛋白激酶,该基因在短芒大麦根、幼苗叶片和成熟胚中均有表达;在低温、干旱、盐和ABA胁迫条件下处理不同时间,HbCDPK的表达丰度有差异,其在低温胁迫条件下的表达信号最强;转HbCDPK基因烟草相对离子渗漏率降低,脯氨酸含量升高。【结论】HbCDPK基因参与了低温胁迫信号转导,具有提高植物抗寒性的潜能。     

H2S调节小麦干旱胁迫依赖于钙信号途径

探讨了Ca~(2+)和H_2S调节小麦干旱胁迫的交互关系。结果表明,H_2S和Ca~(2+)均可缓解干旱胁迫诱导的氧化伤害,与干旱处理组相比,H_2S和Ca~(2+)预处理显著降低了叶片中丙二醛(MDA)和H_2O_2含量,提高了超氧化物歧化酶(SOD)活性,减少了干旱胁迫对过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性的诱导,但乙二醇双(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA,钙螯合剂)处理显著削弱了H_2S对干旱胁迫的缓解作用,而亚牛磺酸(HT,H_2S清除剂)处理对干旱胁迫下Ca~(2+)的缓解作用没有影响。此外,干旱胁迫下,H_2S可诱导Ca~(2+)信号途径相关基因表达(如CcaMK,CPK10,CIPK2和CIPK15),而Ca~(2+)对小麦叶片内源H_2S含量无显著影响。由此推测,Ca~(2+)可能位于H_2S信号的下游,部分介导了H_2S对小麦干旱胁迫的调节作用,H_2S可通过促进Ca~(2+)信号途径相关基因的表达调节干旱胁迫。     

施磷肥对土壤中钙素淋失特征的影响

以耕地棕壤、设施栽培土壤(原始土壤类型为棕壤)和耕地褐土3种不同类型和利用方式土壤为研究对象,采用室内土柱模拟的方法,研究了不同施磷肥量对土壤钙素淋失特征的影响。结果表明,耕地棕壤中钙的淋失量随施磷量的增加而降低,而设施栽培土壤和耕地褐土中钙的淋失量随施磷量的增加而增加。耕地棕壤中钙含量相对较少,施磷肥减少了Ca~(2+)的淋失;而当土壤中钙含量相对较高时,则增加了Ca~(2+)的淋失。当添加的磷肥量较低时,土壤本身的pH值对Ca~(2+)的淋失影响相对较大,耕地棕壤Ca~(2+)淋失量高于耕地褐土;当添加的磷肥量较高时,磷肥的影响较大,耕地棕壤Ca~(2+)淋失量低于耕地褐土。耕地褐土全钙和有效钙的含量较高,但钙的有效性较低,导致耕地褐土Ca~(2+)的淋失总量相对降低。     

钙离子在哺乳动物卵母细胞发育关键时期的作用

Ca~(2+)是广泛存在的信号分子,钙信号转导对多种细胞生理生化活动有重要的调控作用,越来越多的证据表明钙信号参与卵母细胞减数分裂。钙稳态是细胞内Ca~(2+)信号在时间和空间上的动态平衡,对卵母细胞钙稳态的研究是目前重要的研究热点之一。本文综述了钙稳态及钙离子对卵母细胞成熟和发育过程中的双线期阻滞恢复、MII期阻滞恢复和细胞凋亡的作用,发现某些哺乳动物双线期及MII期适当增加胞内钙离子水平可以使卵母细胞退出阻滞,而超出生理水平的胞内钙则会诱导细胞凋亡,并通过探究钙离子在卵母细胞减数分裂恢复和调控凋亡过程中的作用机制,为辅助生殖技术的进一步研究提供依据。     

红花CDPK基因家族的鉴定及表达分析

钙依赖性蛋白激酶(CDPK)是植物细胞内Ca²⁺信号识别及转导的重要媒介，在植物的生长发育以及逆境响应过程中起着重要的作用。本研究通过多种生物信息学的方法和手段，对鉴定出来的30个CDPK基因进行分析鉴定，结果显示30个CtCDPK基因所编码的氨基酸分子量为47 781.96～93 251.66 ku,等电点为5.09～9.27;基因结构预测结果表明，所有CtCDPK基因均含有6～13个外显子；染色体定位结果表明，30个CtCDPK基因分别定位在10条染色体上，其中8号染色体上最多，有5个，2号、4号染色体上没有；系统发育树分析结果显示将其分为6个亚家族；表达分析结果表明CtCDPK基因在不同组织、不同发育阶段中表达模式有所差异。     

谷子CDPK基因家族全基因组序列鉴定及进化分析

钙依赖蛋白激酶(CDPK)是一类主要的钙信号感受器,对钙信号的感知和解码起重要调控作用.为揭示CDPK在谷子生长发育和抗逆防御机制中的作用,该研究利用生物信息学的方法,从谷子基因组中鉴定出28个SiCPKs基因,对这些家族成员的基因结构、系统进化、染色体定位、基因复制及其所编码蛋白的理化性质进行系统生物信息学分析.结果表明,该研究鉴定出的28个SiCPKs基因所编码的氨基酸长度为51.82～68.32 kD,等电点为4.97～9.01,氨基酸序列绝大多数含有4个EF-Hand功能域且高度保守;基因结构预测结果表明,大多数SiCPK基因均含有6～8个外显子,染色体定位结果表明,28个SiCPKs基因分别定位在8条染色体上,其中9号染色体上最多(6个),4号染色体上没有;为了进一步分析谷子和其他物种的同源进化关系,构建了谷子与拟南芥、水稻、莱茵衣藻、小立碗藓的CDPK进化树,发现莱茵衣藻与小立碗藓单独聚类,谷子与水稻的亲缘关系比拟南芥近;共线性分析表明,谷子与水稻基因间存在串联重复和片段重复,它们是谷子CDPK家族成员扩张的主要动力.综上所述,谷子28个CDPK基因在进化上分为4个亚家族,基因结构的复杂程度与进化树聚类存在联系,串联复制是基因家族成员扩增的进化途径之一.     

梨CDPK基因家族全基因组序列鉴定分析

CDPK是植物特有的一类丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶,在介导植物生育信号和逆境信号转导中具有重要作用。为揭示CDPK基因在梨生长发育与抗逆防御机制中的作用,本研究通过生物信息学手段,结合梨基因组注释信息,鉴定梨基因组中CDPK家族基因成员,利用MEGA6.0程序进行多序列比对、分类并构建系统进化树;利用per1程序以及GSDS工具进行基因结构与保守性分析,为植物CDPK基因功能分析与利用提供依据。结果表明,本研究成功鉴定出26个CDPK家族成员,根据系统发育树分析,所有Pb CDPK被分为4类;基因结构预测结果表明,大多数Pb CDPK均含有6~7个内含子;且预测的Pb CDPK氨基酸序列绝大多数含4个EF-hand功能域;为了深入分析梨与其他物种的同源进化关系,构建了梨与拟南芥、水稻的CDPK基因系统进化树,进化树聚类分析结果将所有的CDPK蛋白分为四类。综上所述,目前已初步获得26个梨CDPK基因,为在基因组范围内研究CDPK基因在梨生长发育与逆境响应中的功能奠定了基础。     

钙对马尾松针叶生理生化特性及细胞超微结构的影响

以1年生马尾松(Pinus massoniana)苗为试验材料,通过温室砂培试验,研究不同钙浓度(0、0.4、1、2、3mmol·L~(-1)Ca~(2+)和4mmol·L~(-1)Ca~(2+))对马尾松针叶生理生化特性和细胞超微结构的影响,阐明马尾松对钙的适应性机理,为马尾松人工林经营及管理提供理论参考。结果表明,随供钙浓度增加,马尾松苗生物量、针叶叶绿素、GA、ZR和IAA含量及叶绿素a/b值随钙浓度增加先增加后降低,在2mmol·L~(-1) Ca~(2+)条件下达到最高值;针叶相对电导率、ABA含量、ABA/GA、ABA/ZR、ABA/IAA和ABA/(GA+ZR+IAA)值随钙浓度增加先降低后增加,在2mmol·L~(-1)Ca~(2+)条件下达到最低值;2mmol·L~(-1) Ca~(2+)处理的针叶细胞中叶绿体和线粒体形态完整,淀粉粒含量较多,嗜锇颗粒和线粒体数量相对较少,未出现质壁分离,而在其余5个处理中,针叶细胞均出现不同程度质壁分离现象,细胞器结构和功能受损,其中0mmol·L~(-1) Ca~(2+)处理的细胞受损程度较重,并在部分叶绿体内出现空泡现象,而4mmol·L~(-1) Ca~(2+)的细胞受损程度次之。在不同供钙水平下,马尾松苗通过调节体内激素含量及比值,稳定细胞内正常生理生化代谢进程,改善针叶的光合状况,从而保护细胞膜、细胞器的结构和功能完整,以利于自身生长发育,且Ca~(2+)在2mmol·L~(-1)时对马尾松生长最有利。     

外源钙对模拟酸雨胁迫下水稻质膜组分和钙形态的调节

为了探寻减轻植物酸致伤害的有效方法,采用水培法研究了外源钙(Ca,5 mmol·L~(-1))对模拟酸雨(SAR,pH 4.5/3.0)胁迫下水稻根系质膜稳定性、质膜组分以及钙形态的影响。结果表明:低强度SAR(pH 4.5)对水稻根系膜稳定性无显著影响,而高强度SAR(pH 3.0)显著降低水稻根系膜稳定性,且水稻根系质膜磷脂(磷脂酰胆碱和磷脂酰甘油)、膜蛋白和非水溶性钙含量显著减少,胞内水溶性钙含量显著增加,恢复5 d后仅SAR(pH 3.0)组上述指标仍显著低于对照。与单一SAR和单一Ca~(2+)处理组相比,pH4.5+Ca~(2+)组水稻根系膜稳定性无显著变化。pH 3.0+Ca~(2+)组水稻根系质膜稳定性、磷脂(磷脂酰胆碱和磷脂酰甘油)、膜蛋白和非水溶性钙含量显著低于对照但高于单一SAR(pH 3.0)组,水溶性钙含量仍显著高于对照但低于SAR(pH 3.0)组,且恢复5 d后上述指标均达到对照水平。外源Ca~(2+)增强水稻根系质膜耐受SAR胁迫能力与其维持水溶性钙-非水溶性钙平衡及缓解磷脂和膜蛋白的降解有关,且缓解效果受酸雨强度限制。     

鱿鱼墨黑色素吸附Ca2+的活性研究

[目的]为鱿鱼墨在饲料、保健品等领域的应用提供理论依据。采用高速离心法精制的鱿鱼墨黑色素与Ca~(2+)作用,探究酸度、温度、时间、黑色素添加量、Ca~(2+)浓度及盐度等因素对鱿鱼墨黑色素吸附Ca~(2+)的影响。[结果]当pH为4、温度为40℃、黑色素添加量为0.02g、吸附时间为10h时,鱿鱼墨黑色素对钙的吸附量最大,达到65%。不同浓度的氯化钠和氯化镁对黑色素吸附Ca~(2+)的影响较小,氯化铁对黑色素吸附钙的影响很大,随着氯化铁浓度的增大,吸附量急剧增加。[结论]鱿鱼墨黑色素对Ca~(2+)的吸附能力并不理想,吸附量也不多。     

替码板栗芽体PCD过程中Ca~(2+)的时空变化

【目的】探讨Ca~(2+)在替码板栗品种X12芽体细胞程序性死亡(PCD)过程中的时空变化及其与芽体PCD的关系。【方法】利用焦锑酸盐沉淀的电镜细胞化学方法,研究替码板栗X12芽体PCD过程中(S1～S5时期) Ca~(2+)的时空变化。【结果】S1时期,细胞结构正常,Ca~(2+)主要分布在细胞壁和细胞间隙处,细胞质和细胞核内有少量Ca~(2+),液泡内Ca~(2+)含量极少;S2时期,部分细胞器轻微降解,细胞间隙中Ca~(2+)减少,细胞质、液泡膜和细胞核膜附近Ca~(2+)开始增多;S3时期,细胞进一步解体,细胞壁、液泡、细胞核降解严重,细胞间隙和细胞壁上Ca~(2+)颗粒极少,细胞质、细胞核、破裂的液泡内及液泡周围Ca~(2+)明显增多;S4时期,细胞降解严重,Ca~(2+)在细胞内呈无规则分布,质膜和细胞壁上较少,集中于破碎的液泡膜和液泡碎片处;S5时期,细胞器均降解破碎,Ca~(2+)随降解的细胞器碎片成块状聚集。【结论】替码板栗芽体PCD过程中Ca~(2+)呈动态变化,Ca~(2+)可能参与了PCD过程;细胞质、液泡和细胞核的Ca~(2+)内流可能是引起替码板栗芽体PCD的部分重要原因。     

甘蔗钙依赖蛋白激酶基因克隆与序列分析

[目的]克隆甘蔗钙依赖蛋白激酶基因(ScCDPK1),为其功能解析和育种利用打下基础.[方法]根据甘蔗cDNA文库中的CDPK基因序列信息设计引物,利用RT-PCR克隆ScCDPK1基因,并采用在线生物信息学分析软件对其推导蛋白的理化性质、跨膜结构、信号肽及保守结构域等进行预测分析.[结果]克隆获得的ScCDPK1基因完整编码区大小1650 bp,编码549个氨基酸,相对分子量61.971 kD,等电点(pI)6.78,不稳定指数35.63.同源性和遗传进化树分析结果显示,ScCDPK1基因与小麦TaCPK7基因亲缘关系最近,同源性达88%;ScCDPK1蛋白与其他已知CDPK蛋白一致,具有CDPKs家族特有的4个保守区域(可变区、蛋白激酶区、自抑制区和钙离子结合区),其二级结构主要由α螺旋(42.80%)和无规则卷曲(32.97%)构成;蛋白功能分类预测结果显示,ScCDPK1蛋白是一种阳离子通道蛋白,可能参与植物胁迫应答、信号转导和翻译调控等生物反应.[结论]ScCDPK1基因编码的蛋白与其他已知CDPK蛋白一致,具有CDPKs家族特有的4个保守区域,是一种阳离子通道蛋白.