1、植物学通报 Chinese Bulletin of Botany 2007, 24 (6): 762 778, 收稿日期 : 2007-05-09; 接受日期 : 2007-08-28基金项目 : 国家科技支撑计划课题 (No. 2006BAD25B01) 、 国家自然科学基金项目 (No. 30471003) 和科技部农业科技成果转化资金项目 (No. 05EFN216900349)* 通讯作者。 E-mail: 综述 植物钙吸收、 转运及代谢的生理和分子机制周卫*, 汪洪中国农业科学院农业资源与农业区划研究所 , 农业部植物营养与养分循环重点开放实验室 , 北京 100081摘要 钙是植
2、物必需的营养元素。酸性砂质土壤中含钙较少 , 导致在其土壤上生长的作物容易缺钙。另外由于果树果实、果菜类和包心叶菜类的蒸腾作 用弱 , 导致果树和蔬菜普遍生理缺钙。根系维管束组织可能通过共质体和质外体两种途径进行钙素吸收, 而果实则可通过非维管束组织直接吸收钙素。 Ca2+通过Ca2+通道内流进入胞质, 并通过Ca2+-ATPase 和 Ca2+/H+反向转运蛋白外流以保持胞质内低 Ca2+浓度。为了应对植物发育和环境胁迫信号 , Ca2+由质膜、液泡膜和内质网膜的 Ca2+通道内流进入胞质 , 导致胞质 Ca2+浓度迅速增加, 产生钙 瞬变和钙振荡 , 传递到钙信号靶蛋白 , 如钙调素、钙依
3、赖型蛋白激酶及钙调磷酸酶 B 类蛋白 , 引起特异的生理生化反应。本文综述了植物钙素吸收、转运以及代谢研究的最新进展 , 包括植物对钙的需求和作物缺钙的原因 , 根系维管束组织及果实钙素吸收机理 , Ca2+跨膜运输特性, 钙的信使作用以及钙信号靶蛋白等方面内容。关键词 生理缺钙 , 钙运输蛋白 , 钙吸收 , 钙信号靶蛋白 , 胞质钙信号周卫 , 汪洪 (2007). 植物钙吸收、 转运及代谢的生理和分子机制 . 植物学通报 24 , 762 778.钙是植物必需的营养元素 , 在植物生长发育和应对环境胁迫中处于中心调控地位 (Hepler, 2005) 。钙的行为充满了困惑 , 令人难以理
4、解。 一方面土壤含钙丰富 ,但另一方面果树和蔬菜缺钙十分普遍 ; 一方面钙具有营养功能 , 另一方面又具有独特的信使作用。 植物细胞壁含钙量很高(10 mol.L-1- 10 mmol.L-1) , 但细胞质中Ca2+ 较低 (100- 200 nmol.L-1), 但这一极低胞质 Ca2+对作物生长发育却影响巨大 (Hirschi, 2004) 。从60年代开始 , 乃至整个 70年代, 一直到 80 年代中期 , 围绕钙的营养生理功能研究所取得的主要进展包括 : 发现钙能与果胶酸形成果胶酸钙 , 稳定细胞壁的结构 ; 钙能将磷脂分子联结起来 , 具有稳定细胞膜的作用 ; 细胞内大部分钙素存
5、在于液泡中 , 它对液泡内阴阳离子的平衡有重要贡献 , 具有渗透调节作用 ; 缺钙会影响纺锤丝的形成 , 因此细胞的正常有丝分裂需要少量钙的参与 ; 探索了钙与植物生长调节剂以及光的相互作用 ; 发现了钙调素和钙依赖蛋白激酶 (Marschner, 1995; Hepler, 2005) 。80年代中期以后研究重点转向了植物的钙吸收和代谢机理,主要是植物细胞内 Ca2+转运系统 , 包括 Ca2+通道、Ca2+/H+反向转运蛋白和Ca2+-ATPase 特性 , Ca2+的信使作用以及钙信号靶蛋白, 如钙调素、钙依赖型蛋白激酶及钙调磷酸酶 B 类蛋白等。本文综述了80年代中期以后尤其是近年来植
6、物吸收和代谢钙的生理及分子机制的主要研究进展。1 植物对钙的需求和钙缺乏的原因植物体含钙量一般在 0.1% - 5% 之间 , 不同植物种类、部位和器官的变幅很大。 一般规律为 : 双子叶植物 单子叶植物。 植物地上部茎叶含有较多量的钙 , 而根部、果实和籽粒中则较少 (Marschner, 1995) 。 在植物细胞中 , 钙主要以果胶酸钙、 钙调素蛋白和肌醇六磷酸钙镁( 植酸钙 ) 等形态存在 ; 植物液泡中含有大量的有机酸钙 ,如草酸钙、柠檬酸钙和苹果酸钙等 (Hirschi, 2004) 。细763周卫等 : 植物钙吸收、 转运及代谢的生理和分子机制胞质中的钙主要与蛋白质等大分子相结合
7、 , 而游离 Ca 2+浓度一般仅为 100 - 200 nmol .L - 1 , 从而避免与胞质内无机磷酸盐形成沉淀 , 影响细胞正常的生理活动 ; 细胞间隙以及液泡、 内质网、 线粒体、 微粒体和叶绿体等细胞器 是胞内 Ca 2+ 的主要储存部位和钙库 ( 浓度在 mmol .L - 1范围 )(Marschner, 1995; White and Broadley, 2003;Hirschi, 2004) 。导致植物钙缺乏有两个原因 , 一个是土壤缺钙 , 主要发生于酸性砂质土壤 , 导致水稻、 小麦、 玉米和棉花生长和结实受阻 , 花生空壳等。 另一个原因是生理缺钙 ,尽管土壤含钙丰
8、富 , 但是果树和蔬菜常常出现钙缺乏现象。 这是由于植物内钙的长距离运输主要发生在木质部 , 其运输的动力是蒸腾作用 , 即钙通过蒸腾水流移动 ,而幼嫩部位以及果实的蒸腾作用较小 , 对钙的竞争弱于叶片 , 加之钙在韧皮部中移动性差 , 难以再运输和分配到新生部位及果实 , 因此容易发生缺钙现象 (Marschner,1995; White and Broadley, 2003) 。 外在因素如干旱会引起钙随蒸腾流向地上部位的运输受限 , 此外氮肥施用过多 , 大量钙进入叶片 , 会导致叶片与果实争钙 , 加剧了钙缺乏症 ( 周卫和林葆 , 1995; Hirschi, 2004) 。 植物缺
9、钙会使其顶芽、 侧芽和根尖等分生组织发生卷曲畸形 , 叶缘开始变黄并逐渐坏死。 果树和蔬菜缺钙则导致多种生理病害 , 如苹果苦痘病、 痘斑病和水心病 , 梨黑斑病和黑心病 , 猕猴桃早熟易软 , 桃果顶软化 , 橙、 荔枝、 龙眼和芒果裂果 , 黄瓜弯曲 , 番茄脐腐病以及大白菜干烧心等 , 严重影响果实外观和内在品质及耐贮性 ( 周卫和林葆 , 1995; White and Broadley, 2003) 。2 植物根系与果实对钙的吸收土壤中 Ca 2+ 主要通过质流转移到植物根表面。 Ca 2+ 进入植物根系细胞 , 在根系中进行横向短距离运输进入木质部。 该过程中 Ca 2+ 需要穿越
10、内皮层和木质部薄壁细胞组织 , 由于根内皮层细胞壁上木栓化的凯氏带可阻止Ca 2+ 的质外体运输 (Moore et al., 2002) , 因此钙的吸收主要发生在尚未形成凯氏带的根尖和侧根形成部位(White, 2001) , 同时发现部分 Ca 2+ 可以由此通过离子通道流进内皮层细胞而转入共质体并到达木质部薄壁细胞组织 (Cholewa and Peterson, 2004; Yang and Jie,2005) , 其由木质部薄壁细胞组织进入中柱质外体可能需要 Ca 2+ -ATPase 的驱动 ; 还有一些 Ca 2+ 由内皮层细胞运出 , 沿内皮层内侧的质外体途径进入木质部导管(
11、White, 2001; Yang and Jie, 2005) 。 根系维管束组织钙素吸收可能利用共质体 ( 胞间连丝 ) 和质外体两种途径 ,而钙离子通道、 Ca 2+ -ATPase 和 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白等可能参与了根系细胞对钙的吸收 (White, 2001) 。花生荚果生长所需的钙素 90% 以上由果针 ( 荚果 ) 直接从土壤中吸收 , 果树和果菜类果实缺钙并非因为土壤供钙不足 , 而是由于果实蒸腾作用弱导致由此运入果实中的钙较少 , 因此 , 有针对性地将钙施至幼果 , 并辅之以植物激素促进果实钙素吸收是果实补钙的可行途径。采用 45 Ca 显微放射自显影结合电
12、子探针和特异抑制剂 ,周卫等 (1995) 研究并提出了花生荚果的钙吸收机理 , 发现 Ca 2+ 是以共质体途径在组织及细胞间运输 , 外果皮周皮层和中果皮纤维细胞层对 Ca 2+ 的质外体运输有一定阻碍作用。 周卫等采用 45 Ca 示踪等方法还研究了苹果幼果钙素吸收及激素调控特点 , 发现施于叶片的钙极少向果实转移 , 因此应有针对性地将钙直接施至幼果上 , 适宜的施钙时期为幼果形成后 1 个月内 ( 落花后 3 - 4 周 ) , 此外萘乙酸能促进果实的钙吸收 ( 周卫等 , 1999) 。 由此Zhou 等 (2000) 提出了果面营养与钙养分的非维管束吸收概念。 果面营养是指对于植
13、物体内移动性差和主要随蒸腾流进行长距离运输的养分 , 利用根系营养和叶面营养 难以满足结实部位 ( 果实、 荚果等 ) 对该养分的需求 ,必须依靠果面 ( 果实、 荚果等 ) 由非维管束吸收途径 ( 有别于根系维管束的养分吸收 ) 直接从外部介质中吸收补充该养分。 对于果实和荚果类植物 , 钙是典型的适于果面营养和利用果面非维管束吸收途径的养分。 除花生荚果及果树和蔬菜果实类植物 , 其它作物如块根、 块茎类、 瓜类和豆荚类均涉及果面营养和钙养分非维管束吸收问题。 这一概 念的提出 , 将为果树以及果菜类和包心叶菜类蔬菜的高效补钙提供理论依据和新的 有效途径。764 植物学通报 24(6) 2
14、0073 植物细胞对钙的运输细胞质中浓度过高的游离 Ca 2+ 可与磷酸盐形成沉淀 , 干扰与磷代谢有关的过程 , 妨碍正常的信号转导 , 对植物生长不利。 植物细胞内存在精细的调节机制 , 既能使细胞质中游离 Ca 2+ 浓度迅速升高以响应环境变化 , 又能使其维持基态条件下的低浓度 , 这些精细的调节机制主要通过体内的 Ca 2+ 转运系统来实现 , 包括胞质 Ca 2+ 外流系统 , 即 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白和 Ca 2+ -ATPase , 以及Ca 2+ 进入胞质的内流系统 , 即钙离子通道 ( 尚忠林等 ,2003; Hetherington and Brownlee
15、, 2004; Wang et al.,2006) 。 这些 Ca 2+ 转运系统对于植物从外界生长介质中吸收钙以及钙的运输和分配具有重要作用 (White andBroadley, 2003) 。 Ca 2+ 的细胞质运出主要由 Ca 2+ -ATPase 和 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白完成 , 需要腺苷三磷酸 ( adenosine triphosphate, ATP) 水解提供能量或质子梯度驱动 (Sze et al., 2000; Hirschi, 2001) 。 Ca 2+ 的细胞质进入则主要通过离子通道途径进行 , 是一个本身不需要能量的被动过程 (White, 2001)
16、 。 图 1 显示了拟南芥中已知的 Ca 2+ 运输蛋白及其亚细胞定位。3.1 胞质 Ca 2+ 外流系统 : Ca 2+ /H + 反向转运蛋白和Ca 2+ -ATPase3.1.1 Ca 2+ -ATPaseCa 2+ -ATPase 也称 Ca 2+ 泵 (calcium pump) , 几乎存在于植物细胞中所有的膜系统上 , 包括质膜、 液泡膜、 内质网膜、 线粒体膜、 质体和叶绿体膜以及核膜等(White and Broadley, 2003) 。 其分布与植物的种类和组织特异性有关。 Ca 2+ -ATPase 对 Ca 2+ 有较高的亲合性 (Km=0.2 - 1.0 mol .
17、L - 1 ) , 但运输能力低 (Hirschi,2001; Pottosin and Sch nknecht, 2007) 。 Ca 2+ -AT-Pase 存在两种构像状态 , E1 态 ( 对 Ca 2+ 亲和性高 ) 和 E2态 ( 对 Ca 2+ 亲和性低 ) 。 E1 和 E2 通过与 Ca 2+ 的结合及释放 , 进行不同的反应 , 伴随其天冬氨酸 ( aspartic acid,Asp) 的磷酸化而将 ATP 的能量贮存入蛋白质中 , 并在以后的水解过程中将能量释放出来。 细胞质内 Ca 2+ 浓度的微弱变化能够激活 Ca 2+ -ATPase , 其通过水解 ATP 提供能
18、量把 Ca 2+ 主动从胞质运输到胞外或细胞器中 , 因此在调节胞内 Ca 2+ 稳态时起到一种灵敏的微调作用(Hetherington and Brownlee, 2004) 。Ca 2+ -ATPase 属于 P- 型 ATP 酶 , 根据其蛋白质氨基酸序列和生化特征方面的差异分为两个家族 : P IIA 与P IIB (Sze et al., 2000; Axelsen and Palmgren, 2001),又分别称为内质网 (ER) 型 Ca 2+ -ATPase(ER-type cal-cium ATPase, ECA) 和自抑制的质膜 (PM) 型 Ca 2+ -AT-Pase
19、(autoinhibited calcium ATPase, ACA) 。 ER 型Ca 2+ -ATPase 对底物 ATP 有专一性 , 不受钙调素(calmodulin, CaM) 蛋白激活 , 但被 CPA (cyclopiazonicacid) 专性抑制 ; PM 型 Ca 2+ -ATPase 对底物没有专一性 ,除了 ATP 外还能水解 GTP 和 ITP 等 , 并且受 CaM 激活调控 , 不被 CPA 专性抑制 (Axelsen and Palmgren,2001; Baxter et al., 2003) 。 ER 型 Ca 2+ -ATPase 分布于内质网、 液泡膜和
20、质膜上 , 而 PM 型 Ca 2+ -ATPase的分布几乎囊括了细胞内所有的膜系统 (Sze et al.,2000; Axelsen and Palmgren, 2001; Baxter et al.,2003) 。 研究发现在玉米中有一种 Ca 2+ -ATPase 兼有ER 和 PM 型 Ca 2+ -ATPase 的特征 (Subbaiah andSachs, 2000) 。目前植物中已克隆出的编码 P IIA 型 Ca 2+ -ATPase 的基因包括拟南芥的 AtECA1-AtECA4 (Axelsen andPalmgren, 2001) 、 番茄的 LCA1 (Wimmer
21、s et al.,1992; Navarro-Avino et al., 1999) 和水稻的 OCA1(Chen et al., 1997) 等。 Wimmers 等 (1992) 对 LCA1的蛋白结构分析 结果表明 , LCA1 由 1 048 个氨基酸残基组成 , 分子量约为 116 kDa, 含有 8 个跨膜区 , 在其第 450 - 750 位氨基酸残基间存在 1 个胞质环。 Liang等 (1997) 发现 AtECA1 所编码的多肽分子量约为 106kDa, 含有 10 个跨膜区 , 其中跨膜区域 4 (TM4) 和跨膜区域 5 (TM5) 间有 1 个天冬氨酸磷酸化位点和 2
22、 个 ATP结合位点。已经克隆出的编码植物 P IIB 型 Ca 2+ -ATPase 的基因包括拟南芥的 10 个 AtACA 基因 (Axelsen andPalmgren, 2001; Baxter et al., 2003) 、 花椰菜的BCA1 基因 (Malmstr m et al., 1997) 以及在水稻中发765周卫等 : 植物钙吸收、 转运及代谢的生理和分子机制图 1 拟南芥中 Ca 2+ 运输蛋白的亚细胞定位示意图 (White and Broadley, 2003)细胞质膜上存在超极化 Ca 2+ 通道 (HACC, 可能由膜联蛋白基因编码 ) , 去极化 Ca 2+
23、通道 (DACC, 其中一类可能由 TPC1 基因编码 ) , 质膜外向整流的 K + 通道 (KORC , 由 SKOR 和 GORK 基因编码 ) , 电压不敏感的 Ca 2+ 通道 (VICC, 可能由 CNGC 和 GLR 基因编码 ) 和 Ca 2+ -ATPases( 如 ACA8) 。 生化和电生理证据显示 , 液泡膜上存在 IP 3 受体、 IP 6 受体、 cADPR 激活受体以及两类电压门控 Ca 2+ 通道 , 包括去极化激活慢速液泡通道 (SV) 和超极化激活 Ca 2+ 通道 , Ca 2+ -ATPases( 包括 ACA4) 以及由 CAX 基因编码的 H + /
24、Ca 2+ 反向转运蛋白。内质网膜上存在 NAADP 受体、 IP 3 受体、 cADPR 激活受体 , 去极化激活 Ca 2+ 通道以及 Ca 2+ -ATPases( 包括 ECA1 和 ACA2) 。 Ca 2+ -ATPase ACA1 则位于质体内膜上。Figure 1 The subcellular location of Ca 2+ transporters in Arabidopsis thaliana (White and Broadley, 2003)In the plasma membrane there are hyperpolarization-activated C
25、a 2+ channels (HACC, possibly encoded by annexin genes), depo-larization-activated Ca 2+ channels (DACC, one of which may be encoded by TPC1 ), Ca 2+ -permeable outward rectifying K + chan-nels (KORC, encoded by SKOR and GORK ), voltage-insensitive cation channels (VICC, probably encoded by the CNGC
26、 and GLRgenes) and Ca 2+ -ATPases (one of which is ACA8). Biochemical and electrophysiological evidence indicates that IP 3 -receptors, IP 6 -receptors, cADPR-activated (ryanodine)-receptors and two types of voltage-gated Ca 2+ channels (the depolarization-activatedSV channels and the hyperpolarizat
27、ion-activated Ca 2+ channels) are present in the tonoplast together with Ca 2+ -ATPases (includingACA4) and H + /Ca 2+ -antiporters encoded by the CAX genes. There is also biochemical and electrophysiological evidence for thepresence of NAADP-receptors, IP 3 -receptors, cADPR-activated (ryanodine)-r
28、eceptors and depolarization-activated Ca 2+ channelsin the endoplasmic reticulum (ER), together with Ca 2+ -ATPases (including ECA1 and ACA2). The Ca 2+ -ATPase ACA1 is located inthe plastid inner membrane.766 植物学通报 24(6) 2007现的 11 个基因 (Baxter et al., 2003) 等。 拟南芥 ACA2在酵母中的功能性表达结果显示 , 该蛋白受到 Ca 2+ /C
29、aM的调控 , 而且 CaM 结合区位于其 N 末端的第 36 位氨基酸残基处 , 基因序列及蛋白 N 末端的酶解生化分析也证实了 N 末端的自抑制功能。 BCA1 蛋白 N 末端结构(Ala19-Leu43) 为 CaM 结合区 (Evans and Williams,1998) 。 拟南芥 ACA4 的氨基酸序列与花椰菜 BCA1 有很高的同源性 , 其定位于细胞膜内侧 , 分子量约为 111 -116 kDa , 含有 10 个跨膜区 (Harper et al., 1998) 。 萘磺化的 CaM 荧光测定结果表明 , CaM 与 ACA4 的 N 末端进行相互作用。 盐胁迫下 ACA
30、4 在钙信号传递中发挥作用 , 对该蛋白的特异性修饰引起拟南芥的盐敏感性发生改变 (Harper et al., 1998) 。 CaM 可以激活 Ca 2+ -ATPase , 而蛋白激酶 C(protein kinase C, PKC) 能将Ca 2+ -ATPase 磷酸化从而抑制 CaM 的这种激活作用 , 但对 Ca 2+ -ATPase 本身并无抑制作用。 ACA2 定位于拟南芥内质网膜上 , 虽然受 CaM 激活 , 但被 Ca 2+ 依赖的蛋白激酶 (Ca 2+ -dependent protein kinase, CDPK) 的同系物 CDPK1 所抑制 , 同时也对 CaM
31、 的激活效应具有抑制作用 (Hwang et al., 2000) 。 La 3+ 离子能促进 Ca 2+ -ATPase 的磷酸化 (Chen et al., 1997; Hwang et al.,1997) 。3.1.2 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白Ca 2+ /H + 反向转运蛋白依赖 H + -ATPase 或 H + -PPase 产生的跨膜质子梯度来驱动 Ca 2+ 的运输 , 属于次级主动运输 (secondary active transport) 。 与 Ca 2+ -ATPase 相反 , Ca 2+ /H + 反向转运蛋白是低亲合 (Km=10 mol L - 1
32、)但运输能力强的载体 , 在胞质 Ca 2+ 浓度水平很高时发挥作用 (Shigaki and Hirschi, 2006; Pottosin andSch nknecht, 2007) 。 植物中第 1 个被克隆出来并进行功能表达的 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白是拟南芥的 CAX1(calcium exchanger 1) , 该蛋白为单链跨膜蛋白 , 含有8 个跨膜区和 1 个亲水中心区 , 富含酸性氨基酸残基(Hirschi et al., 1996) 。 CAX1 能在低 Ca 2+ 浓度水平下转运 Ca 2+ (Km=13 mmol L - 1 ) , 与燕麦根等液泡 Ca 2
33、+ /H + 反向转运蛋白具有一致的活性动力学曲线 (Hirschi etal., 1996) 。 Pittman 和 Hirschi (2001) 发现 CAX1 的活性受其 N 末端自抑制区调控。 在烟草中表达缺失 N 末端的 CAX1 可引起体内 Ca 2+ 水平的增加并伴有 Ca 2+ 逆转运活性的增加 , 但植物却表现出 Ca 2+ 亏缺症状。 此外 , 该植物还表现出对 K 和 Mg 的过敏感且对各种胁迫( 如盐和冷胁迫 ) 的敏感性增加。 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白定位于液泡膜和质膜上 (Hirschi, 2001, 2004) 。在拟南芥中已克隆出 12 个与 CAX1
34、 功能相似的基因 (Maser et al., 2001) 。 液泡膜上的 CAX2 除运输Ca 2+ 外 , 还能运输 Mn 2+ 和 Cd 2+ (Hirschi et al., 2000;Shigaki et al., 2003) 。 这些蛋白的亚细胞定位还有待进一步研究。 水稻 OsCAX1 基因编码 Ca 2+ /H + 反向转运蛋白 , 其根系中 OsCAX1 mRNA 的表达可被高浓度的Ca 2+ 诱导 (Kamiya et al., 2006) 。 OsCAX1 像 CAX2 一样能转运 Ca 2+ 和 Mn 2+ (Kamiya and Maeshima,2004) 。 Ch
35、eng 等 (2002a) 将编码拟南芥反向转运蛋白的 CAX4 基因转入番茄植株中 , 可以促进植株对钙的吸收 , 植物体内 Ca 2+ 浓度增加 , 同时保存货架期延长。3.2 Ca 2+ 进入胞质的内流系统 : Ca 2+ 通道3.2.1 细胞质膜上 Ca 2+ 通道目前发现在植物细胞质膜上主要有 2 种钙离子通道 : 一类是电压依赖型 (voltage-dependent) 钙离子通道 , 可分为去极化钙离子通道 (depolarization-activated cationchannel , DACC) , 超极化钙离子通道 (hyperpolarization-activated
36、 cation channel , HACC); 另一类是牵张激活(stretch-activated) 钙离子通道 (White, 2000; 尚忠林和孙大业 , 2002; Demidchik et al . , 2002; White andBroadley, 2003) 。3.2.1.1 电压依赖型钙通道一般来说 , 高等植物细胞质膜内外存在 - 120 - 180 mV范围的电势差 ( 外正内负 ) 。 许多生理性刺激因素 , 如结瘤因子、 生长素、 脱落酸、 光以及植物毒素等都可以使植物细胞质膜电位迅速发生变化 , 随后胞质 Ca 2+ 浓度升高 , 产生特定反应 , 这些刺激因素
37、有可能通过质膜上的电压依赖型 Ca 2+ 通道完成信号转导 (Pei et al., 2000;767周卫等 : 植物钙吸收、 转运及代谢的生理和分子机制Miedema et al., 2001; 尚忠林和孙大业 , 2002; Whiteand Broadley, 2003) 。细胞质膜上多数去极化激活的钙离子通道 (DACC)在膜电位去极化高于 - 150 - 100 mV 时被激活 , 而细胞质膜的去极化通常由阳离子 ( 如钾离子 ) 内流引起(White and Broadley, 2003) 。 Thuleau 等 (1994) 用膜片钳技术首次在高等植物胡萝卜悬浮培养细胞质膜上发现
38、去极化激活钙通道 , 这些通道对 Ca 2+ 比对 K + 有更高的通透性 , 同时对 Mg 2+ 及 Ba 2+ 也有很高的通透性 , 该通道对不同阳离子的选择性顺序为 Ba 2+ Sr 2+ Ca 2+ Mg 2+ Mn 2+ , 同时也允许某些一价阳离子通过。 植物质膜上外向整流的 K + 通道 (outward-rectifying channels ,KORCs) 也被证实为去极化激活的内向钙离子通道(White et al., 2002) 。 该通道在膜电位高于 - 5 0 mV时才被激活 , 允许 K + 外流 , 也可以通透 Ca 2+ , 促进胞质中 Ca 2+ 水平的升高
39、, 从而进一步促进 K + 的外流 , 这种反馈调节可能在 K + 向木质部的装载过程中起重要作用 (DeBoer, 1999) 。 拟南芥及胡萝卜悬浮细胞原生质体中的去极化激活钙通道活性可以被细胞骨架所调控 , 微管解聚后其活性增加 (Thion et al., 1996, 1998) 。超极化激活的细胞质膜钙通道 (HACC) 在膜电位水平超极化到低于 - 150 - 100 mV 时被激活。 利用膜片钳电生理技术在拟南芥根 (Foreman et al., 2003) 、 叶肉细胞 (Stoelzle et al., 2003) 、 气孔保卫细胞 (Pei etal., 2000; Mu
40、rata et al., 2001) 、 番茄悬浮细胞(Blumwald et al., 1998) 和洋葱表皮细胞 (Pickard andDing, 1993) 等材料上记录到超极化激活的钙通透性通道 , 这类通道除了对 Ca 2+ 有通透性外 , 对其它的二价阳离子 Ba 2+ 、 Mg 2+ 、 Mn 2+ 、 Cd 2+ 及 Zn 2+ 也同样具有通透性。 在拟南芥根毛细胞中这类通道的激活引起胞质中 Ca 2+ 浓度升高 (Very and Davis, 2000) 。 在根毛和花粉管的顶端及根伸长区 , 超极化激活的钙通透性通道受胞内钙水平的激活 , 属于正反馈调控 , 从而获取并
41、维持细胞延伸所需要的胞质 Ca 2+ 浓度变化 (White andBroadley, 2003) 。 在植物受重力、 触摸或弯曲等诱导的形态建成中 , 机械敏感型超极化激活的钙通透性通道可能发挥作用。 脱落酸 (abscisic acid, ABA)(Schroeder et al., 2001) 、 活性氧 (Foreman et al.,2003) 、 激发子 (Kl sener et al., 2002) 和蓝光 (Stoelzleet al., 2003) 可以促进和调控超极化激活的钙通道活性(Dreyer et al., 2004) 。3.2.1.2 牵张激活的钙通道Cosgrov
42、e 和 Hedrich (1991) 在蚕豆保卫细胞质膜上发现了对牵张刺激敏感的 Ca 2+ 通道。 这类通道受到机械张力的调控 , 在没有外加张力的情况下 , 通道不开放。 牵张激活的通道平均开放时间较短 , 对离子选择性较严格 ,电流幅度较低。 Zhang 等 (2007) 研究发现 , 渗透势对全细胞水平通道的激活作用至少部分通过牵张激活的钙通道来介导。 微丝参与了对蚕豆保卫细胞牵张激活钙通道的调控 , 微丝解聚后通道被激活。 在洋葱表皮细胞中也发现了一种机械敏感性钙离子通道 (Ding andPickard, 1993) , 该通道对牵张刺激的敏感性受温度、电势、 生长素及酸碱度影响与
43、调节。 牵张激活的钙离子通道可能与某些刺激因素 , 如膨压、 触动、 Al 离子胁迫以及向地性等相关 , 并导致细胞内 Ca 2+ 水平的升高(Ding et al., 1993; Pickard and Ding, 1993) 。3.2.2 液泡膜上 Ca 2+ 通道植物的液泡是细胞内贮量最大的钙离子库 , 其游离 Ca 2+水平在 1.5 - 2.3 mmol L - 1 之间 , 比细胞质中高出约1 000 个数量级 (Pottosin and Sch nknecht, 2007) 。当受到刺激时液泡膜上的钙离子通道释放钙离子到细胞质中 , 提高胞质的 Ca 2+ 水平。 液泡膜上有 2
44、 类 Ca 2+ 通道 , 一类是电压依赖型 , 受液泡膜两侧膜电位控制 , 当液泡内与细胞质之间的膜电势差为正值时 , 通道被打开 ; 另一类是配位体激活 (ligand activated calcium channel)型 , 包括受环腺苷二磷酸核糖 ( cyclic ADP-ribose,cADPR) 激活的 Ca 2+ 通道和受三磷酸肌醇 (inositol 1,4,5-triphosphate , IP 3 ) 激活的 Ca 2+ 通道 ( 尚忠林等 , 2003;Martinoia et al., 2007; Pottosin and Sch nknecht,2007) 。3.2
45、.2.1 液泡膜上电压依赖型 Ca 2+ 通道768 植物学通报 24(6) 2007液泡膜电位一般在 0 mV 到 - 30 mV 之间 (Walker etal., 1996) 。 利用放射性同位素和膜片钳技术研究发现 ,Beta vulgaris 主根 (Johannes and Sanders, 1995) 和蚕豆保卫细胞 (Allen and Sanders, 1994a, 1994b) 液泡膜上的电压依赖型 Ca 2+ 通道在液泡膜电压接近于 0mV 时保持关闭状态 ; 在体内生理水平的电势范围内 , 当细胞质比液泡中带有更多的负电荷 ( 超极化 ) 时 , 通道被激活。 此类通道
46、对 Ca 2+ 的通透性超过 K + , 而 Gd 3+ 可以显著抑制其活性 , 降低这类通道的开放频率。 液泡中Ca 2+ 浓度和 pH 的变化可以影响该通道对膜电压变化的敏感性 (Pottosin and Sch nknecht, 2007) 。液泡膜上另外一类电压依赖型钙通道被称为慢液泡通道 (slow vacuole calcium channel, SV) (Wherrettet al., 2005; Pottosin and Sch nknecht, 2007) 。 该通道不仅具有电压依赖性 , 同时也有时间依赖性 , 是一种激活慢 , 失活也慢 , 开放时间较长的离子通道。 SV
47、 通道具有强烈的整流性质 , 当刺激电位为正值时 , 通道被激活。 SV 通道为阳离子选择性通道 , 许多一价阳离子(K + 、 Na + 和 Cs + ) 和二价阳离子 (Ca 2+ 、 Mg 2+ 和 Ba 2+ )都可以通过此通道 (Pottosin and Sch nknecht,2007) 。 胞质中 Ca 2+ 浓度的升高或液泡内 Ca 2+ 浓度的降低以及胞质碱化或液泡内容物酸化均可以使该类通道在液泡生理膜电位下开放。 胞质中 Ca 2+ 浓度对其的调控可能是一个防止胞质中 Ca 2+ 浓度过分升高或改变胞质中 Ca 2+ 浓度的动力学过程。 此类通道还受到钙依赖的磷酸化作用调控
48、 , 同时其活性可以被 14-3-3 蛋白所抑制 (Sanders et al., 1999; White and Broadley, 2003) 。3.2.2.2 液泡膜上配位体激活的 Ca 2+ 通道配位体活化的 Ca 2+ 通道只存在于液泡膜上 , 包括三磷酸肌醇 (IP 3 ) 激活的 Ca 2+ 通道 (IP 3 -activated Ca 2+ releasechannels) 和环腺苷二磷酸核糖 (cADPR) 激活的 Ca 2+ 通道 (cADPR-activated Ca 2+ release channels) 。Alexandre 等 (1990) 用膜片钳技术在甜菜中发
49、现 IP 3 能够动员液泡中 Ca 2+ 的释放 , 进一步的研究表明 , IP 3 可以激活甜菜根系细胞液泡膜上的 Ca 2+ 通道 , 其半饱和常数约为 220 nmol L -1 。 该通道具有强烈的内向整流性质 , 对Ca 2+ 选择性极高 , Ca 2+ 与 K + 的通透比超过 100 : 1; 当胞质内侧的 Ca 2+ 浓度为 5 mmo L -1 时 , 其单通道电导为 30pS 。 Brosnan 和 Sanders(1990) 发现肝素可以抑制 IP 3对甜菜液泡膜上钙离子通道的激活 , 从而降低了 Ca 2+ 从液泡向胞质内的释放。 植物细胞也含有与动物细胞中特性极其相似的 IP 3 受体 (Allen and Sanders, 1994b) 。IP 3 激活的钙通道可能参与了植物体内许多重要的生理调节过程 , 如气孔的开关 (Israelsson et al., 2006) 、 渗透调节 (Allen and Sanders, 1994a) 以及花粉管的生长(Monteiro et al., 2005) 等。环腺苷二磷酸核糖 (cADPR) 刺激甜菜液泡
