植物MAPK信号转导通路研究进展

王利美; 林丹; 翟晓巧

【期刊名称】《《河南林业科技》》 【年(卷),期】2019(039)003 【总页数】4页(P17-20)

【关键词】丝裂原活化蛋白激酶; MAPK信号转导通路; 生长发育; PrI; ETI 【作 者】王利美; 林丹; 翟晓巧

【作者单位】河南农业大学泡桐研究所 郑州450002; 河南省林业科学研究院 郑州450008

【正文语种】中 文 【中图分类】Q945.8

相对于动物而言，植物不能自由移动，被限制在特定环境内度过一生，并且时时刻刻承受着各种外界和内部信号因子的制约。为适应多变的环境，植物体逐渐进化出一套特有机制。蛋白质磷酸化调节蛋白质活性和功能，是植物体内重要的调控机制。蛋白质磷酸化指在激酶作用下将ATP的磷酸基转移到底物氨基酸残基（S/T/Y）上的过程[1]。蛋白质磷酸化普遍存在于生物体内，主要参与细胞外到细胞内的信号转导途径。真核生物内，广泛存在一类高度保守的信号转导通路，即MAPK级联途径[2]。研究表明，MAPK信号转导通路几乎涉及植物生长发育的各个方面，以及植物对病原物入侵在内的各种环境刺激的反应[3]。

植物中，MAPK信号转导通路通常由MAPKKK（MAP3K或MEKK）、

MAPKK（MKK或MEK）和MAPK（MPK）3部分组成。MAPKKK将MAPKK上氨基酸序列为S/TXXXXXS/T（X代表任何氨基酸）的S/T残基磷酸化，随后MAPKK将MAPK上氨基酸序列为TXY的T和Y残基磷酸化，MAPK作用于下游激酶或转录因子等，使信号向下游传 递[4]。

在拟南芥MAPK通路3组分中，MAPKKK被发现和鉴定到的最多，达80个，包含Raf、 MEKK和ZIK 3类；MAPKK数量最小，只有10个，是一类双重特异性激酶，依据氨基酸序列比对，可分为A（MKK1/2/6）、B（MKK3）、C（MKK4/MKK5）、D（MKK7/8/9/10）4组，C、D两组不含内含子；MAPK则有20个，在连接上游元件与下游应答因子中起重要作用，以其被修饰序列TXY可被分为TEY和TDY（植物特有）两类。TEY类则包括A、B、C三组，TDY为D组。在MAPK通路中，多个MAPKKK可激活同一个MAPKK，同一个MAPKK可作用于不同的MAPK，表明在MAPK信号转导通路中，位于中部的MAPKK在该通路中既作为聚集点又作为分支点[4]。近年来对于MAPK的研究较为深入，多项研究表明，其广泛参与植物生长发育和防御过程。

在植物的生长发育中，需要各细胞、组织和器官间的精准协调[5]。细胞表面受体参与细胞间以及细胞与外界信号间的交流。在植物配体与受体结合中，蛋白质磷酸化几乎参与所有细胞信号转导机制过程。近年来研究表明，拟南芥中富含亮氨酸重复序列类受体蛋白激酶（RLK）至少有600个，大多数参与植物的生长发育过程[6]。MAPK信号转导通路位于RLKs下游，在生长发育及器官发生中起核心作用。

在植物体生长发育中，气孔是与外界水分和气体交换的重要通道，影响个体新陈代谢、温度及干旱胁迫等过程，目前，气孔发生已成为植物学领域炙手可热的研究对象。植物体分泌的多肽表皮模式因子（EPFL）家族作为气孔发生信号转导过程中的配体，以RLK为受体接受胞外信号，通过MAPK信号转导通路，磷酸化下

游底物SPCH，进而调控气孔发生[7]。参与气孔发育的EPFL有EPF1/2、CHAL和STOMAGEN。最具代表性的气孔发生RLK是TMM和ERf家族的ER、ERL1和ERL2，其突变将导致气孔分布异常，形成气孔簇[8]。调控气孔发生的MAPK信号转导通路模块为YODA-MKK4/5/7/9-MPK3/6[7]。YODA是一个MAPKKK。其中，YODA-MKK4/5-MPK3/6信号转导模块对气孔发生起负调控作用[7]。SPCH作为关键转录因子，调控气孔发生[9]。在烟草中研究发现，只有在SCREAM存在下，SPCH与MAPK3/6才能相互结合，参与气孔发生过程[10]。 环境中的细菌、真菌、病毒、卵菌及线虫等时刻威胁着植物的生长发育，植物体为了克服这些病原物，形成一套周密的防御机制[11]。植物的防御机制主要包括两层：一层是非特异性防御机制，依赖模式识别受体（PRR）参与的由病原物相关分子模式（PAMP）诱导的PTI；另一层是特异性防御机制，由病原物分泌的效应蛋白诱导的ETI [12]。

在植物PTI中，PRR接收病原物信号后，将信号传至MAPK通路中。具代表性的PRR包括：细菌延伸因子EF-Tu蛋白受体EFR、细菌鞭毛蛋白受体FLS2和真菌几丁质受体Os CEBiP-Os CERK1。

在PAMPs作用下，FLS2和EFR与一种RLK受体激酶BAK1结合，形成二聚体以激活免疫反 应[13]。拟南芥中，flg22和efl18能够激活

MAPK3/4/6/11[14]。当FLS2响应flg22信号时，MAPKKK1-MAPKK4/5-MAPK3/6通路被激活[15]，然而，有研究表明，经flg22感染植物后，

MAPKKK1突变体植株中MAPK3/MPK6仍然能被激活，即在FLS2介导的防御反应中，可能在信号传导中，MAPKKK1不是MAPKK4/5-MAPK3/6上游的作用元件[16]。Os CERK1与Os CEBiP形成受体复合物识别水稻真菌稻瘟菌，通过磷酸化Os RLCK185，激活MAPKKKε-MKK4-MAPK3/6途径，诱导应答因子促使抗病基因的表达[17]。

目前已证实，植物应对病毒的第1层次免疫响应为RNA沉默调控模式，未发现能够识别植物病毒核酸的PRR。病原卵菌中多种疫霉致使植物发生严重病害。致病疫霉（Phytophthora infestans）分泌蛋白INF1属于PAMP，其PRR为ELR-SOBIR1-SERK3复合体[18]。大豆疫霉病（Phytophthora sojae）中通过MEK2-SIPK/ NTF4（SIPK和NTF4均为MAPK） 和 MEK1-NTF6（NTF6为MAPK）通路参与植物防御机制PTI过程[19]。植物线虫是寄生于植物并引起植物病害的一类微型动物，胞囊线虫对绝大多数经济作物的生产造成严重危害，大豆胞囊线虫（Heterodera glycines）是其中最为严重的物种之一。Gm-EDS1作为大豆的受体蛋白参与PTI防御机制，其下游的MAPK3/4/5/6在防御机制中起重要作用[20]。 病原物通过分泌效应蛋白，以逃避个体PRRs识别过程。植物体特异的抗病（R）蛋白，用于识别效应蛋白，即防御机制ETI。ETI通常引起植物细胞过敏性坏死（HR）。

细菌中，AvrRpt2是最早发现的丁香假单胞菌效应蛋白之一。AvrRpt2特异地抑制flg22诱导的PTI中MAPK4/11的磷酸化，促进病原菌侵染[21]。水稻抗病信号传递中，MAPK6调控R蛋白中Pit参与的信号转导过程，表明MAPK6调控稻瘟菌激发的ETI过程[22]。

病毒的效应蛋白包括RNA沉默抑制子（RSS）和其他效应蛋白。植物中已鉴定到22 个R蛋白与病毒入侵有关。在烟草中TMV分泌的效应蛋白p50能够被被烟草中的N基因编码的蛋白（TIR-NB-LRR）识别，诱发植物的过敏反应，并且，在此过程中，需要ATP的参与[23]。因此，在TMV感染烟草时，p50可能作为配体，N蛋白可能作为其受体，通过NQK1-NRK1，将信号传至下游引发HR反应。大豆疫霉病中，MEKK2是效应蛋白Avh238诱发HR反应不可或缺的蛋白激酶[24]。Gm-NDR1作为R蛋白，通过MAPK3/16/20在大豆对大豆胞囊线虫的防御机制ETI中起重要作用[20]。

过去20年研究中，MAPK相关基因不断从植物中克隆获得，MAPK信号转导通路在调节植物生长发育及防御方面发挥的功能已得到证实。目前，人类已进入后基因组时代，虽然一些MAPK蛋白激酶的研究已获得新的突破，但是大多数研究只是简单的现象描述，要完全揭示其作用机理仍需要深入研究。因此，在植物中，关于MAPK信号转导通路的研究还存在很多问题。主要有以下几点：（1）仍旧有很多MAPK蛋白激酶的作用不得而知；（2）MAPKK及MAPKKK相关的蛋白激酶的研究寥寥无几；（3）各种蛋白激酶间的相互作用与其亚基间存在怎样的关系。这些将是科学家们面临的机遇与挑战，只有先清楚了解每个作用元件的功能和原理，才能揭示其在信号转导通路中的机制，以深入研究细胞中MAPK信号转导通路与其他信号通路间的关系。

【相关文献】

[1] 郑雪慧，赵国芬. serine/threonine蛋白激酶功能研究进展[J]. 畜牧与饲料科学，2013（5）：48-50.

[2] Hwa C M , Yang X C . The AtMKK3 pathway mediates ABA and salt signaling inArabidopsis[J]. Acta Physiologiae Plantarum, 2008, 30(3):277-286.

[3] Xu J , Zhang S . Mitogen-activated protein kinase cascades in signaling plant growth and development[J]. Trends in Plant Science, 2015, 20(1):56-64.

[4]姜生秀，李德禄. 植物丝裂原活化蛋白激酶级联信号转导通路研究进展[J]. 西北植物学报， 2016, 36（6）：1 278-1 284.

[5] 杨丹丹. 水稻OsMAPK15基因的克隆及功能的初步鉴定[D]. 新乡：河南师范大学， 2015. [6] Gish L A , Clark S E . The RLK/Pelle family of kinases[J]. The Plant journal : for cell and molecular biology, 2011, 66(1):117-127.

[7] Lampard G R, Lukowitz, W, Ellis, B. E, et al. Novel and Expanded Roles for MAPK Signaling in Arabidopsis Stomatal Cell Fate Revealed by Cell Type-Specific Manipulations[J]. Plant Cell, 2009, 21(11):3506-3517.

[8]周丽娟，陈尔娟，韩笑，等. 激素与气孔发育研究进展[J]. 西北植物学报，2015，35（4）：845-851.

[9]陈青云，李有志，樊宪伟. 植物气孔发育的分子调控机制[J]. 遗传，2017（4）：302-312. [10] A P, J R, A S, C Z, AL R, et al. Bipartite anchoring of SCREAM enforces stomatal

initiation by coupling MAP kinases to SPEECHLESS[J]. Nature Plants, 2019(5): 742-754. [11]林俐，吴健. 植物MAPK级联在逆境胁迫响应中的作用研究进展[J]. 分子植物育种，2018, 16（1）：280-288.

[12]刘少莉. 葡萄抗霜霉病相关基因VaHAESA和VaNPR1筛选及抗性机理研究[D]. 北京：中国农业大学，2018.

[13] Chinchilla D , Zipfel C , Robatzek S , et al. A flagellin-induced complex of the receptor FLS2 and BAK1 initiates plant defence[J]. NATURE, 2007, 448(7152):497-500.

[14] Roux M , Schwessinger B , Albrecht C , et al. The Arabidopsis Leucine-Rich Repeat Receptor-Like Kinases BAK1/SERK3 and BKK1/SERK4 Are Required for Innate Immunity to Hemibiotrophic and Biotrophic Pathogens[J]. Plant Cell, 2011, 23(6):2 440-2 455. [15] Asai T , Tena G , Plotnikova J , et al. MAP kinase signalling cascade in Arabidopsis innate immunity[J]. Nature (London), 2002, 415(6875):977-983.

[16] Gao M , Liu J , Bi D , et al. MEKK1, MKK1/MKK2 and MPK4 function together in a mitogen-activated protein kinase cascade to regulate innate immunity in plants[J]. Cell Research, 2008, 18(12):1190-1198.

[17] Wang, Chao, Wang, Gang, Zhang, Chi, et al. OsCERK1-Mediated Chitin Perception and Immune Signaling Requires Receptor-like Cytoplasmic Kinase 185 to Activate an MAPK Cascade in Rice[J]. Molecular Plant, 2017, 10(4):619-633.

[18] Domazakis E , Wouters D , Visser R G F , et al. The ELR-SOBIR1 complex functions as a two-component RLK to mount defense against Phytophthora infestans[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions, 2018, 31(8):795-802.

[19] Asai S , Ohta K , Yoshioka H . MAPK Signaling Regulates Nitric Oxide and NADPH Oxidase-Dependent Oxidative Bursts in Nicotiana benthamiana[J]. THE PLANT CELL ONLINE, 2008, 20(5):1390-1406.

[20] Mcneece B T , Sharma K , Lawrence G W , et al. The mitogen activated protein kinase (MAPK) gene family functions as a cohort during the Glycine max defense response to Heterodera glycines[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2019,137: 25-41. [21] Eschen-Lippold L , Jiang X , Elmore J M , et al. Bacterial AvrRpt2-like cysteine proteases block activation of the Arabidopsis mitogen-activated protein kinases, MPK4 and MPK11[J]. Plant Physiology, 2016, 171(3):2 223-2 238.

[22] Kawano Y , Akamatsu A , Hayashi K , et al. Activation of a Rac GTPase by the NLR Family Disease Resistance Protein Pit Plays a Critical Role in Rice Innate Immunity[J]. Cell Host & Microbe, 2010, 7(5):0-375.

[23] Ueda H , Yamaguchi Y , Sano H . Direct Interaction between the Tobacco Mosaic Virus Helicase Domain and the ATP-bound Resistance Protein, N Factor during the

Hypersensitive Response in Tobacco Plants[J]. Plant Molecular Biology, 2006, 61(1-2):31-45.

[24] Yang B, Wang, Qunqing, Jing, Maofeng, et al. Distinct regions of the\\\\r,

Phytophthora\\\\r, essential effector Avh238 determine its function in cell death activation and plant immunity suppression[J]. New Phytologist, 2017, 214(1):361-375.