杜氏盐藻信号传导机制研究

摘 要： 盐藻是一种生存于极端环境下的无细胞壁的单细胞真核绿藻，开发和利用盐藻的耐盐基因资源对于提高农作物的抗盐能力也具有重要意义。本文概述了盐藻细胞信号传导和耐受盐胁迫的机制。

关键词：盐藻 信号传导

中图分类号：Q945 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）10-0294-01

盐藻又名杜氏藻，是一种单细胞真核藻类，属于绿藻纲团藻目，杜氏藻科，杜氏藻属。盐藻没有细胞壁，原生质外仅有一层糖蛋白组成的外膜。细胞中的主要细胞器是一个大的杯状叶绿体，体积约占细胞的一半。细胞前方有两根等长的鞭毛，可以游动。细胞核位于细胞内的前部，具有双层核膜，核内是典型的核仁。此外，还具有线粒体、高尔基体、内质网、液泡等细胞器。盐藻可行无性和有性繁殖，无性繁殖时细胞纵裂为二，类似于原核细胞；有效繁殖为同配方式。盐藻还具有生长快，世代短、培养时不易被其它生物污染的特点。因此，盐藻已日益受到了人们的高度重视，人们希望通过对盐藻的研究，了解并获得盐藻与耐受胁迫相关的特异基因，得到各种宝贵的抗逆基因资源，用于通过转基因手段提高高等植物对逆境的耐受能力。

杜氏盐藻是杜氏藻中的一种，它能够在大约0.05 mol/L到饱和（5.5 mol/L左右）NaCl浓度的广泛盐度范围内生长。甘油是杜氏盐藻在不同的盐度环境中生存的重要渗透物质，甘油的合成牵涉到两种特殊的酶，NAD～+为辅酶的3-磷酸甘油脱氢酶（G3PDH）和3-磷酸甘油磷酸酶（G3PP），而相反的途径甘油的异化牵涉到NADPH为辅酶的二羟基丙酮还原酶（DHAR）和一种二羟基丙酮激酶（DHAK）。Ca是细胞内普遍存在的第二信使，在由细胞表面的环境刺激而引起的渗透信号的传导过程中起作用。

盐藻能耐受外界盐浓度的剧烈变化，具有很强的耐盐性，可在含0.05-5.5 mol/L NaCl的培养液中生存，是迄今发现的最耐盐的真核生物。同时，盐藻对光照（70-1900 μmol quanta.m-2.s-1）、环境pH、温度、营养等变化造成的胁迫也有很好的耐受性。胁迫条件下，细胞内会产生大量甘油和类胡萝卜素等物质，调节细胞的生理活动来适应外界环境的变化。因此，盐藻是研究生物耐逆性的好材料。

盐藻属于光合自养生物，能利用简单的培养基进行培养，富含β-胡萝卜素、甘油、蛋白质等，其中β-胡萝卜素的量可达其干重的10%左右，总蛋白的含量占细胞干重的50%-60%。此外，盐藻还富含多种氨基酸、微量元素、维生素、藻多糖、玉米黄素、虾青素等多种极具经济价值的成分。因此，盐藻具有很高的商业价值。

盐藻也是一种优良的生物反应器。盐藻培养方法简单、成本较低， 高渗盐溶液中生长不易污染、生长快， 对外源基因表达产物的耐受能力强，且是低等单细胞真核生物，与人的各种简并密码子的使用频率比与大肠杆菌和酵母都更接近。非常有利于人来源的抗体、疫苗等基因在盐藻中进行基因工程化生产。

盐胁迫是影响农作物产量的重要因素之一。由于土壤和灌溉用水盐渍化的程度不断加剧，对提高作物耐盐性的需求也变得越来越迫。为了解植物耐盐机制，提高作物耐盐性，对盐生植物盐适应机制的研究已成为目前国际上植物耐盐研究的一个热点。

盐藻是一种真核单细胞绿藻，由一层很薄的弹性膜包被。通过调节细胞体积和细胞内甘油浓度，盐藻细胞可在从0.05 mol/L到饱和NaCl条件下生长，是已知最耐盐的真核生物。极强的耐盐能力、简单的细胞结构以及便利的培养条件使盐藻成为研究植物适应高盐度的分子机制的重要模式生物。

盐藻响应盐胁迫机制相当复杂，迄今为止，很多机制还不清楚。但近年来，盐藻耐盐机制的研究取得了较大进展，本文从信号传导这个方面对近年来盐藻的耐盐机制研究进展做一概述。

研究表明，植物在对逆境胁迫作出主动的适应性反应之前，植物首先有感知、传递和处理环境刺激信号的过程。一般来讲，逆境信号传递到植物细胞时，植物细胞通过其膜上的受体及其下游的膜蛋白（如G蛋白等）讲逆境信息传递至胞内，作为胞内信号的胞内第二信使系统（如Ca2+、IP3、cAMP）再讲逆境信息进一步传递下去，或是影响基因的表达及其调控、或是更为直接地引起胞内生理生化过程的变化。

盐藻是如何感受盐信号并启动甘油的合成及Na+的外排这一问题一直是人们想了解的问题。近年来，研究者在盐藻的渗透胁迫信号传导方面做了不少工作。

Cowan等在盐藻中发现存在植物抗逆境胁迫的信号转导途径中起重要作用的植物激素ABA，而且高盐胁迫会增强ABA的合成。

Yuasa等发现在32Pi标记的盐藻细胞中低渗震荡会诱导32P整合到特定的蛋白质，尤其是一28-kDa的多肽中，而一种蛋白激酶的抑制剂，K-252，则可以抑制这种磷酸化。另外，K-252也会抑制低渗震荡后盐藻细胞体积的恢复。而一种Ca2+的离子载体，A23187，则在没有低渗震荡的情况下也会诱导28-kDa多肽的磷酸化。这些结果表明磷酸化和去磷酸化作用可能参与了盐藻细胞的渗透调节，而低渗震荡诱导的一些蛋白的磷酸化则可能与Ca2+依赖的信号转导过程有关。

Tsukahara等发现， 压力门控Ca2+通道的——GdCl3可抑制高渗震荡后盐藻细胞中甘油的合成，但是电压门控Ca2+通道抑制剂及线粒体和内质网Ca2+通道抑制剂并不影响甘油的合成，这表明高渗震荡后，盐藻质膜上的压力门控Ca2+通道介导的Ca2+的内流参与了渗透胁迫信号的传递。

Rodriguez-Rosales等从盐藻的质膜上发现了分子量为28-kDa、29-kDa和30-kDa的GTP结合蛋白；在微体膜上发现了分子量为28-kDa和30-kDa的GTP结合蛋白。他们推断在盐藻中存在着相似于动物和高等植物中的ras相关蛋白。

Einsphahr等发现盐藻渗透调节时肌醇磷脂转化加速，磷脂酶C（PLC）催化磷脂酰肌醇4，5-二磷酸（PIP2）水解为二酯酰甘油（DAG）和肌醇三磷酸（IP3）。IP3导致细胞质中Ca2+浓度上升，而Ca2+可能可能通过激活CDPK改变甘油代谢途径的关键酶以及一些特异的转录因子的磷酸化状态，从而使盐藻细胞产生甘油浓度调节，以及调节一些渗透胁迫诱导的基因的表达。Ha等发现低渗时盐藻细胞中的DAG水平升高，并认为DAG有可能在PLC介导的信号转导中充当第二信使。

Carlos Jime′nez等通过对Dunaliella viridis在高渗胁迫，UV照射和高温处理的条件下，发现了一个57-kDa 的MAPK类似蛋白，可以与哺乳动物的p38及同源蛋白的抗体特异结合，并受胁迫的诱导表达增强和磷酸化。同时还发现了另外三个蛋白（50-kDa， 45-kDa， 43-kDa）可以与哺乳动物JNK结构域特异的抗体结合，在胁迫条件下受到短时间的磷酸化调节。利用MAPK和JNK特异的抑制剂对盐藻进行处理，将明显的使得盐藻不能对渗透胁迫发生响应，表明MAPK信号途径参与了盐藻中渗透胁迫信号的传递。

植物的抗盐性状是由多基因控制的数量性状，这也就决定了耐盐胁迫机制的复杂性。研究已发现，盐藻响应外界环境胁迫的过程中一批执行不同生理功能的基因受到诱导表達。要弄清楚盐藻的抗盐机制，需要进一步开展功能基因组学、比较基因组学、蛋白质组学、代谢组学、基因芯片技术及生物信息学等手段对盐藻从整体上进行系统生物学的研究。