植物中的钙调素

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第1014页（3415字）

外界环境对植物生命活动有着广泛而深刻的影响。

植物只有有效地适应不断变化的环境才能生存。随着植物中钙调素(calmodulin)的发现，以及Ca²⁺作为第二信使理论的确立，植物如何感受和传递环境变化的信息开始逐步得到解答。植物钙调素的重要性在于它与Ca²⁺结合后可以调节细胞内多种酶的活性和生理过程。

Ca²⁺和钙调素已被确认是植物中偶联外界刺激与细胞生理反应的信使系统。

1978年，安德森(J．M．Anderson)等发现植物中有类似动物钙调素的蛋白因子；1980年，他们纯化了这种因子并通过详细的理化性质比较研究鉴定该因子为植物钙调素。

钙调素是一种酸性的、耐热的、很保守的钙调节蛋白。

用SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定植物钙调素的分子量，有Ca²⁺时约15000000，无Ca²⁺时则为17000000～19000000。钙调素分子有4个Ca²⁺结合部位。

钙调素与Ca2⁺结合后发生构象变化，形成有活性的Ca²⁺－钙调素复合物。该复合物可与一些酶结合并激活它们。各种植物钙调素都能激活牛脑环腺苷酸磷酸二酯酶。植物中受Ca²⁺和钙调素调节的酶有NAD激酶、Ca²⁺－ATP酶、H⁺－ATP酶、奎尼酸氧化还原酶，以及某些蛋白质激酶。

钙调素对酶的激活作用可被一些药物如苯噻嗪抑制。这些药物作为钙调素拮抗剂可用于探索钙调素参与调节的生理过程。由钙调素拮抗剂了解到钙调素参与调节的植物生理过程有光合作用、植物激素作用、光敏色素有关的生理反应、向重力性生长、呼吸作用、气孔开闭、衰老以及酶分泌等。

细胞中的钙调素分布的研究是探讨钙调素生理功能的基础。

1982年，武藤用酶法和放射免疫分析法对小麦叶细胞的测定资料表明，钙调素主要存在于细胞溶质部分(88．0%)，少量的钙调素存在于线粒体(7．8%)、叶绿体(3．6%)和微粒体中(0．6%)。1984年，比鲁(R．L．Biro)等发现燕麦黄化苗的细胞核和细胞壁中存在钙调素。

1989年，柯林治(M．Collinge)等证明钙调素存在于豌豆细胞质膜中。一般认为钙调素在细胞中的广泛分布是钙调素功能多样性的反映。

Ca²⁺一钙调素复合物对酶活性的调节，既可通过Ca²⁺水平的变化来进行，也可在Ca²⁺浓度不变情况下通过钙调素水平的变化来进行。因而细胞中钙调素水平的变化是钙调素参与调节细胞功能的一个重要方面。1989年，埃尔南德斯·尼斯塔尔(J．Herndndez-Nistal)等指出脱落酸和高温处理能分别降低和提高鹰嘴豆胚轴中的钙调素水平。1989年，耶拿(P．K．Jena)等研究了生长素和光对钙调素基因表达的影响，证明生长素可提高草莓果实中的钙调素mRNA水平，而光照则可提高玉米根中的钙调素mRNA水平。

1990年，布拉姆(J．Braam)等发现风吹、雨淋及触碰等刺激均可诱导拟南芥中钙调素基因的表达。可见钙调素在植物感受外界环境变化以及对这些变化作出反应的信息传导过程中具有十分重要的意义。

在植物生长发育及形态建成过程中，钙调素分布和钙调素水平的动态变化可能具有重要意义。

1989年，蒂默斯(A．C．J．Timmers)等指出胡萝卜体细胞胚胎发生过程中，在形态上出现极性变化以前已出现活性钙调素的极性分布变化。

1991年，科库西(M．Cocucci)等发现在种子萌发早期钙调素水平迅速提高，当种子萌发被光或高温抑制时钙调素的这种增加便不再出现。科库西等认为钙调素在种子萌发过程中具有重要的作用。

在植物钙调素基因研究方面，已经从大麦和马铃薯中分离出钙调素的cDNA克隆，并已完成顺序分析。钙调素的cDNA克隆已被用于研究植物组织中的钙调素mRNA水平。

1989年，林格(V．Ling)等发现大麦幼苗的各种组织中均有钙调素mRNA，种子和胚芽鞘与叶和根相比，含有较多的钙调素mRNA。1989年，耶拿(P．K．Jena)等指出马铃薯的各种组织中都可检测出钙调素mRNA，其中葡萄茎顶端钙调素的mRNA含量最高，这表明钙调素在块茎形成中起某种作用。钙调素cDNA作为探针，将被广泛地用于钙调素基因表达的研究中。

对于钙调素这种无酶活性的蛋白质，拮抗剂试验、酶激活分析法和免疫测定法是探索钙调素生理功能的重要方法。

钙调素拮抗剂已被广泛地用于研究植物中钙调素的作用。不过，钙调素拮抗剂除了能够以依赖钙离子方式同钙调素结合外，它们还能同其他一些生物分子发生作用并进而影响到细胞功能。因此，在拮抗剂试验中应尽可能采用低拮抗剂浓度以削弱其非特异效应。为了确认钙调素拮抗剂的特异性效应，还应该用对钙调素缺乏抑制作用的拮抗剂类似物作为阴性对照。

总之，由拮抗剂试验得到的结果一般是较为初步的，有待于生化方面的研究来进一步确证。

根据钙调素能够激活一些酶的活性，通过测定某一特定酶(例如NAD激酶)的激活活性，便可以确定植物组织中有无钙调素以及钙调素含量的多少。这种研究钙调素的方法被称为酶激活分析法。该方法测出的是活性钙调素。

植物中常有一些抑制钙调素激活酶活性的抑制因子或钙调素结合蛋白，它们的存在会导致酶激活分析法的测定值偏低。

免疫测定法是以钙调素抗体为探针研究钙调素的分布、水平和功能的方法。虽然钙调素是一种高度保守的蛋白质，但不同来源钙调素的抗体对不同来源钙调素的亲和力仍是有差异的。对于植物钙调素，植物钙调素抗体的亲和力要大于动物钙调素抗体的亲和力。

因此，研究植物钙调素应尽可能使用植物钙调素抗体。钙调素抗体的专一性在免疫测定法中是至关重要的。

1991年，雅布伦斯基(P．P．Jablonsky)等研制成功植物钙调素单克隆抗体。

田于单克隆抗体比多克隆抗体的专一性更强，植物钙调素单克隆抗体将成为阐明植物钙调素生理功能的有力工具。

钙调素偶联外界刺激与细胞生理反应是通过与细胞中的多种效应分子相互作用来完成的。这些效应分子包括钙调素调节的酶以及钙调素结合蛋白等。

进一步的工作将会鉴定出植物中新的受钙调素调节的酶。依赖钙调素的一类蛋白质激酶通过磷酸化其底物蛋白可调节多种细胞功能。

因此，纯化钙调素调节的蛋白质激酶和其作用的底物进而阐明这些底物的功能将是植物钙调素研究中的一个活跃领域。识别、鉴定植物钙调素结合蛋白方面的工作亦可望全面展开。在植物中构建钙调素突变系统，结合基因转移技术，将使植物钙调素功能研究跃上新台阶。

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【参考文献】：

1 Piazza GJ. Calcium Binding Proteins, 1988,127～143

2 Jena P K.et al. Proc Natl Acad Sci USA, 1989,86: 3644-3648

3 Ling V,et al. Plant Physiol, 1989,90:714 ～ 719

4 Braam J,et al. Cell, 1990.60:357～364

5 Cocucci M,et al. Physiol Plant, 1991,82:143 ～ 149

6 Jablonsky P P,et al Plant Sci, 1991,76:175 ～ 184

7 李家旭，等．植物学报，1992，34：257～263

(河北师范大学李家旭撰)