Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐性调控的研究进展

Research Progress of Ca²⁺-ATPase Involved in Regulation of Plant Salt Tolerance

摘要

盐胁迫下细胞质Ca²⁺浓度升高，细胞会激活Ca²⁺调节的靶酶或者与Ca²⁺高度亲和的受体蛋白，其中，与Ca²⁺高度亲和的受体蛋白中，植物钙泵（Ca²⁺-ATPase）是P型ATP酶，包含内质网Ca²⁺-ATPases与质膜Ca²⁺-ATPases，通过主动运输将Ca²⁺从细胞质转移到质外体或细胞器。大量研究表明，植物的耐盐性在很大程度上与其维持钙泵即Ca²⁺-ATPase活性的能力有关。多种植物Ca²⁺-ATPase对盐胁迫表现出敏感性，并受到外源Ca²⁺的保护，表明外源钙处理与Ca²⁺-ATPase活性可能在盐胁迫下的细胞内钙稳态和信号转导中起重要作用。该研究概述了植物Ca²⁺-ATPase类型、结构与性质，亚细胞定位Ca²⁺-ATPase及外源钙与亚细胞定位Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控研究进展，重点对质膜、液泡膜、核膜、内质网及高尔基体Ca²⁺-ATPases参与植物耐盐调控的研究进展进行了综述，并提出展望。该研究为了解植物耐盐性生理及分子机制提供帮助，同时为作物耐盐栽培提供新思路。

Abstract

When cytosolic Ca²⁺ concentration is increased under salt stress， cells would activate Ca²⁺-regulated target enzymes or induce Ca²⁺ bind to Ca²⁺ high-affinity receptor proteins. Among them， plant Ca²⁺-ATPases are P-type ATPases， including endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase（ECAs） and plasma membrane Ca²⁺-ATPase（ACAs）； they are able to translocate Ca²⁺ from the cytosol to apoplast or compartmentalize Ca²⁺ in organelles. Numerous studies have shown that salt tolerance of plants is largely related to their ability to maintain the activities of calcium pump， namely Ca²⁺-ATPases. The activities of Ca²⁺-ATPases in various plant species were sensitive to salt stress； exogenous Ca²⁺ application can alleviate cell injury by salt stress， suggesting that exogenous calcium -mediated Ca²⁺-ATPase might play an important role in intracellular calcium homeostasis and signal transduction. Therefore， this review summarized the types， structures and properties of plant Ca²⁺-ATPase， and the involvement of Ca²⁺-ATPase of subcellular localization in plant response to salt tolerance and the research progress of exogenous calcium and Ca²⁺-ATPase in regulation on plant salt tolerance. It emphasized potential roles of Ca²⁺-ATPases of plant plasma membrane， tonoplast， nuclear membrane， endoplasmic reticulum and Golgi in regulation of salt tolerance in plants， and presented an outlook in the field. This work provided help for a better understanding of physiological and molecular mechanisms of plant salt tolerance and provided new ideas for crop salt-tolerance cultivation.

关键词

Ca²⁺-ATPase / 质膜 / 液泡膜 / 内质网 / 核膜 / 盐胁迫

Key words

Ca²⁺-ATPase / plasma membrane / tonoplast / endoplasmic reticulum / nuclear envelope / salt stress

盐胁迫对植物的生长发育产生明显的抑制作用^［1］。为了适应盐胁迫的渗透效应和离子效应，植物会激发Ca²⁺信号通路、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联和脱落酸（ABA）信号通路，以减少盐胁迫对植物细胞的损害^［2］。其中，依赖Ca²⁺的信号网络在植物应答盐胁迫中具有关键作用^［3-4］。

细胞质内Ca²⁺信号受质膜和内膜Ca²⁺渗透通道的开放驱动。盐胁迫如NaCl溶液使植物细胞质膜去极化^［5-6］，可能激活去极化激活的Ca²⁺通道（DACCs）介导Ca²⁺流入，而细胞质内Ca²⁺浓度升高也可能激活超极化激活的Ca²⁺通道（HACCs）^［6-7］。胡杨（Populus euphratica）原生质体中细胞质内Ca²⁺浓度明显升高，除了胞外Ca²⁺通过Ca²⁺可渗透的通道进入细胞质^［8］，由环状二磷酸腺苷核糖（cADPR）和肌醇（1，4，5）三磷酸酯（IP3）激活的配体门控的Ca²⁺渗透性通道也有助于液泡Ca²⁺释放^［9］。已有大量研究证实，InsP3和cADPR能调控Ca²⁺通道介导储存库中Ca²⁺的释放^［10］。

逆境胁迫下细胞质Ca²⁺浓度如果持续升高，会导致蛋白质和核酸聚集和磷酸盐沉淀，从而导致细胞死亡^［11］。为了维持细胞质Ca²⁺的低浓度，细胞会激活Ca²⁺调节的靶酶或者与Ca²⁺高度亲和的受体蛋白，使细胞质Ca²⁺浓度恢复至平衡状态^［9］。钙泵（Ca²⁺-ATPase）已被证实可编码这些信息产生钙信号以响应外部刺激^［12］，而且Ca²⁺-ATPase是高亲和力但低容量的转运体，通过主动运输将Ca²⁺从细胞质转移到质外体或细胞器^［13-14］。已有研究^［15-16］表明，植物的耐盐性在很大程度上与其维持Ca²⁺-ATPase活性的能力有关。然而，人们对盐胁迫下植物Ca²⁺-ATPase的功能和调节机制仍知之甚少。因此，本研究概述植物Ca²⁺-ATPase类型、结构与性质，综述亚细胞定位Ca²⁺-ATPase及外源钙与亚细胞定位Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控研究进展，重点对质膜、液泡膜、核膜、内质网及高尔基体Ca²⁺-ATPases参与植物耐盐调控的研究进展进行综述，并对该领域下一步研究提出展望。

1 植物Ca²⁺-ATPase类型、结构与性质

1.1　Ca²⁺-ATPase的类型

Ca²⁺-ATPase是高亲和力和低容量的Ca²⁺转运体^［17］，它的主要作用是终止Ca²⁺介导的信号传递。植物Ca²⁺-ATPase是P型ATP酶，P型Ca²⁺-ATPase可被ATP直接激活^［18］。Ca²⁺-ATPase的主要作用是通过将Ca²⁺泵出细胞质来维持离子平衡。植物Ca²⁺-ATPase属于P2A型Ca²⁺-ATPases（内质网Ca²⁺-ATPases，ECAs）或P2B型自动抑制的Ca²⁺-ATPases（质膜Ca²⁺-ATPases，ACAs），它们有10个跨膜结构域^［19］。

1.1.1　内质网Ca²⁺-ATPase（ECA）

ECA为细胞器提供Ca²⁺，但很少有证据表明它们能够调节细胞质的Ca²⁺浓度。P2A型Ca²⁺-ATPase每水解1个ATP运输2个Ca²⁺或Mn²⁺离子，其N端和C端序列较短^［20］。

1.1.2　质膜Ca²⁺-ATPase（ACA）

在植物细胞中，每个ACA异构体都在质膜或细胞内膜中表达。ACA将Ca²⁺储存在细胞内部钙库中或排至细胞外，从而使细胞质中的Ca²⁺维持在很低的（微摩尔）浓度。ACA每水解1个ATP运输1个Ca²⁺，并配备了1个N端（在植物中）或C端（在动物中）的自抑制结构域，与钙调蛋白结合。当激活时，ACA对Ca²⁺的亲和力比ECA高，因此能够更有效地从细胞质中去除Ca^2+［20］。ACAs和ECAs的主要区别是它们对Ca²⁺的亲和力范围不同，ACAs在微摩尔范围，ECAs在亚微摩尔范围^［13］。

1.2　Ca²⁺-ATPase的结构

Ca²⁺-ATPase是具有10个跨膜结构的单多肽（1 000~1 100个氨基酸，110~125 kDa）^［19］。在蛋白质水平上，ACAs和ECAs都包含2个膜结构域（T-结构域与S-结构域，前6段T-结构域用于运输，其余4段S结构域用于辅助类支持结构并协调离子的结合）和3个细胞质结构域（磷酸化结构域即P-结构域、核苷酸结合结构域即N-结构域与驱动结构域即A-结构域）^［21］。N端结构域包含2个位点， 2个Ca²⁺-CaM分子以不同的亲和力与之结合。这些位点被8个氨基酸残基分开，因此2个CaM分子之间没有相互作用^［22］。细胞质的A-结构域、N-结构域和P-结构域对ATP的水解至关重要，而S-结构域和T-结构域则负责运输离子^［23］。P结构域是Ca²⁺-ATPase的催化中心，其序列为DKTGTLT，其中天冬氨酸（Asp）D残基在每个活性循环中被磷酸化。N-结构域位于P-结构域内，它的功能是结合ATP并使P-结构域磷酸化。N-结构域的结构在Ca²⁺-ATPase家族中是保守的，尽管其长度和序列有所不同（ECA为KGAxE，ACA为KGAPE）^［21］。 A-结构域是最小的细胞质结构域，将高度保守的Thr-Gly-Glu（TGE）序列置于磷酸化的P-结构域之上，从而保护2个高能磷酸键不被自发水解^［21］。 T-结构域有6个跨膜段，在催化周期中，随离子的结合-解离周期而移动。这个T-结构域在结构上得到S-结构域的支持，S-结构域也为额外的离子结合点提供侧链^［17］。

1.3　P型ATP酶离子转运机理

该酶是通过水解ATP获得能量，对阳离子和磷脂具有广泛特异性的一种重要的转运蛋白，其特征是形成磷酸化的中间体，故称为P型ATP酶^［24］。

所有P型ATP酶催化循环在2个极端构象之间交替：高亲和力（与ATP和转运的离子有关）酶1（E1）状态和低亲和力酶2（E2）状态。通常情况下，ATP的水解和离子运输在P型ATP酶中是紧密耦合的。因此，P型ATP酶在膜区的配体结合位点被占领后，就会立即水解结合的ATP。在E1构象状态下，P型ATP酶的第1个离子高亲和结合位点暴露于质膜的胞质一侧，与第1个离子结合后，位于活性位点的天冬氨酸残基被催化部位ATP磷酸化，并通过Mg²⁺-ATP触发酶的磷酸化，酶从E1-P到E2-P发生构象转变。在E2构象下，酶将结合的第1个离子暴露于细胞外表面，且第1个离子与其结合位点的亲和力大大下降，从而使第1个离子释放到细胞外。第2个离子从外面结合，在磷酸化的Asp水解后（E2-P中间体被水解），酶转变回E1构象。酶将第2个离子释放到内部并重新结合第1个离子，然后该酶准备开始另一个周期^［20-21］。

1.4　Ca²⁺-ATPase的调控作用

1.4.1　Ca²⁺/钙调蛋白对ACAs的调控作用

亚摩尔浓度的Ca²⁺会触发Ca²⁺-ATPase的激活，因此被称为高亲和力泵^［25］。Ca²⁺的运输与ATP水解紧密相关，如果Ca²⁺-ATPase的膜区域无法结合，则Ca²⁺的水解将不会发生^［24］。植物P2B型Ca²⁺-ATPase的Ca²⁺亲和力受其N端调控域的调控。为了响应细胞质Ca²⁺浓度的升高，Ca²⁺与钙调蛋白形成复合物（在拟南芥中由7个基因编码），然后可以结合到P2B型Ca²⁺-ATPase的N端结构域。结合中和了该结构域对泵的抑制作用，从而导致对Ca²⁺具有高亲和力的活性泵态^［20］。在Ca²⁺结合后，ACA直接进行ATP水解，因为它仅包含1个膜状Ca²⁺结合位点^［26］。ECA缺乏该CaM结构域^［23］。因此，Ca²⁺不仅作为ACA的运输配体，还增加了ACA对Ca²⁺的亲和力^{［20，27］}。基因ACA8的N端结构域也与钙调蛋白样蛋白（CML）Ca²⁺-CML36相互作用，其他ACA也可能与Ca²⁺-CMLs（在拟南芥中由50个基因编码）^［28］相互作用。AtACA8的N端结构域与钙调素复合物中呈现为1个长α螺旋，并结合了2个钙调素分子^［27］。这2个位点分别被命名为钙调蛋白结合位点1和2（CaMBS1和CaMBS2），它们结合Ca²⁺-钙调蛋白的亲和性不同，但在生理上是相关的，并分别为钙泵提供Ca²⁺的高亲和性和低亲和性传感器^［27］。CaMBS1与自身抑制性序列重叠，该序列被Ca²⁺-钙调素结合中和^［29］。CaMBS2同样与一个较不明确的自抑制残基区域重叠^［27］。数学网络建模表明，这种具有2个结合位点的系统可在超过基础Ca²⁺浓度时陡然激活，这意味着钙泵在低于某一水平时处于非激活状态，而一旦Ca²⁺浓度超过这一水平就会迅速激活^［27］。在ACAs中，ACA7、ACA12和ACA13已经降解了钙调素结合位点，这解释了为什么ACA12是组成性激活的，但仍然能够结合Ca²⁺-钙调蛋白^［30］。

1.4.2　磷酸化对ACAs的调控作用

ACAs的N端自抑制结构域通过磷酸化翻译后修饰，从而削弱钙调蛋白或CML的结合能力，导致Ca²⁺亲和力降低；或在缺乏这些蛋白的情况下缓解自体抑制，导致Ca²⁺亲和力升高。在紧密相关的质膜Ca²⁺-ATPase ACA8和ACA10中，CaMBS1上游的N-末端残基是磷酸化的热点。多个残基可以同时被磷酸化，但这些磷酸化位点在质子泵与钙泵之间并不保守^［20］。突变ACA8钙泵中，上游残基被磷酸化的Asp取代，似乎部分被激活^［31］。Ser29-ACA8和Ser22-ACA10是氧化信号诱导1（Oxidative Signal-Inducible 1，OX1）响应H₂O₂的靶标^［32］。在CaMBS1下游中，序列保守基序NASRRF的Ser57也被发现被磷酸化，但频率较低。这一磷酸化事件是促进还是降低钙泵的活性尚不清楚，但预计会干扰Ca²⁺-钙调蛋白的结合。在ACA2中，将Ser45取代为Asp会降低钙调蛋白诱导的酵母重组产生的ACA2的刺激作用。尽管Ser45与ACA8中的Ser57不同源，但它们同样位于CaMBS1中。这一观察结果表明，该区域的突变干扰了钙调蛋白的刺激作用^［24］。CDPK同工酶CPK1是一种Ca²⁺依赖性蛋白激酶，能使ACA2的Ser45磷酸化。磷酸化会抑制钙调蛋白的结合，当钙调蛋白已经与ACA2结合时，磷酸化就不会发生^［33］。钙依赖性蛋白激酶CPK16磷酸化ACA8的N端Ser19和Ser22^［31］。ACA8在其N端多个位点被CBL和CIPK复合物磷酸化^［34］。特异性残基（Ser27和Ser29）的磷酸化状态通过ABA和赤霉素在体内处理而增强^［35］，或者与触发子鞭毛蛋白（Ser27和Ser99位于CaMBS2的下游）^［36］，而Ser22的磷酸化在培养细胞中响应蔗糖下调^［37］。

2 亚细胞定位Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

盐胁迫下定位于植物质膜和细胞器外膜的Ca²⁺-ATPase在维持细胞质内Ca²⁺稳态方面起重要作用^［13］，也是细胞分化过程中的主要参与者之一^［38］（表1）。胞内Ca²⁺-ATPase是细胞膜结构上离子泵的一种，盐胁迫下它可以利用水解释放的能量，逆浓度梯度将Ca²⁺排出细胞或泵入胞内储钙的细胞器（例如内质网、液泡）即胞内钙库中储存起来，维持细胞内所必须保持的低浓度的游离钙^［39］。因此Ca²⁺-ATPase在提高植物抗逆性及维持细胞在逆境条件下的正常生长发育等方面起着重要作用^［40］。

2.1　质膜Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

Chung等^［41］鉴定了大豆（Glycine max）质膜Ca²⁺-ATPase SCA1p，在N端结构域中鉴定出2个钙调蛋白结合序列。在盐胁迫和真菌诱导物诱导下，而不是渗透胁迫，钙调蛋白（K_1/2 ≈10 nmol·L^-1）使SCA1p的Ca²⁺-ATPase活性增加了大约6倍，提高了大豆耐盐性。生物化学证据表明，SCA1p是一个钙调蛋白刺激的ATP酶，因此，SCA1p的发现证明了一条植物细胞钙调蛋白刺激细胞质Ca²⁺跨质膜外流的途径。Wang等^［42］从大豆基因组中鉴定出12个P-2型Ca²⁺-ATPase基因（GmACAs和GmECAs）。盐胁迫下所有定位于大豆质膜Ca²⁺-ATPase基因（GmACA8，GmACA9，GmACA10，GmACA12和GmACA13）表达上调，研究还表明，当植物受到严重胁迫时，位于质膜上的钙泵以统一的方式优先调动，从而迅速产生Ca²⁺信号，调节植物对外界胁迫的反应，如气孔关闭。盐胁迫下水稻（Oryza sativa）质膜Ca²⁺-ATPase OsACA6基因转录水平增加，提高了水稻耐盐性。OsACA6蛋白在其N端包含植物型IIB Ca²⁺-ATPase的所有结构域，包括钙调蛋白结合结构域^［45］。

盐胁迫下多种植物如大豆^［41-42］、水稻^［45］等的质膜Ca²⁺-ATPase活性上升。樊秀彩等^［59］认为这种酶活性的升高可能是钙信使系统对细胞质Ca²⁺浓度升高的一种反馈调控机制，反映出此时细胞膜维持Ca²⁺稳态的能力较强。

2.2　液泡膜Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

定位于拟南芥（Arabidopsis thaliana）根小液泡中（后来被描述为前液泡室）钙调蛋白调节Ca²⁺-ATPase AtACA4能提高酵母菌盐胁迫耐受性，AtACA4的N末端包含1个具有钙调蛋白结合位点的自抑制结构域^［48］。Geisler等^［48］证明AtACA4可能参与了盐处理后的钙信号传递。盐胁迫下细胞质Ca²⁺浓度会升高，AtACA4（与液泡H⁺/Ca²⁺反向转运蛋白一起，如拟南芥CAX1）可能通过前液泡室区隔化来调整细胞质Ca²⁺浓度，从而提高植物耐盐性。Yamada等^［46］证明抗盐籼稻（Oryza sativa subsp. indica）根液泡膜OsACA4对水稻根部耐盐性的重要性。因此研究人员推测拟南芥根液泡膜AtACA11^［49］、大豆根液泡膜GmACA11^［42］参与盐胁迫下液泡中的Ca²⁺信号传递和Ca²⁺浓度平衡，因为液泡是植物细胞中的一个主要的钙库。ACA4和ACA11钙泵的双重敲除突变，细胞质Ca²⁺水平增加，导致严重的应激症状，液泡钙泵本身的缺失导致叶片出现茉莉酸（SA）依赖的细胞程序死亡（PCD）途径的激活^［60-61］。综上所述，ACA4与ACA11可能是植物耐盐胁迫调节的重要分子^［62］。苔藓（Physcomitrella patens）小液泡膜PCA1的mRNA水平在盐作用下上调；敲除该基因后，其对盐胁迫的敏感性增加；盐处理中，缺失该基因的突变体细胞质Ca²⁺浓度表现为持续升高，而正常体系只是瞬时升高，表明PCA1对恢复刺激前细胞质Ca²⁺浓度有直接作用^［52］。这种应激信号传导途径的干扰证明了Ca²⁺-ATPase在盐胁迫下Ca²⁺介导的信号传导事件中所发挥的作用。PCA1的功能分析表明，PCA1编码1个PIIB型Ca²⁺-ATPase，含有1个N端自抑制结构域^［63］。

盐胁迫下多种植物如拟南芥^［48-49］、籼稻^［46］、大豆^［42］、苔藓^［52］液泡膜Ca²⁺-ATPase活性的提高有助于向液泡中区隔钙离子。据报道^［60］，在植物细胞中，液泡作为主要的钙库发挥作用。早期盐胁迫反应的主要标志之一是在胁迫识别后立即有Ca²⁺快速涌入细胞质^［61］，盐胁迫诱导的细胞质Ca²⁺浓度升高和新的细胞质Ca²⁺状态受液泡膜Ca²⁺/H⁺逆向转运蛋白（CAX）和Ca²⁺-ATPase的调节^［64］，表明这2种转运蛋白在很大程度上参与细胞质Ca²⁺的调节^［62］。液泡膜Ca²⁺-ATPase和CAX将Ca²⁺逆着其电化学电位梯度从细胞质转移到液泡中，从而保持细胞质Ca²⁺稳态。另外，Ca²⁺-ATPase产生了ATP驱动的CAX运行所需的电化学电位梯度^［63］。

然而，有研究^［65］表明，玉米（Zea mays）幼苗暴露在100 mmol∙L^-1的NaCl溶液中，反而增强了根细胞液泡膜中Ca²⁺-ATPase的水解活性而不是转运活性，这很可能是更高的液泡Ca²⁺梯度的形成导致钙泵的转运活性的反馈抑制。尽管液泡膜的Ca²⁺-ATPase可能在细胞对盐度反应的形成中发挥重要作用，但它在植物对盐碱环境的耐受性中的功能尚未确定，可用的信息很少，因此仍有待进一步研究和阐明^［63］。

2.3　核膜Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

在动物细胞中，细胞核自由Ca²⁺浓度升高在激活核蛋白激酶和其他影响生理活动的信号途径中扮演着重要角色^［66］。细胞核被视为“细胞中的细胞”，含有能感应或转换刺激的所有分子，这些在细胞核内的分子能把刺激转换成生物学反应并产生或控制细胞核钙离子的变化^［67］。植物细胞核Ca²⁺动态平衡是通过核膜上的Ca²⁺-ATPase和其他蛋白^［68］来完成的。如核膜上的mGlu5受体就是通过磷脂酶C（Phospholipase C）途径产生钙离子瞬时变化（calcium transients）从而产生IP3-依赖的钙信号，mGlu5仅存在于细胞核中，可响应细胞核稳态调节的动态变化^［68］。Ca²⁺依赖性腺苷三磷酸酶（Ca²⁺-ATPase）MCA8位于苜蓿（Medicago truncatula）的核膜上，该酶对核溶质Ca²⁺峰值至关重要^［53］，拟南芥Ca²⁺-ATPase ACA2p可能在核膜上发挥作用^［50-51］。

有研究^［69］报道，核膜作为钙库，植物细胞核能自主产生Ca²⁺信号。盐胁迫诱导的拟南芥根细胞核钙信号可能源于内质网/核钙库中释放的钙^［51］。因此Ca²⁺-ATPase可能在保持盐胁迫下植物细胞核的Ca²⁺动态平衡中发挥着重要作用。

2.4　内质网Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

盐胁迫下番茄（Lycopersicon esculentum）^［54］、烟草（Nicotiana tabacum）^［56］内质网Ca²⁺-ATPase mRNA的水平显著上升，有利于将细胞质Ca²⁺区隔在内质网，从而提高植物的耐盐性。有研究^［70］报道，内质网Ca²⁺-ATPase通过主动运输将Ca²⁺从细胞质转移到内质网。

盐胁迫下定位于大豆内质网Ca²⁺-ATPase基因（GmECA1和GmACA2）表达上调，尤其GmECA1是在遮荫胁迫下，这可能正向调节遮荫胁迫下的气孔关闭^［42］。拟南芥内质网ECA1在酵母菌株K616中可运输Ca^2+［71］。拟南芥内质网AtACA2的异源表达提高了酵母菌株K616盐胁迫的耐受性，表明异源表达的AtACA2激发了由盐胁迫诱导的Ca²⁺浓度瞬变，ACA2可能将Ca²⁺转运到内质网；K616-AtACA2通过NHX1（Na⁺/H⁺反向转运蛋白1）将Na⁺区隔在内膜隔室中，从而提高其耐盐性^［15］。在NaCl胁迫下，ACA2在CCX2-OE突变体中的较高表达，可能与这些植物较高细胞质Ca²⁺浓度反应有关^［72］。ACA2可能是植物耐盐胁迫调节的重要分子^［62］。而CCX2直接参与调控内质网和细胞质之间的Ca²⁺动态平衡，从而决定了植物对盐胁迫的敏感性^［72］。

2.5　高尔基体Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

植物高尔基体中的游离Ca²⁺对各种刺激都有反应，Ordenes等^［73］监测到在外界刺激下（冷胁迫、机械刺激或高渗压力）高尔基体Ca²⁺水平增加，而且延迟于细胞质Ca²⁺水平上升，这表明Ca²⁺被转移到高尔基体中以恢复细胞质Ca²⁺稳态。除此之外，由盐胁迫引起的高尔基体Ca²⁺水平的增加可能会调节液泡的运输^［74］。

盐胁迫处理后拟南芥高尔基体Ca²⁺-ATPase基因AtECA3表达上调，可能在运输Ca²⁺到高尔基体的过程中发挥作用^［14］。水稻（Oryza sativa ssp. indica）高尔基体Ca²⁺-ATPase的OsACA7基因赋予K616酵母突变体耐盐胁迫能力，并且可能在植物中发挥类似的功能^［47］。植物的Ca²⁺-ATPase曾被认为与细胞质Ca²⁺浓度的微调和抑制酵母突变体K616的盐敏表型有关^{［15， 48］}。定位于大豆高尔基体Ca²⁺-ATPase基因GmECA3在盐胁迫下可能发挥负调控作用^［42］。

研究报道，盐胁迫下多种植物Ca²⁺-ATPase非定位基因表达上调（表1），比如水稻OsACA5^［47］、野生大豆GsACA1^［44］、大豆多种基因（GmACA1、GmACA2、GmACA12、GmACA13、GmACA22、GmACA23、GmACA25、GmACA26）^［43］、小麦（Triticum aestivum）TaACA与TaECA基因（TaECA3）^［57］、番茄基因SLyACA1、SLyACA5和SLyACA6（特别是SLyACA1基因和盐胁迫密切相关）^［55］、茶树（Camellia sinensis）多种基因（c251091.graph_c0，c195283.graph_c1；TEA027212.1/Ca²⁺-ATPase13）^［16］、大白菜（Brassica pekinensis）细胞膜Ca²⁺-ATPase基因Bra031701^［58］等，表明它们在盐胁迫的早期参与Ca²⁺的转运，从而有助于恢复盐处理暂时升高的胞质Ca²⁺浓度，维持细胞质Ca²⁺平衡，从而提高植物的耐盐性。

综上所述，Ca²⁺-ATPases参与耐盐性调控的植物分别是中度耐盐大豆，盐敏感拟南芥、水稻、小麦、栽培番茄、大白菜等。因此下文详细阐述耐盐植物（大豆）与盐敏感植物（拟南芥、水稻、小麦、栽培番茄、大白菜）这两类植物的Ca²⁺-ATPase家族在组成、结构、功能及调控机理方面的不同之处。第一，在Ca²⁺-ATPase家族组成方面，大豆基因组编码8个属于P2A亚家族的基因和25个属于P2B亚家族的基因^［43］。拟南芥基因组编码4个ECAs（AtECA1-4）和10个ACAs（AtACA1，2，4，7~13）^［17］。水稻基因组编码12个ACAs（OsACA1~12）和3个ECAs（OsECA1、OsECA2和OsECA3）^［14］。栽培番茄有12个ACAs和1个ECAs成员^［55］。从小麦的不同染色体和亚基因组中共鉴定出33个TaACA编码蛋白和9个TaECA编码蛋白^［57］。第二，在结构方面，所有的大豆Ca²⁺-ATPase蛋白被预测含有5~10个跨膜结构域^［43］；大豆中Ca²⁺-ATPase家族蛋白质序列长度变化不大（752~1 103 aa）^［43］，但内含子数量变化很大，为0~36个^［43］。拟南芥ACAs结构均显示1个具有10个α-螺旋的跨膜结构域^［14］。小麦TaACA和TaECA组蛋白均由8~10个跨膜区组成，并具有各自的结构域和基序^［57］。除OsACA2外，所有水稻Ca²⁺-ATPase预计具有8~10个跨膜结构域，而OsACA2预计仅具有3个跨膜结构域，并且与其他Ca²⁺-ATPase相比，其跨膜结构域末端的排列相反^［47］。拟南芥、小麦中蛋白质序列长度变化不大（分别为998~1 086 aa，939~1 228 aa）^{［17，57］}，而在水稻、栽培番茄中蛋白质序列长度变化很大（326~1 218 aa，877~1 687 aa）^{［14，55］}。在拟南芥中内含子数量为5~34个^［17］，而在水稻、小麦、栽培番茄中内含子数量变化均很大，均为0~36、0~33、1~32个^{［14，57，55］}。第三，在功能与调控机理方面，ACAs与ECAs的不同之处在于是否存在N端自抑制结构域，该结构域在与钙调素结合时激活钙泵^［14］。拟南芥大部分ACAs预测包含N端自抑制结构域，但AtACA2 N端自抑制结构域似乎不会阻止其全长结构体的活性^［14-15］；大白菜ACA基因家族有18个基因成员，其中有13个成员包含N端自抑制结构域，但盐胁迫下表达量显著上调的Bra031701不包含N端自抑制结构域^［58］。除GmACA8、GmACA21-25 6个GmACAs外，大多数大豆ACAs预计含有N端自抑制结构域^［43］；除TaACA2、TaACA6外，大多数小麦ACAs预计含有N端自抑制结构域^［57］。

2.6　外源钙与亚细胞定位Ca²⁺-ATPase参与植物耐盐调控

盐胁迫下，一定浓度的外源Ca²⁺能有效增强质膜和液泡膜质子泵的活性，促进Na⁺向液泡或细胞外的区隔，降低细胞内Na⁺浓度，保护膜结构，提高植物耐盐性^［75］。

在盐胁迫下施加一定量的外源Ca²⁺，可能激活了膜上的离子转运酶，改变了质膜的不同离子渗透性，促进了K⁺的膜渗透，激活了Ca²⁺-ATPase^［15］。研究显示，盐胁迫下一定浓度的外源Ca²⁺能有效增强唐古特白刺（Nitraria tangutorum）^［75］、巴西蕉（Mimosa nana）^［76-77］等多种植物质膜和液泡膜钙泵的活性，Ca²⁺-ATPase活性的增强有效地提高了细胞内和细胞外的Ca²⁺转运能力，细胞质多余的Ca²⁺被泵出细胞，维持细胞质Ca²⁺的平衡，保证细胞的正常生理和代谢活动。

适当浓度的钙处理（耐盐品种Chuanqiao No.1与盐敏感品种Chuanqiao No.2外源钙浓度分别为30 mmol∙L^-1、20 mmol∙L^-1）可以使苦荞麦（Fagopyrum tataricum）Ca²⁺-ATPase相关基因的表达进一步增强^［78］。Lu等^［78］证明适当浓度的钙处理可以显著提高苦荞麦的种子发芽率，促进幼苗的生长，显著降低叶片MDA含量，从而减轻盐胁迫的毒害作用，改善植物生理特性。适当的外源Ca²⁺可以改善氧化还原状态，减少盐胁迫对质膜的破坏，有助于优化矿物营养状态，提高植物的光合作用，减轻盐胁迫对植物的伤害^［79］。

综上所述，外源钙处理与Ca²⁺-ATPases可能在盐胁迫下的细胞内钙稳态和信号转导中起重要作用。

3 总结与展望

除了大豆高尔基体Ca²⁺-ATPase GmECA3表达下调之外，盐胁迫下多种植物Ca²⁺-ATPases基因表达上调，尤其胞内Ca²⁺-ATPases，包含大豆、水稻、小麦和大白菜质膜，大豆、水稻、拟南芥和苔藓液泡膜，大豆、拟南芥、番茄和烟草内质网，水稻和拟南芥高尔基体，拟南芥和苜蓿核膜Ca²⁺-ATPases（表1）。盐胁迫下胡杨质膜、液泡膜与核膜Ca²⁺-ATPases活性上升，而且盐胁迫下该酶受到外源Ca²⁺的保护。综上所述，盐胁迫下当细胞中Ca²⁺浓度升高至某一阈值后，ACA是植物细胞质Ca²⁺关键调节因子，可编码这些信息产生各种钙信号以响应外部刺激，这些信号的解码与大量钙结合蛋白有关，如钙调蛋白。植物ACA包含1个N端自抑制结构域，CAM与该结构域2个结合位点（CaMBS1和CaMBS2）结合并解除导致钙泵激活的自动抑制，从而激活质膜Ca²⁺-ATPase促进Ca²⁺外排，或将Ca²⁺区隔在胞内“钙库”如液泡（通过液泡膜Ca²⁺-ATPase）、小液泡（通过小液泡膜Ca²⁺-ATPase）和内质网（通过内质网Ca²⁺-ATPase），从而使Ca²⁺浓度降低至基础水平。因此Ca²⁺-ATPase可能通过调控胞质Ca²⁺浓度来参与植物应对盐胁迫的反应，进而调控胞内和胞间Ca²⁺信号通路，以提高植物的抗盐性或耐盐性。

ACA独特的结构域使Ca²⁺-ATPase成为植物耐盐性研究领域的热点且取得了一系列突破性进展。但是关于Ca²⁺-ATPase仍然存在许多有待探索的内容，主要集中在以下几个方面：一是关于研究的物种范围。目前，仅有13种植物Ca²⁺-ATPase经过盐胁迫处理后的研究报道，而且多集中在模式植物大豆、水稻、拟南芥，需进一步挖掘Ca²⁺-ATPase在非模式植物（如重要的经济作物、园林园艺植物）耐盐调控功能。二是关于盐胁迫下植物钙泵的亚细胞定位的研究。目前，对Ca²⁺-ATPase进行亚细胞定位研究与功能分析的只有7种植物，其中质膜、核膜定位的研究仅有2种植物，液泡膜、内质网定位的研究有4种植物，高尔基体定位的研究有3种植物，因此，需扩大物种且深入研究Ca²⁺-ATPase亚细胞定位响应植物盐胁迫的调节机制。三是关于组学方法的研究。组学方法尤其是基因组研究的使用产生了大量数据。目前，使用全基因组研究方法分析Ca²⁺-ATPase的仅有5种，这对确定钙泵作为植物与盐胁迫反应的候选调控因子特别有用^［80］。利用这些候选调控因子设计植物在气候和地理限制条件下的特定胁迫耐受性和多重胁迫耐受性，是对提高农业产量和质量这一基本需求的补充。激发植物抗逆性可为产生全球气候变化耐受性铺平道路。四是关于证明盐胁迫下Ca²⁺运输确实是由植物中的ACAs和ECAs调控的研究。由于荧光Ca²⁺报告基因能精确地进行亚细胞定位^［81］，再加上改进的荧光显微镜，如光片荧光显微镜（LSFM）和选择平面照明显微镜（SPIM）^［82-83］，在不久的将来，有可能使用荧光兼容的多细胞器传感器同时跟踪细胞质/内质网、细胞质/高尔基体、细胞质/液泡、细胞质/细胞核区室中的Ca²⁺动态，这可以更全面地了解盐胁迫下ECA和ACA如何形成细胞内储库到细胞质中^［17］。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32071730)

北京市自然科学基金项目(6182030)