钙离子（Ca²⁺）作为重要的第二信使，在植物生命活动中发挥了多重关键作用。通过细胞膜上的Ca²⁺渗透性通道感知外界刺激，调节胞内Ca²⁺浓度变化，从而传递环境信号。Ca²⁺在植物免疫中起着至关重要的作用，参与模式触发免疫（PTI）和效应器触发免疫（ETI）的反应，促进活性氧爆发和细胞死亡，抑制病原扩散。此外，Ca²⁺还在植物的生长发育中发挥作用，调控细胞分裂、伸长及花粉管生长，并与植物激素信号通路相互作用，协调植物的生长与环境适应。Ca²⁺还在植物对非生物与生物胁迫的响应中，通过激活相关信号通路，增强抗胁迫能力。过度的Ca²⁺积累或失调可诱导程序性细胞死亡，参与植物的自我保护机制。总之，Ca²⁺信号在植物的免疫、发育、胁迫响应及细胞死亡等多方面发挥着至关重要的调控作用。
2024年12月，New Crops在线发表了题为“Lighting-up wars: Stories of Ca2+signaling in plant immunity”的综述论文。探讨了钙离子（Ca²⁺）信号在植物免疫中的作用，尤其是在模式识别受体（PTI）和效应器触发免疫（ETI）中的机制。为理解钙离子信号在植物免疫中的复杂功能提供了系统性总结，并明确了未来研究的关键方向，尤其是植物-微生物分子互作领域的研究前景。
植物先天免疫系统通过模式触发免疫（PTI）和效应触发免疫（ETI）两种机制激活防御反应。PTI通过质膜上的模式识别受体（PRR）响应微生物相关模式（MAMPs/PAMPs）或内源性损伤模式（DAMPs），提供广谱抗性；ETI通过NBS-LRR受体检测病原效应子。两者通过Ca²⁺内流、ROS爆发、MAPK激活等免疫反应相互增强，并诱导系统获得性抵抗（SAR）。
钙离子（Ca²⁺）在植物免疫中的信号传导起着至关重要的作用。植物免疫反应依赖于细胞内Ca²⁺浓度的变化（[Ca²⁺]i）和Ca²⁺与传感器的结合，形成一个复杂的调控网络。在病原体攻击下，Ca²⁺通过质膜上的通透通道迅速进入细胞，激活免疫反应。在模式触发免疫（PTI）中，胞质[Ca²⁺]i迅速上升，而在效应子触发免疫（ETI）中，Ca²⁺浓度持续升高。Ca²⁺的内流与活性氧（ROS）爆发密切相关，ROS的爆发与Ca²⁺内流共同促进下游免疫反应。研究发现，在拟南芥中，至少有八种类型的Ca²⁺渗透通道参与免疫反应，如环核苷酸门控通道（CNGCs）、谷氨酸受体样通道（GLRs）等。Ca²⁺通透通道的活动通过调节免疫反应对植物抵抗病原至关重要。
Ca2+- PTI 响应中的可渗透通道
CNGC2 和 CNGC4 通道在植物的模式触发免疫（PTI）反应中通过调节 Ca²⁺流入和 ROS 爆发发挥关键作用。它们的活性由钙调蛋白（CaM）负调控。在没有病原体感染的情况下，CNGC2-CNGC4 通道被钙调蛋白（CaM）阻断；但在感染时，BIK1磷酸化并激活该通道，促进Ca²⁺内流。Ca²⁺内流激活RBOHD产生过氧化氢（H₂O₂），H₂O₂通过水通道蛋白进入胞质，并通过HPCA1/CARD1受体进一步促进Ca²⁺流入，形成正反馈回路，增强免疫反应。病原体感染时由 BOTRYTIS INDUCED KINASE 1（BIK1）正调控，激活 Ca²⁺内流。Ca²⁺内流触发 ROS 产生，进一步放大免疫信号。此外，过氧化氢（H₂O₂）通过 HPCA1/CARD1 受体激酶感知并增强 Ca²⁺流入，形成正反馈回路，促进 PTI 反应。钙依赖性蛋白激酶（CPK5）也参与调控 ROS 产生。最终，这些反应协同作用，增强植物免疫反应。
图1 Ca2+模式触发免疫（PTI）的流入
钙2+- ETI 响应中的可渗透通道
与PTI反应中瞬时且快速的Ca²⁺流入相比，ETI反应表现为长期且持续的Ca²⁺升高。研究发现，特定的NLR家族蛋白具有Ca²⁺可渗透通道活动，推动ETI反应的启动。CNGC2-CNGC4通道通过非水杨酸依赖方式正向调节超敏反应（HR）细胞死亡。CNL和TNL识别效应子后，形成寡聚抵抗体，CNL通过形成Ca²⁺通透通道在PM上调节Ca²⁺流入，而TNL通过产生NAD衍生的小分子促进RNL和MLKL四聚体的形成，进一步促进Ca²⁺内流。尽管有这些发现，但Ca²⁺内流触发HR细胞死亡的具体机制仍不明确。
图2 Ca2+效应触发免疫（ETI）的流入
植物的效应触发免疫（ETI）反应中，NLR家族蛋白在Ca²⁺信号传导中发挥重要作用。NLR蛋白通常分为TIR、CC和RPW8样CC（RNL）三组，它们通过识别病原效应子并形成寡聚抵抗体，激活Ca²⁺通透通道，促进Ca²⁺内流。拟南芥中的CNL蛋白ZAR1通过识别效应子AvrAC激活ETI反应，形成Ca²⁺通透通道。而TNL通过产生小分子促进RNL和MLKL的形成，从而激活Ca²⁺内流。
此外，MLKL在植物中的作用类似于动物中的坏死性凋亡，可能通过聚集在细胞膜上形成孔，调节Ca²⁺内流并诱导HR细胞死亡。CNGC2和CNGC4通道在ETI反应中也非常重要，它们通过调节Ca²⁺流入参与HR细胞死亡的调控，且这种调节不依赖于水杨酸（SA）。尽管SA参与CNGC2和CNGC4通道下游的免疫反应，SA的积累与HR细胞死亡之间没有直接因果关系。
这些发现表明，Ca²⁺流入和Ca²⁺通透通道在ETI反应中起着关键作用，促进HR细胞死亡。未来研究需要进一步探讨Ca²⁺信号与细胞死亡之间的关系，以及不同Ca²⁺通透通道在免疫反应中的作用。
钙2+-自身免疫中的通透通道
几种CNGC通道已被确定为自身免疫的调节因子。例如，cngc2和cngc4突变体表现出典型的自身免疫表型，如矮小的莲座状叶、SA水平升高、组成型PR基因表达和无病原体感染的HR样自发性病变，表明这些突变体表现出SA依赖性广谱抗性增强。类似地，CNGC11和CNGC12功能获得性突变体也表现出SA依赖性自发性细胞死亡的自身免疫表型。
Ca²⁺在HR样自身免疫细胞死亡中的信号激活起着关键作用，强调了Ca²⁺在平衡植物生长与免疫之间的重要性。维持胞质Ca²⁺的稳态对植物正常生长和发育至关重要。在没有病原体感染的情况下，BAK1和SERK4通过磷酸化CNGC20-CNGC19通道抑制Ca²⁺内流和自身免疫细胞死亡。与此相反，免疫激酶BIK1通过磷酸化并稳定CNGC20，与BAK1和SERK4共同调节Ca²⁺稳态。
此外，CNGC20在自身免疫中的作用通过其功能获得性突变体（如cngc20-4）得到进一步证实，这些突变体表现出增高的胞质[Ca²⁺]i、累积的SA和增强的免疫力。CNGC20的稳定性通过BAK1/SERK4的负调节和BIK1的正调节精细调控，这对于保持体内Ca²⁺的平衡和自身免疫的调节至关重要。
图3 钙2+ 自身免疫的流入
Ca 的解码2+植物免疫中的信号：Ca2+传感器
植物免疫中的Ca²⁺信号传导涉及多个类型的Ca²⁺传感器，主要包括钙调蛋白（CaM）、钙调磷酸酶B样（CBL）蛋白、钙依赖性蛋白激酶（CPK），以及钙和钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CCaMK）。这些传感器在植物的免疫反应中发挥重要作用，通过调节Ca²⁺信号的传递，调控植物对病原体的免疫反应。
CPK（包括CPK4、CPK5、CPK6和CPK11）是植物免疫中的正调节因子，参与PTI和ETI反应。CPK通过与钙调蛋白结合，调节ROS的生成，磷酸化免疫相关酶（如NADPH氧化酶RBOHD）并促进免疫反应。CPK5、CPK6与CML蛋白（如TCH3）相互作用，进一步促进免疫转录因子（如CBP60g）的磷酸化，激活SA和NHP的合成，增强植物的免疫能力。此外，CPK在次生代谢物的合成中也起重要作用，调节乙烯的生物合成，促进植物对病原的抗性。特定的CPK突变或过表达可导致自身免疫细胞死亡，表明其在免疫信号中的调控作用。CPK4、CPK5、CPK6和CPK11通过磷酸化WRKY转录因子，推动ETI反应中的转录重编程。CPK5在ETI反应中表现出独特的功能，通过与TIR-NBS2结合，促进EXO70B1蛋白介导的免疫，尽管其是否能够在体内磷酸化TIR-NBS2尚不明确。
这些发现强调了Ca²⁺信号通过不同的传感器在植物免疫中的重要作用，特别是在调控免疫反应和防御机制中的关键角色。
图4 植物免疫信号传导中的拟南芥CPK4/5/6/11
CPK28在植物免疫中起着负调节作用，特别是在PTI反应中，它通过调节BIK1的蛋白质稳定性来限制免疫反应的过度激活。具体来说，在静息状态下，CPK28通过磷酸化E3连接酶PUB25/26，促进低磷酸化BIK1的降解，从而抑制免疫激活。与此同时，异源三聚体G蛋白和RGLG1/2通过与低磷酸化的BIK1结合，抑制PUB25/26的降解作用，维持BIK1的稳定性，并支持免疫反应的启动。
在flg22诱导的免疫反应中，CPK28的激酶活性增强，进一步促进PUB25/26的磷酸化，促进低磷酸化BIK1的降解，限制高磷酸化BIK1的过度积累。CPK28还与E3连接酶ATL31和ATL6相互作用，并通过蛋白酶体途径被降解。值得注意的是，CPK28的转录本的剪接过程由免疫调节RNA结合蛋白IRR精细调控，确保免疫信号的有效传递。
此外，CPK28的磷酸化和活性受到精确调节，特别是在没有病原体感染的情况下，CPK28通过自磷酸化或转磷酸化与BIK1相互作用，防止免疫反应的提前激活。CPK28的活性还通过与ATL31的相互作用被抑制，从而限制过度的免疫反应。
这项研究还揭示了CPK28作为潜在植物免疫激发剂的应用前景。例如，二甲双胍（MET），一种常用于治疗2型糖尿病的药物，已被证明通过抑制BIK1与CPK28的相互作用，进而激活植物免疫反应。这表明CPK28在植物免疫中的负调节作用可以成为筛选植物免疫激发剂的潜在靶点。
图5 拟南芥 CPK28 在植物免疫信号传导中
其他 CA2+植物免疫传感器
CaM（钙调蛋白）和CML（CaM样蛋白）是植物免疫中重要的Ca²⁺传感器。CaM具有四个EF手结构域，在真核生物中高度保守，参与通过靶向各种CaM结合蛋白（如通道、酶和转录因子）传递Ca²⁺信号。CaM在免疫信号传导中的作用主要通过调节CaM结合转录因子（CaMBP）实现。例如，CBP60g通过上调SA（水杨酸）生物合成酶ICS1的表达来正向调节植物免疫。而CAMTA3（钙调蛋白结合转录激活因子3）则作为负调节因子，控制SA生物合成调节因子EDS1的表达，调节免疫反应。CPK5的磷酸化可以使CAMTA3蛋白不稳定，从而激活免疫反应。
此外，CML蛋白（如CML46和CML47）在免疫反应中发挥重要作用，尤其是在限制病原诱导的SA积累方面。CBP60g同源物CBP60a也参与限制基础SA积累，但不如CML46和CML47在病原诱导的SA积累调控中起到直接作用。
另一方面，CBL（钙调磷酸酶B样）也是一种Ca²⁺传感器，它与植物特异性CIPK（CBL相互作用蛋白激酶）形成复合物，通过磷酸化激活CIPK，调节下游靶标的特异性和活性。CBL-CIPK复合物在植物发育、营养和非生物胁迫中发挥重要作用，特别是在调控膜运输过程中。在细胞外Ca²⁺浓度增加时，CBL2/3与CIPK3/9/26形成复合物，激活液泡Ca²⁺转运器CAX1/3，将Ca²⁺转运入液泡，防止过量Ca²⁺引起的细胞毒性。
这些发现表明，Ca²⁺/CaM和Ca²⁺/CBL信号通路在植物免疫中的精细调控作用，尤其是在调节SA生物合成、免疫反应和细胞内Ca²⁺稳态方面。
结论与观点
1. Ca²⁺如何调节通透通道活性以诱导植物免疫？
Ca²⁺在植物免疫反应中起着核心作用，尤其是在通过Ca²⁺可渗透通道调节免疫反应的启动和维持中。在没有病原体感染时，Ca²⁺通道（如CNGC2-CNGC4）的活性受到CaM的负调控，维持植物细胞的静止状态。然而，病原体感染后，BIK1的磷酸化激活这些通道，促进Ca²⁺的内流并启动免疫反应。此外，BAK1和SERK4通过调节CNGC20-CNGC19通道的磷酸化和降解，抑制Ca²⁺内流，从而限制免疫反应的过度激活。这些机制表明，Ca²⁺通透通道的活性和稳定性在免疫反应的调控中起着至关重要的作用，确保植物能够有效应对病原体而避免过度反应。
2. Ca²⁺内流如何在ETI反应中触发HR细胞死亡？
ETI反应中的HR细胞死亡是通过Ca²⁺内流和ROS生成触发的。研究表明，病原体感染导致胞质[Ca²⁺]的升高，这一过程是ETI反应启动的关键。通过抑制Ca²⁺内流，ETI反应和HR细胞死亡显著被抑制，表明Ca²⁺内流在细胞死亡过程中起到了关键作用。Ca²⁺不仅通过其离子毒性作用影响细胞活力，还可能作为信号分子，通过激活下游信号通路调控细胞死亡。此外，Ca²⁺信号还能够诱导ROS的爆发，这些ROS（如H₂O₂）在HR细胞死亡的启动中发挥了潜在作用。总的来说，Ca²⁺内流通过调节细胞内Ca²⁺水平，激活免疫反应并引发细胞死亡，从而帮助植物限制病原体的扩散。
总的来说，Ca²⁺在植物免疫反应中的作用复杂且至关重要，它通过调节Ca²⁺通透通道的活性、与免疫信号通路的相互作用以及影响ROS的生成，来驱动植物的免疫反应。这些机制的研究不仅有助于深入理解植物免疫的基础，还可能为开发新的植物免疫调节策略提供潜在的应用前景。
总结:
本篇文章深入探讨了Ca²⁺在植物免疫中的关键角色，特别是在模式触发免疫（PTI）和效应触发免疫（ETI）中的信号传导机制。文章强调了Ca²⁺通过调节不同的Ca²⁺可渗透通道（如CNGC、NLR、CML等），在植物免疫反应中发挥至关重要的作用。Ca²⁺内流激活下游的免疫反应，包括活性氧（ROS）生成、转录因子的激活和细胞死亡（如HR细胞死亡），并通过这些信号传导途径调控免疫反应的强度与持久性。
文章还指出，Ca²⁺信号在植物免疫中的调控是高度精细的，既包括正向调节（如CNGC通道的激活）也包括负向调节（如CPK28对BIK1稳定性的调节）。尤其是在ETI反应中，NLR蛋白（如CNL、RNL）通过形成Ca²⁺-可渗透的通道，对免疫反应的激活和HR细胞死亡至关重要。此外，Ca²⁺信号与植物激素（如水杨酸、乙烯）相互作用，进一步调控免疫反应的平衡和持久性。
尽管Ca²⁺信号在植物免疫中的作用已经得到广泛关注，但在小麦等重要作物中的研究仍然较为有限。未来的研究可以重点探讨Ca²⁺如何通过不同的Ca²⁺可渗透通道（如CNGC、NLR等）调控小麦对病原的免疫反应，特别是在小麦抗病性基因（如白粉病、赤霉病等）研究中，Ca²⁺信号可能发挥关键作用，帮助我们更好地理解小麦如何调节免疫反应以适应不同的病原挑战。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ncrops.2024.100027
