渗透胁迫和离子毒害是逆境对植物组织和器官造成伤害的初级胁迫, 具体表现为质膜通透性发生变化, 进而引发活性氧(reactive oxygen species, ROS)含量增加及叶绿素含量降低等次级胁迫, 对植物造成伤害[28, 29, 30]。MAPK级联传导途径参与逆境胁迫信号的传递, 激活抗逆基因表达。经序列分析发现黄瓜、番茄和二穗短柄草等植物的MAPK级联途径激酶基因的假定启动子序列中存在大量胁迫(干旱、极端温度、高盐、创伤、病害)相关及激素(生长素、脱落酸、乙烯、赤霉素)相关顺式作用元件, 这些顺式作用元件可能在MAPK级联途径激酶基因的胁迫应答以及激素信号传导中发挥潜在作用[11, 12]。超基因家族中的不同成员在不同组织中的表达丰度不同, 调节不同的生理过程。对不同组织中基因的表达模式进行分析可为基因功能以及共调节分析提供线索。

4.2.1 非生物胁迫 非生物胁迫是影响植物生长发育、导致作物减产的重要因素, 会造成渗透胁迫和离子胁迫, 并进一步产生氧化胁迫。植物体内ROS积累过多一方面会对植物细胞造成伤害, 破坏呼吸作用及光合作用, 另一方面可以激活植物体内MAPK级联反应途径进行信号传导。MAPK级联反应途径通过逐级磷酸化传递和放大胁迫信号, 作用于下游靶蛋白进而激活相应的抗逆基因表达, 调节渗透平衡、离子平衡以及氧化还原平衡, 进而改变植物叶片形态及根系构型, 最终提高植物抵御逆境胁迫的能力(图2)。

葡萄中的MAPKKK基因在干旱胁迫后均上调表达, 很多MAPKKK基因的表达量甚至比非胁迫时高出10倍, 其中有4个MAPKKK基因上调大于20倍, 表明葡萄中MAPKKK基因家族积极响应干旱胁迫[8]。在二穗短柄草中90%的MAPK级联途径激酶基因在寒冷胁迫下被诱导表达, 60%的基因被高温胁迫诱导表达, 43.75%的二穗短柄草MAPK级联途径激酶基因在PEG处理后上调表达[12]。这些结果表明, 二穗短柄草中MAPK级联反应途径对温度的变化最敏感。一些MAPK级联途径激酶基因在高温、寒冷、H2O2、NaCl和PEG胁迫下均上调表达, 但一般在处理3h后表达不变或者轻微下调, 却在胁迫6h后明显上调表达, 表明这些MAPK级联途径激酶基因对多种逆境胁迫具有普遍性的应答作用[28, 30, 31]。Wang等[11]检测了黄瓜中58个MAPK级联途径激酶基因在不同胁迫条件以及激素处理后的表达变化, 结果表明黄瓜中大部分旁系同源的MAPK和MAPKKK基因在寒冷、高温、干旱等胁迫下具有相似的表达模式, 如黄瓜中大部分CsMAPK基因在寒冷处理后下调表达, 大部分CsMAPK基因在热处理后上调表达。一些直系同源的MAPK基因在相同的胁迫条件下表现出不同的表达模式, 如AtMPK7在寒冷胁迫后明显下调表达, 而CsMPK7明显上调表达; OsMKK4基因在干旱和寒冷胁迫后上调表达, 而CsMPKK4在相同条件下下调表达[11]。在各种非生物胁迫下, 油菜和拟南芥中大部分直系同源的MAPKK以及MAPK基因的表达模式相似, 也有一些直系同源基因的表达模式存在差别[19]。棉花中大部分旁系同源的MAPK基因在对各种激素和非生物胁迫的应答中显示出相似的表达模式, 但旁系同源的MAPK基因在不同的器官和组织中表现出差异表达模式, 提示MAPK基因在驱动进化和适应新环境中起着至关重要的作用[25]。大部分MAPK级联途径的旁系和直系同源基因在胁迫处理后表达模式相似, 表明这些基因对可能具有相似的功能; 少部分旁系和直系同源基因表达模式有明显差异, 表明其可能在进化中获得了新的功能; 少部分旁系同源的MAPKK基因对同种胁迫展示出不同的表达模式, 表明其可能在不同的信号传导途径中发挥作用[11, 19, 25]。以上结果表明对MAPKK功能的揭示是明确MAPK级联反应途径作用机制的关键。

非生物胁迫下植物MAPK级联途径激酶基因的表达会发生改变, 在此基础上通过MAPK级联反应途径传递和放大胁迫信号, 最终通过调节渗透平衡、离子平衡和氧化平衡, 对逆境胁迫作出应答。拟南芥AtMEKK1-AtMAPKK2-AtMAPK4/AtMAPK6途径是研究得比较透彻的MAPK级联反应途径, 该途径在抵御盐胁迫及低温胁迫的过程中发挥重要作用[32]。位于该途径下游的AtMAPK6及AtMAPK4分别以不同的方式参与干旱及盐胁迫信号的传导。AtMAPK6可以激活下游的盐超敏感蛋白(salt overly sensitive1, SOS1), SOS1作为定位在质膜上的Na+/H+反向转运蛋白可以将Na+排至细胞外, 帮助维持细胞内外的离子平衡[33, 34]。AtMAPK4可以激活抗氧化酶基因的表达, 从而清除植物体内过量的ROS, 缓解植物在逆境胁迫下受到的损害[35]。OsMEKK6-OsMAPK5级联途径参与水稻根部对盐胁迫的信号传导, OsMAPK5能激活下游的盐胁迫应答转录因子(salt responsive ERF1, SERF1), SERF1可以进一步激活脱水应答元件结合蛋白(dehydration responsive element binding2A, DREB2A)及锌指结构蛋白179(zinc finger protein179, ZFD179), 最终启动水稻根部抗氧化酶基因表达, 清除因盐胁迫而快速积累的ROS[36]。值得注意的是, SERF1不仅能被OsMAPK5磷酸化激活, 还能被盐胁迫初期水稻根部积累的H2O2诱导表达, 进而启动DREB2A、ZFP179基因表达, 赋予水稻对盐胁迫的短期耐受力。活化的SERF1还可以与OsMEKK6、OsMAPK5及其自身的启动子结合, 激活该MAPK级联反应途径, 将盐胁迫信号正向放大, 使水稻对盐胁迫具有一定的长期耐受力[36]。不同胁迫作用于植物后通常都会产生相同的次级胁迫, 次级胁迫信号同样可以激活MAPK信号传导途径进行信号传导。这种由逆境及逆境产生的次级胁迫与MAPK级联反应途径之间的信号传导机制十分复杂。此外, 目前在植物中还鉴定出多条响应非生物胁迫的MAPK级联反应途径, 但大多不完整, 或是上游激酶不清楚, 或是下游靶蛋白不明确, 因此揭示非生物胁迫下完整的MAPK级联反应途径仍是未来研究的重点。

4.2.2 激素应答 植物激素参与复杂的信号传导途径, 调节植物生长发育, 在生物与非生物胁迫应答中发挥重要作用[37, 38, 39]。对不同植物基因组的研究发现, 在MAPK级联反应途径激酶基因启动子序列中存在大量的胁迫应答元件和激素应答元件, MAPK级联反应途径能响应激素信号并与激素信号途径协同调控对非生物胁迫产生应答。在二穗短柄草中, 40%的MAPK级联途径激酶基因在甲基茉莉酸(methyl jasmonat, MeJA)、水杨酸(salicylic acid, SA)和脱落酸(abscisic acid, ABA)等植物激素分别处理3 h后上调表达[12]。Liu等[39]在辣椒的19个CaMAPK及5个CaMAPKK激酶基因的启动子中发现了多种应答元件, 如热激元件(heat shock element, HSE)、水杨酸响应元件、茉莉酸甲酯响应元件和ABA应答元件(ABA responsive element, ABRE)等, 逆境条件下具有相同应答元件的MAPK级联途径激酶基因可能被共同调控表达并发挥抗逆作用。

干旱、低温及盐胁迫等逆境均会导致植物体内ABA含量不同程度的增加[40, 41, 42]。ABA在整合不同的非生物胁迫信号以及调控下游胁迫应答反应的过程中发挥重要作用, 大部分二穗短柄草的MAPKKK基因在PEG和H2O2胁迫下的表达模式与ABA处理后的表达模式相似, 胁迫诱导的MAPK信号传导途径可能与植物激素变化有联结[12]。玉米种子经过ABA处理后, ZmMKK3的转录水平在处理1h达到峰值, 处理后12h又达到了另一个峰值。转ZmMKK3基因的烟草植株中抗氧化酶基因的表达量明显高于野生型, 说明ZmMKK3基因的表达可以通过清除转基因烟草中的ROS来缓解外源过多ABA对于植物的伤害[38]。在拟南芥中超量表达的AtMKK3具有与玉米ZmMKK3基因相似的功能, 对ABA诱导后因产生过多活性氧而引起的气孔关闭起正调控作用[43]。玉米多个ZmMAPK基因的启动子上均存在ABRE[44]。当用ABA处理玉米时, ZmMAPK基因的表达模式与干旱及盐胁迫下相似, 这可能是因为非生物胁迫条件下植物体内ABA含量发生变化, MAPK级联反应途径响应ABA信号进行传导[44]。此外, ABA应答元件结合蛋白AREB1、AREB2、AREB3在高盐、脱水等环境条件下同样可以被诱导表达[45]。这些结果表明, MAPK级联反应途径能响应ABA信号并与ABA信号途径协同作用应答非生物胁迫。

逆境胁迫下植物体内的激素含量会发生变化, 而部分植物激素的运输及分布受到MAPK级联反应途径的调控, 二者紧密相连, 最终会导致植物组织和器官形态有所改变[46, 47]。Jia等[48]发现拟南芥中组成型激活的MAPKK7突变体在植物生长发育过程中发挥重要作用, MAPK3和MAPK6是MAPKK7的下游激酶, 其中MAPKK7-MAPK3主要参与调控叶片形态的发育过程。MAPKK7-MAPK6主要参与拟南芥根部的发育过程。MAPKK7-MAPK6通过磷酸化下游PIN蛋白(PINFORMED proteins, PINs)家族中PIN1亲水环结构里的Ser337位点, 调控PIN1蛋白在拟南芥根木质部软组织细胞中的基础定位, 进而影响主根生长素的运输方向, 参与拟南芥根部发育过程[48]。外源施加生长素及细胞分裂素会显著影响水稻根的形态, Singh等[49]用外源生长素和细胞分裂素处理水稻后发现, OsMAPKK4/5和OsMAPK3/6的表达量明显改变, 分析不同苗期水稻的根部发现, OsMAPKK4/5-OsMAPK3/6可以正向调控水稻根部OsPIN1b/9基因的表达, OsPIN1b/9蛋白参与生长素和细胞分裂素在水稻根部的运输过程, 从而影响水稻根部的发育。

MAPK级联反应途径与激素信号途径紧密相连, 两者协同调控对非生物胁迫产生应答。生物信息学分析为解析MAPK级联途径激酶基因的应答反应提供了重要的信息并带来便利。