УДК 581.1

ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ КАЛЬЦИЕВОГО СИГНАЛА В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ

© 2018 г. С. С. Медведев

Биологический факультет Санкт-Петербургского государственного университета, Санкт-Петербург

Поступил в редакцию 05.12.2017 г.

 

Ионы Са2+ обладают уникальными свойствами и универсальной способностью в проведении различных сигналов, оказывающих на клетку первичное воздействие, ˗ гормонов, патогенов, света, гравитации, различных абиотических стрессоров. В последние годы достигнут значительный прогресс в расшифровке механизмов участия ионов Са2+ в регуляции ответных реакций растений. Выявлены гены и кодируемые ими Са2+-проницаемые каналы, которые обеспечивают мембранные потоки ионов Са2+ при проведении Са2+-сигнала. К ним относятся лиганд-управляемые Са2+-проницаемые каналы, которые активируются циклическими нуклеотидами (CNGC) и аминокислотами (глутамат-рецептороподобные (GLR) каналы), потенциал-чувствительный канал тонопласта TPC1, механочувствительные каналы (MSL, MCA, OSCA1) и аннексины. Детально изучен процесс активного выкачивания избытка Са2+цит в апопласт или внутрь органелл Са2+-АТФазами и/или Са2++-обменниками. Показано, что кальмодулины (CaM), CaM-подобные белки (CML), Са2+-зависимые протеинкиназы (CDPK), а также комплексы кальцинейрин-В-подобных белков (CBL) с CIPK протеинкиназами формируют сложные сигнальные сети, с помощью которых происходит декодирование Са2+-сигнала и формирование ответных реакций растительной клетки на внешние стимулы. В обзоре проведен анализ накопленных за последнее десятилетие сведений о принципах формирования и распространения кальциевого сигнала в растительной клетке.

 

__________________

Сокращения: ACA – Са2+-помпы плазмалемного типа; Са2+цит – концентрация ионизированного кальция в цитоплазме; CaCA – Ca2+/катион антипортеры; CBL – кальцинейрин-В-подобные белки; СаМ – кальмодулин; CAX – H+/катионный обменник; CDPK – кальций-зависимая протеинкиназа; CIPK – CBL-зависимые протеинкиназы; CML – кальмодулин-подобные белки; CNGC – неселективные каналы, активируемые циклическими нуклеотидами; DACCs – потенциал-регулируемые Са2+-каналы, активирующиеся при деполяризации; ECA – Са2+-помпы типа эндоплазматического ретикулума; GLR-каналы – глутамат-рецептороподобные неселективные каналы; HACCs – потенциал-регулируемые Са2+-каналы, активирующиеся при гиперполяризации; IP3 – инозитол-1,4,5-трисфосфат; SV-каналы – медленные вакуолярные каналы; TPC1 – двухпоровый Са2+-проницаемый канал.

 

Адрес для корреспонденции: Медведев Сергей Семенович. 199034 Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9. Санкт-Петербургский государственный университет, биологический факультет, кафедра физиологии и биохимии растений. Электронная почта: s.medvedev@spbu.ru

 

Ключевые слова: кальций кальциевая сигнализация Са2+-проницаемые каналы Са2+-АТФазы Са2++-обменники кальциевые спайки, волны и осцилляции Са2+-связывающие белки сенсоры трансдукция сигналов.

 

ВВЕДЕНИЕ

Растения обладают эффективными механизмами рецепции, трансдукции и ответных реакций на широкий спектр сигналов, поступающих как из внешней, так из внутренней среды. В процессе восприятия сигналов происходит формирование пула вторичных посредников, из которых кальций является универсальным сигнальным ионом [1–3]. За последние 10 лет появилось много экспериментальных данных, указывающих на то, что кальциевая сигнальная система является главным элементом в регуляции таких процессов как рост и дифференцировка [4], реакция самонесовместимости в системе пыльца–рыльце [5], проведение эндосимбиотических сигналов [6, 7], реакциях, индуцированных патогенами и элиситорами [8, 9], гравитропизм [10] и фототропизм [11], сборка и разборка элементов цитоскелета [12, 13], движения замыкающих клеток устьиц [14–16], а также полярный рост клеток и тканей растений [17–20]. Показано также, что кальций участвует в адаптации к многим стрессовым воздействиям [21, 22], таким как холодовой шок [23], засоление [24], элиситоры [8], осмотический шок [25], механическое раздражение [26] и оксидативный стресс [27–29]. Появляется все больше фактов, доказывающих, что кратковременное повышение уровня ионизированного кальция в цитоплазме служит основным элементом в трансдукции гормональных сигналов: АБК [14, 30], ИУК [31, 32], этилена [33], брассиностероидов [34], салициловой [35] и жасмоновой [36] кислот.

Концентрация свободного Ca2+ в цитоплазме (Са2+цит) в состоянии покоя очень низка и колеблется от 70 до 150 нМ. При этом уровень свободного кальция в апопласте, а также в некоторых клеточных органеллах (например, в вакуоли) достигает 1 мМ [37, 38]. Таким образом, на клеточных мембранах формируются огромные градиенты ионизированного кальция, которые обеспечивают пассивные потоки этого иона в цитоплазму через Са2+-проницаемые каналы. Поддержание градиентов ионов Са2+ на клеточных мембранах обеспечивают кальциевые насосы [39, 40], которые выкачивают кальций из цитоплазмы в апопласт и клеточные органеллы.

На первых этапах формирования кальциевого сигнала происходит локальное повышение Са2+цит и взаимодействие свободного кальция с белками-сенсорами. В процессах формирования пространственно-временных параметров Са2+-сигнала главным элементом является согласованное функционирование кальциевых каналов и насосов [1, 3, 38]. «Гашение» сигнала осуществляется путем выкачивания ионов Са2+ из цитоплазмы Са2+-АТФазами и/или Са2++-обменниками. За последнее десятилетие произошли кардинальные изменения в представлениях о кальциевой сигнальной системе растений. Выявлены десятки генов, которые кодируют белки (Са2+-проницаемые каналы, Са2++-обменники, аннексины), участвующие в мембранном транспорте ионов Са2+ в растительной клетке [3, 38–40]. Значительно расширен спектр кальциевых белков-сенсоров [2, 3]. Созданы новые конструкции Ca2+-чувствительных биосенсоров, которые позволяют прижизненно регистрировать распространение кальциевого сигнала в растительных клетках и тканях [29]. Основной задачей данного обзора является анализ современных представлений о мембранных транспортерах ионов Са2+, участвующих в формировании Са2+-сигнала в растительной клетке, и его трансдукции с помощью кальциевых белков-сенсоров.

 

КАЛЬЦИЙ-ПРОНИЦАЕМЫЕ КАНАЛЫ

Са2+-проницаемые каналы обычно подразделяют на две основные группы потенциал-зависимые и лиганд-управляемые. Однако такое деление достаточно условно, поскольку для многих потенциал-зависимых Са2+-каналов показана прямая регуляция лигандами. В свою очередь активность лиганд-управляемых каналов может зависеть также от величины мембранного потенциала. Активность Са2+-проницаемых каналов может регулироваться фосфорилированием и дефосфорилированием, механическим раздражением, взаимодействием с элементами цитоскелета. Са2+-проницаемые каналы выявлены в плазматической мембране и эндомембранах электрофизиологическими, биохимическими и молекулярно-генетическими методами [38, 41–43]. Са2+-проницаемые каналы являются наиболее важным элементом в процессе формирования, кодирования и передачи Са2+-сигналов в растительной клетке.

Потенциал-зависимые Са2+-каналы растений по своему эволюционному происхождению, по-видимому, отличаются от потенциал-зависимых Са2+-каналов животных [42]. В секвенированных геномах растений до сих пор не удалось выявить гены, кодирующие Са2+-селективные каналы, гомологичные животным организмам. В обзоре R. Hedrich [42] раздел, посвященный Са2+-каналам, был назван «Calcium channels: currents but no genes». Автор хотел подчеркнуть, что наличие большинства Са2+-селективных каналов показано пока только электрофизиологическими методами, однако гены, которые их кодируют пока выявить не удалось. Потенциал-регулируемые Са2+-каналы растений делятся на два типа: активирующиеся при гиперполяризации мембраны (hyperpolarization-activated calcium channels, HACCs) и активирующиеся при деполяризации (depolarization-activated calcium channels, DACCs).

Са2+-проницаемые каналы, активирующиеся при гиперполяризации, найдены в плазмалемме клеток корневых волосков, эндодермы, эпидермы и коры корня арабидопсиса [38, 43]. Некоторые из этих каналов пропускают двухвалентные катионы, такие как Ca2+, Ba2+ и Sr2+, лучше, чем одновалентные катионы, тогда как другие обладают хорошей проницаемостью как для двухвалентных, так и для одновалентных катионов. Они более специфичны к Са2+, чем к К+. Все HACC блокируются ионами лантанидов и нечувствительны к блокаторам калиевых и анионных каналов. Важным свойством HACC является их стимуляция Ca2+цит. Критической особенностью ряда HACC является также их активация такими активными формами кислорода, как H2O2 и гидроксильный радикал (HO) [38]. Са2+-проницаемые каналы, активируемые гиперполяризацией, могут участвовать в ответных реакциях растений на элиситоры и патогены. В клетках томатов выявлены Са2+-каналы, которые активируются при мембранном потенциале выше –120 мВ. В томатах данный тип Са2+-каналов, вероятно, играет существенную роль при взаимодействии растения и патогенных грибов.

Са2+-каналы, активируемые деполяризацией, открываются, когда мембранный потенциал становится ниже 100 мВ. Максимальная активация Са2+-каналов этого типа происходит при снижении мембранного потенциала до 60 мВ и зависит от конкретных условий эксперимента и объекта [38, 43]. При этом в качестве эффективного механизма деполяризации часто служит поток анионов из клетки через анионные каналы плазмалеммы. Са2+-каналы, активируемые при деполяризации, имеют важное значение в ответных реакциях растений на внешние воздействия. Целый ряд сигналов, включая синий и красный свет, фитогормоны, Nod-факторы и грибные элиситоры, вызывают быструю деполяризацию мембраны, которая достаточна для открывания Са2+-проницаемых каналов плазмалеммы.

К Са2+-каналам, активируемым деполяризацией, относятся также медленные вакуолярные или SV каналы (slowly activating vacuolar), которые обнаружены во многих растительных тканях [3, 43, 44]. Они активируются при изменении мембранного потенциала тонопласта от (–30)–(–50) мВ до (+10)(+30) мВ. SV-каналы неселективны для катионов и проницаемы не только для Cа2+, но также для Ba2+ и Mg2+, а также в меньшей степени для K+, Na+, Rb+ и Cs+.

После того, как в геноме арабидопсиса был выявлен ген At4g03560, кодирующий двухпоровый Cа2+-проницаемый канал TPC1 (two-pore channel или tandem-pore channel), оказалось, что он гомологичен SV каналу тонопласта [42–44]. Особенно активно ген AtTPC1 экспрессируется в зеленых стручках и развивающихся семенах арабидопсиса, а также в его в листьях, стебле и тканях корня. TPC1 участвует в регуляции замыкающих клеток устьиц, прорастании семян, биосинтезе жасмоновой кислоты, распространении Ca2+ волны, генерируемой при обработке растительных клеток NaCl [29, 42–44]. ТРС1 представляет собой Cа2+-проницаемый канал, который содержат 12 трансмембранных доменов и две поры, проницаемые для Ca2+ и других катионов. Кристаллографический анализ при разрешении 2.8 × 4.0 × 3.3 Å показал, что TPC1 арабидопсиса является гомодимером, который включает два шейкер-подобных канала, каждый из которых состоит из 6 трансмембранных доменов [45]. Порообразующие спирали находятся между 5–6, а также 11–12 трансмембранными доменами. Между 6 и 7 трансмембранными доменами имеется цитоплазматическая петля, содержащая сайты для связывания ионов Ca2+ (EF-рука). Сенсоры напряжения находятся в 4 и 10 трансмембранных доменах. [44, 45]. Активность TPC1 регулируется мембранным потенциалом, а также ионами Ca2+.

Лиганд-управляемые каналы открываются в результате взаимодействия некоего лиганда (вторичного посредника, гормона) со специфическим рецептором, входящим (или не входящим) в состав канала. В растительных клетках найдены лиганд-управляемые Са2+-каналы, которые активируются циклическими нуклеотидами, глутаматом, АФК, АDP, IP3 и АБК [38, 41, 42, 46, 47]. В геномах растений найдено два семейства генов, которые кодируют субъединицы канала, имеющие некоторое отношение к животным аналогам – это каналы, активируемые циклическими нуклеотидами цAМФ и цГМФ (cyclic nucleotide-gated channel, CNGC) и глутамат-рецептороподобные (glutamate receptor-like, GLR) каналы.

В геноме арабидопсиса выявлено около 20 генов, кодирующих неселективные каналы, активируемые циклическими нуклеотидами. Эти каналы состоят из 4-х мономеров. Каждый из мономеров имеет 6 трансмембранных доменов, поровый домен, сенсор мембранного потенциала, домен для связывания нуклеотидов, а также сайт для кальмодулина, который частично перекрывается с нуклеотид-связывающим доменом [42, 48, 49]. Показано, что CNGC вовлечены в реакции растений на патогены, адаптацию к абиотическим и биотическим воздействиям, а также в регуляцию полярного роста пыльцевой трубки и корневого волоска [20, 48, 50–52]. Известно два типа этих каналов CNG (cyclic nucleotide-gated) и HCN (hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated). Оба типа каналов аллостерически активируются циклическими нуклеотидами, при этом для активации HCN-каналов необходима еще и деполяризация мембраны. Следует отметить, что HCN-каналы проницаемы не только для калия, но и для натрия. Селективность CNG-каналов еще ниже они проницаемы также для двухвалентных катионов. Предполагается, что CNGC используются, главным образом, для мембранного транспорта ионов кальция, натрия, однако они могут также использоваться для неселективного транспорта других катионов.

Обсуждаемые в литературе Са2+-проницаемые каналы, как правило, являются неселективными катионными каналами. В отличие от их аналогов для животных, они не содержат Ca2+-селективный фильтр и поэтому не демонстрируют высокие коэффициенты проницаемости Ca2+/K+ и Ca2+/Na+. Тем не менее, имеются данные, свидетельствующие о том, что некоторые из них демонстрируют высокую проницаемость только для ионов Ca2+ [38, 42]. Основными кандидатами на роль Са2+-каналов для растительных организмов, по-видимому, являются именно CNGC. Некоторые из них (CNGC7–10 и CNGC18) являются высокоселективными для Ca2+ и не пропускают Na+ и K+ [20, 53]. Показано, что CNGC14 участвуют в формировании потока ионов Ca2+ в цитоплазму клеток корней при обработке их ИУК [32], обеспечивая таким способом быструю передачу ауксинового сигнала в корневой системе арабидопсиса.

Глутамат-рецептороподобные (GLR) каналы представляют собой большую группу ионных каналов, участвующих в пассивном транспорте Ca2+ у растений [54–56]. Катионная проводимость, активируемая такими аминокислотами, как глутамат и глицин и рядом других, играет важнейшую роль в синаптической передаче и иммунном ответе у животных организмов. Катионные каналы, ответственные за эти проводимости называют ионотропными глутаматными рецепторами (iGluR/GLR). После связывания c глутаминовой кислотой, GLR формируют катионные каналы с различной селективностью, проводимостью, кинетическими и фармакологическими свойствами [38, 56]. У арабидопсиса найдено около 20 генов, кодирующих гомологичные животным неселективные катионные каналы, активирующиеся после связывания с глутаминовой кислотой. Глутамат-активируемые неселективные катионные каналы хорошо проницаемы для ионов Са2+ и одновалентных катионов, не обладают выраженной потенциал-зависимостью, ингибируются Gd3+, La3+ и хинином.

Глутамат играет ключевую роль как сигнальная молекула, транспортируемая между органеллами, в процессах синтеза и катаболизма аминокислот, а также в фотодыхании. Глутамат, по-видимому, участвует во внутриклеточной координации процессов фотосинтеза и азотного метаболизма, контролируя ионные потоки между клеточными компартментами через регуляцию активности GLR.

Глутамат-активируемые каналы, участвующие в транспорте катионов, выявлены в плазматической мембране клеток корней арабидопсиса [57]. Особенно они активны в клетках эпидермиса. Исследования тестирования нокаутов GLR продемонстрировали, что эти каналы могут быть задействованы во множестве физиологических функций растения: инициации образования боковых корней, гомеостазе металлов с переходной валентностью, реакции несовместимости в системе пыльца–рыльце, защите от патогенов и фотосинтезе [56–58].

Механочувствительные ионные каналы являются структурами, с помощью которых клетка воспринимает и преобразует механо-осмотические воздействия в поток ионов. Эти каналы ответственны за восприятие осмотического шока, прикосновения и силы тяжести. Эти каналы, как правило, неселективны и проницаемы для ионов кальция и/или калия и хлорида. Чувствительность к механическим стимулам и к натяжению плазматической мембраны у растений опосредуется четырьмя группами каналов: MSL (‘mechanosensitive channels of small (MscS) conductance’-like channels), MCA-каналами (mid-complementing activity channels), механо-чувствительным пьезо-каналом (piezo-channel), а также двухпоровыми К+-каналами TPK [59, 60].

MSL-каналы являются гомологами типичных бактериальных механочувствительных каналов. Это наиболее хорошо изученный класс механочувствительных каналов растительных организмов. У арабидопсиса выявлено 10 генов, которые кодируют этот тип ионных каналов [38, 60]. На основе различий в аминокислотных последовательностях MSL делят на три различные группы. Эти каналы не имеют датчика напряжения, потенциально проницаемы для анионов и крупных органических молекул и функционируют как гепта- или пентамеры.

MCA-каналы локализованы в плазматической мембране и функционируют как тетрамеры, поскольку имеют один трансмембранный домен. MCA-каналы содержат кальций-связывающий EF-домен. Поэтому их активность может регулироваться уровнем ионов Са2+. У арабидопсиса выявлено 2 гена, которые кодируют этот тип каналов. Предполагается, что именно MCA-каналы отвечают за активацию НАДФ∙H-оксидазы ионами Са2+ и продуцирование этим ферментом АФК в ответ на осмотический шок [38, 59].

Yuan с соавт. [61] выявили еще один уникальный по своим свойствам Са2+-проницаемый механочувствительный канал OSCA1 (reduced hyperosmolality-induced [Ca2+]cyt increase 1), который активируется при гиперосмотичности среды. Этот канал локализован в плазматической мембране, содержит девять трансмембранных доменов, одну пору между восьмым и девятым трансмембранными доменами и, по-видимому, выполняет функции осмосенсора растительной клетки. OSCA1 не специфичен по отношению к одно- или двухвалентным катионам и демонстрирует следующий ряд проницаемости: K+ ˃ Ba2+Ca2+ ˃ Na+ = Mg2+ = Cs+.

Аннексины – это небольшие (от 32 до 42 кДа) белки, выявленные во всех тканях растения. Восемь генов, кодирующих аннексины, выявлены у арабидопсиса, десять – у риса, 23 – у сои, 25 и 11 – в пшенице и ячмене, соответственно [62, 63]. Их уровень варьирует в ходе онтогенеза, при изменении факторов внешней среды (температуры, освещенности, обеспеченности водой и минеральными элементами) и при воздействии ряда стрессоров (засоления, тяжелых металлов, гравистимуляции, патогенов). Растения содержат несколько изоформ аннексинов, которые могут участвовать в связывании актина, регулировать активность активность фосфодиэстераз и пероксидаз, а также участвовать в транспорте катионов [62]. В отличие от обычных транспортных белков, аннексины могут находиться в цитоплазме и апопласте, а также могут быть связанными или встроенными в мембрану. Типичным примером этой группы белков является аннексин 1 арабидопсиса (AtANN1; At1g35720), который преобладает в цитоплазме, выявлен в виде интегрального белка в плазмалемме и эндомембранах (эндоплазматическом ретикулуме, тонопласте, митохондриях и хлоропластах), а также во флоэмном эксудате и апопласте.

Аннексины способны к Са2+-зависимому или Са2+-независимому связыванию с отрицательно заряженными группами мембранных фосфолипидов. Встраивание в плазматическую мембрану может дестабилизировать мембранный бислой, приводить к появлению пор или модулировать потоки ионов через мембраны [62]. В опытах с протопластами, выделенными из эпидермы корня арабидопсиса, экспрессирующих экворин, показано, что их экзогенная обработка полученными из кукурузы аннексинами приводит к увеличению уровня ионизированного кальция в протопластах [64]. Дальнейший фармакологический анализ показал, что повышение содержания кальция в протопластах связана с активацией аннексинами Са2+-проницаемых неселективных катионных каналов с внеклеточной стороны плазматической мембраны. В работе Richards с соавт. [65] показано, что аннексин 1 способен регулировать индуцируемый H2O2 кальциевый сигнал в корнях арабидопсиса. Таким образом, способность участвовать в транспорте ионов Ca2+ указывает на аннексины, как новый тип мембранных переносчиков ионов в растениях, которые могут принимать участие в системе кальциевого сигналинга растительной клетки.

 

АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ КАЛЬЦИЯ В РАСТИТЕЛЬНОЙ КЛЕТКЕ

Система активного транспорта ионов Са2+ необходима для поддержания низкой концентрации ионов Са2+ в цитоплазме, формирования пространственно-временных параметров Са2+-сигнала, а также для пополнения запасов кальция в клеточных органеллах для последующего его высвобождения через Са2+-проницаемые каналы в ходе проведения Са2+-сигнала. Активный транспорт ионов Са2+ обеспечивается Са2+-АТФазами и Н+/Са2+-обменниками [3, 39, 40, 66, 67]. Для каждого из этих двух типов транспорта в качестве источника энергии используется АТФ; однако работа Н+/Са2+-антипортеров осуществляется в режиме вторично-активного транспорта и поэтому зависит от электрохимического градиента ионов Н+, который создается протонными помпами. Митохондрии, хлоропласты и вакуоли способны накапливать ионы кальция в больших количествах. Мембраны этих органелл отличаются высоким содержанием Са2+-транспортирующих систем, которые, однако, обладают низким сродством к этому катиону. Работа Н+/Са2+-переносчиков вакуоли, митохондрий и особенно хлоропластов обеспечивает эффективное, но не слишком избирательное удаление излишков ионов Са2+ из цитозоля. Более тонкая коррекция уровня кальция в цитоплазме осуществляется за счет работы Са2+-АТФаз плазматической мембраны и эндоплазматического ретикулума, отличающихся более высоким сродством к ионам кальция [40].

Кальциевые АТФазы обеспечивают тонкую регуляцию уровня ионов Са2+ в цитоплазме и присутствуют во всех типах мембран растительной клетки [39, 40, 66]. Са2+-АТФазы (вместе с Са2+-проницаемыми каналами) участвуют в формировании специфичных пространственно-временных параметров (т.е. кодировании) Са2+-сигнала. В процессе прохождения сигнала, благодаря работе Са2+-АТФаз, происходит уменьшение концентрации цитозольного кальция до исходного уровня путем выкачивания из клетки или закачивания в вакуоль и/или в эндоплазматический ретикулум. Кальциевые помпы относятся к суперсемейству АТФаз Р-типа, поскольку в ходе ферментативного мембранного переноса ионов Са2+ образуется фосфорилированный интермедиат (Е~Р) Они подавляются ортованадатом и для транспорта ионов используют непосредственно энергию АТФ. Ортованадат является очень эффективным ингибитором всех АТФаз Р-типа, поскольку способен вместо фосфата специфически связываться с активным центром фермента. В качестве эффективного ингибитора Са2+-АТФаз также применяется эритрозин Б в концентрации 0.5 мкМ. Са2+-АТФазы обладают более высоким сродством к кальцию (КМ = 0.012.0 мкМ) и меньшей мощностью по сравнению с Са2++-обменниками (КМ = 210 мкМ) [68, 69].

Кальциевые АТФазы растительных клеток (по аналогии с животными) делят на два семейства [39, 66]: Са2+-помпы плазмалемного типа P2В (или ACA autoinhibited Ca-ATPase) и Са2+-помпы типа эндоплазматического ретикулума P2А (или ECA ER-type Са2+-ATPase). Эти два типа Са2+-АТФаз различаются по чувствительности к кальмодулину и к циклопиазоновой кислоте. В общих чертах строение Са2+-АТФаз типов ACA и ECA аналогично [39]. Они состоят из 10 трансмембранных и трех цитозольных доменов, а также из участков для связывания ATP и фосфорилирования. Основным свойством Са2+-помп плазмалеммного типа (ACA) является активация кальциевым белком-сенсором кальмодулином. Считается, что ACA являются высокоспецифичными насосами для ионов Са2+ и играют главную роль в транспорте кальция (в микромолярном диапазоне) через плазмалемму из цитозоля в апопласт [39]. ACA содержат автоингибиторный домен, который служит для взаимодействия с кальмодулином (K0.5 30–110 нM) и снятия, таким образом, ингибирования фермента [68]. Следует отметить, что в отличие от животных, автоингибиторный домен растительной Са2+-АТФазы P2В-типа локализован на N-, а не на С-конце белковой молекулы.

Са2+-помпы ECA-типа не чувствительны к кальмодулину, специфически подавляются циклопиазоновой кислотой в концентрации менее 0.1 мкМ. У растений Са2+-АТФзы типа ECA обнаружены не только в эндоплазматическом ретикулуме, но также в других мембранах [39]. Помимо кальция, ECA способны также транспортировать другие двухвалентные ионы – Mn2+, Cd2+ и Zn2+.

Са2++-обменники обеспечивают транспорт кальция против градиента электрохимического потенциала за счет энергии электрохимического градиента ионов Н+ [3, 40, 70]. Са2++-обменники обладают относительно низким сродством к ионам Са2+М = 1015 мкМ) и большой мощностью. Стехиометрия сопряженного Са2++-транспорта на тонопласте составляет 1:1 [38]. Са2++-обменники обычно активируются при резком возрастании содержания кальция в цитоплазме. Протонный градиент на вакуолярной мембране формируется в результате работы Н+-АТФазы или Н+-пирофосфатазы. Сопряженный Са2++-транспорт может быть легко выявлен из-за его чувствительности к специфическому ингибитору V-АТФаз бафиломицину A1, протонофорам, а также нечувствительности к ванадату ингибитору транспортных АТФаз Р-типа [66, 70, 71].

Первым клонированным геном Са2++-антипортера растений был САХ1 (cation exchanger 1) [70]. Этот ген был идентифицирован по его способности восстанавливать рост мутанта дрожжей с нарушением вакуолярного транспорта ионов Са2+ на средах с высоким содержанием кальция. САХ1 транспортирует ионы Са2+ с низкой аффинностью [КМ около 13 мкМ), сопоставимой с кинетикой Са2++-антипортной проводимости тонопласта.

Функциональный и филогенетический анализ показал, что САХ-переносчики относится к семейству Ca2+/катион-антипортеров (CaCA, Ca/cation antiporter), которое включает 5 типов переносчиков: Na+/Ca2+-обменник (NCX), Na+/Ca2+, K+-обменник (NCKX), H+/катион-обменник (CAX), катион/Ca2+ (CCX) и YRBG переносчики (названные по гену yrbG E.coli) [72]. CaCA-антипортеры участвуют в мембранном транспорте ионов Ca2+ и/или других катионов с использованием электрохимического потенциала другого иона (H+ или Na+) [40, 69]. У цветковых растений наиболее часто встречаются CAX и CCX переносчики, которые вовлечены в проведение Ca2+-сигналов, ответные реакции на стрессовые воздействия, а также в регуляцию рН цитозоля [40, 72]. У арабидопсиса выявлено шесть CAX-генов, которые кодируют H+/Ca2+-обменники, а также пять генов CCX, кодирующих Na+/Ca2+-обменники [67].

 

ФОРМИРОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ КАЛЬЦИЕВОГО СИГНАЛА

Под действием сигналов, поступающих из внешней и внутренней среды организма, происходит активация Са2+-каналов и формирование потоков кальция в цитоплазму из компартментов с высоким в компартменты с низким электрохимическим потенциалом ионов Са2+ [1, 73]. В результате, в цитоплазме вблизи внутреннего устья Са2+-каналов формируются локальные участки с высокой концентрацией свободного кальция (рисунок). Такой локальный сигнал представляет собой элементарное событие, лежащее в основе кальциевой сигнализации [73–75]. Элементарные (локальные) кальциевые сигналы могут формировать два типа ответных реакций. Во-первых, они могут влиять на клеточные процессы, происходящие в непосредственной близости от активированных каналов. Во-вторых, элементарные сигналы, воздействуя на другие типы Са2+-проницаемых каналов, способны инициировать масштабное возрастание уровня ионов Са2+ в цитоплазме в форме Са2+-осцилляций и Са2+-волн, что вызывает активацию уже глобальных клеточных процессов [29, 76].

Кодирование кальциевых сигналов. Специфичность в кодировании кальциевых сигналов достигается тем, что различные внешние стимулы вызывают различающиеся друг от друга колебания (по локализации, амплитуде и частоте) уровня ионизированного кальция в цитоплазме [74, 75]. Определяющую роль при этом играют Са2+-проницаемые каналы и Са2+-АТФазы растительной клетки, которые участвуют и в кодировании, и в передаче Са2+-сигнала. Наличие различных типов Са2+-проницаемых каналов предполагает множественность способов регуляции поступления ионов Са2+ в цитоплазму – мембранным потенциалом, циклическими нуклеотидами, механо-осмотическими воздействиями [3, 43]. В формировании и кодировании Са2+-сигналов важная роль принадлежит и Са2+-насосам растительной клетки, которые, выкачивая ионы Са2+ из цитозоля, обеспечивают (вместе с Са2+-каналами) формирование специфических пространственно-временных параметров Са2+-сигнала [39, 40].

Для того, чтобы подчеркнуть разнородность и специфичность кальциевого сигнала по его амплитуде, частоте и локализации применяют термин кальциевая сигнатура (signature) (рисунок). Предполагается, что именно специфичность Са2+-сигнала, закодированная в его пространственно-временных характеристиках, может служить селективным триггером для ответных реакций [74, 75]. Однако имеются факты, указывающие на то, что механизм Са2+-сигнатуры не является универсальной формой передачи информации с помощью ионов Са2+. Имеются доказательства в пользу другой гипотезы, согласно которой сам по себе кальций не способен обеспечивать специфичность проводимого им сигнала, а функционирует только как химический “включатель”, работающий одновременно с другими сигнальными путями [77].

Кальциевые спайки, осцилляции и волны. Передача информация в клетке вторичными посредниками со скоростями диффузии может быть не всегда эффективна. Более быстрым и экономичным является волновой способ передачи информации с помощью ионов Са2+. При этом для кодирования сигнала могут быть использованы как частота, так и амплитуда колебаний концентрации ионов Са2+ в цитоплазме.

Однако следует учитывать, что для генерации Са2+-сигнала необходимо повышение Са2+цит, что может быть летально из-за связывания кальция с отрицательно заряженными соединениями, в частности с АТФ, и нарушением энергетики [74]. Чтобы избежать гибели, клетки используют такие кратковременные кальциевые сигналы, как одиночные спайки, осцилляции или Са2+-волны [74, 75].

Са2+-спайки, т.е. одиночные колебания Са2+цит выявлены в ответ на холодовой шок [23], засоление [24], элиситоры [8, 78], оксидативный стресс [27, 28], механическое раздражение [26].

Са2+-осцилляции (ритмичные колебания содержания Са2+цит) являются результатом цикличности процессов “вброса” кальция в цитоплазму через Са2+-проницаемые каналы каналы и выкачивания его Са2+-насосами в апопласт или клеточные органеллы Са2+-АТФазами и Са2++-обменниками [67, 75].

Самым ранним ответом замыкающих клеток устьиц на обработку гормоном АБК является повышение (через 2 с) уровня ионов Са2+ в цитозоле за счет активации кальциевых и анионных каналов плазмалеммы [14, 15, 41, 42]. Изменение уровня цитозольного Са2+ в ответ на АБК происходит в осциллирующем режиме (с частотой 10–12 мин и амплитудой от 200 до 600 нМ) и регистрируются почти 60 мин после воздействия гормоном [75]. Са2+-осцилляции индуцируются не только при обработке АБК, но также и при изменении концентрации кальция в наружной среде. Параметры Са2+-осцилляций зависят от концентрации экстраклеточного кальция чем выше концентрация кальция в среде инкубации, тем выше амплитуда колебаний ионов Са2+ в цитоплазме устьичных клеток. Замыкающие клетки, по-видимому, обладают уникальной способностью “суммировать” информацию о стимулах, вызывающих Са2+-осцилляции и “расшифровывать” параметры Са2+-сигнала, что позволяет им формировать соответствующую ширину устьичной щели [75]. Степень поддержания замыкающих клеток в низко-тургорном (т.е. закрытом) состоянии программируется количеством, частотой и амплитудой Са2+-осцилляций.

Хорошо известна способность растений формировать симбиозы с клубеньковыми бактериями и микоризообразующими грибами, что способствует их минеральному питанию. Одним из наиболее важных элементов образования этого симбиоза является генерация осцилляций ионизированного кальция в ядре растительной клетки [6, 7, 78]. В работе Monshause с соавт. [79] Ca2+-осцилляции регистрировались в корневых волосках трансгенных растений арабидопсиса, экспрессирующих Ca2+-чувствительный биосенсор Yellow Cameleon YC3.6. Генерация флуоресцирующего сигнала Yellow Cameleon YC3.6 основывается на механизме резонансного переноса энергии флуоресценции FRET (fluorescence resonance energy transfer). YC3.6 представляет собой химерный белок, который состоит из Са2+-сенсора кальмодулина (СаМ) и слитого с ним белка М13. Биосенсор Yellow Cameleon включает в себя два взаимодействующих между собой домена – донора флуоресценции, связанного с СаМ, и акцептора флуоресценции, объединенного с М13 [80]. При взаимодействии ионов Ca2+ с CaM, происходит изменение конформации белка, в результате чего флуоресцирующие домены сближаются друг с другом настолько, что становится возможным резонансный перенос энергии от донора флуоресценции к акцептору. Динамику Са2+цит оценивают по изменению отношения FRET-сигнала к фоновой флуоресценции донора с помощью конфокальной микроскопии.

С использованием этой новой методологии измерения уровня Са2+цит было установлено, что сфокусированный в апексе осциллирующий градиент ионов Са2+ может контролировать удлинение клеток с апикальным типом роста: сборку и разборку элементов цитоскелета, активность Са2+-зависимых регуляторных белков, везикулярную секрецию [79]. Скорость удлинения корневых волосков и апикальный градиент ионов Са2+ осциллировали с частотой 2–4 мин. Однако более точное измерение частоты осцилляций показало, что колебания Са2+цит отстают от колебаний роста на 5.3 ± 0.3 с [79].

Аналогичный подход также использовался Miwa с соавт. [81] при анализе Са2+-осцилляций и Са2+-спайков в корневых волосках трансгенных растений Medicago truncatula, экспрессирующих Са2+-зонд YC2.1. Показано, что обработка соответствующим Nod-фактором инициирует осцилляции Са2+цит в корневых волосках люцерны и активирует экспрессию гена ENOD11. При этом было выявлено, что обработка Nod-фактором приводит не только к изменению уровня Са2+цит в корневых волосках, но также вызывает генерацию Са2+-спайков в клетках эпидермы и коры корня люцерны.

Наиболее интересная особенность передачи информации с помощью ионов Са2+ касается волнового способа прохождения сигнала. Распространяясь по клетке, Са2+-волна может вызывать активацию не локальных, а глобальных клеточных процессов [74]. При этом Са2+-волны могут передаваться на соседние клетки и вызывать системную реакцию всего растительного организма [29, 32, 73, 74, 76]. В недавней работе Dindas с соавт. [32] показано, что локальная обработка отдельных клеток корней арабидопсиса ИУК (10 мкМ) индуцирует Ca2+-сигнал, который распространяется по тканям корня в виде Ca2+-волны и модулирует таким образом их ответ на ауксин. Выявлено также, что именно Са2+-волны инициируют адаптивные реакции растений в ответ на такие локальные стимулы, как поранение или солевой стресс. Точечная обработка NaCl вызывает повышение Са2+цит, которое приводит к возникновению Са2+-волны, распространяющейся в корнях, побегах и листьях арабидопсиса [82, 83]. В тканях эндодермы и коры корня арабидопсиса эти Са2+-волны передвигаются со скоростью около 400 мкм/с, пересекая таким образом несколько клеток за одну секунду [82].

 

ДЕКОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА Са2+-СИГНАЛА С ПОМОЩЬЮ БЕЛКОВ-СЕНСОРОВ

Скорость диффузии кальция в цитозоле гораздо ниже, чем в чистом растворе из-за связывания с белками цитоплазмы и цитоскелета [74]. Неспособность кальция быстро диффундировать позволяет сформировать относительно постоянные градиенты ионов Са2+ в цитоплазме, которые могут служить основой полярного роста клеток и везикулярной секреции. Низкая скорость диффузии также позволяет локально повысить уровень ионизированного кальция в определенных участках цитоплазмы в течение времени, достаточного для передачи сигнала с помощью кальциевых белков-сенсоров (рисунок), которые осуществляют декодирование кальциевого сигнала [84–86].

Большинство Са2+-связывающих белков содержат уникальную, состоящую из 29 аминокислотных остатков последовательность, получившую название EF-рука [87, 88]. Эта структура, состоящая из домена спираль-петля-спираль (helix-loop-helix), связывает ионы Са2+ с высокой специфичностью. После образования комплекса кальция с белком-сенсором происходят значительные изменения структуры белковой молекулы, которая приобретает способность транслировать кальциевый сигнал далее. Геном арабидопсиса содержит около 250 генов, кодирующих белки с EF-рукой, из которых около 100 белков выполняют функции кальциевых сенсоров [50, 84]. Белки этого суперсемейства отличаются по числу EF-рук (от 1 до 6), сродством к ионам Са2+ d может варьировать от 10-5 до 10-9 M), селективностью и сродством к белкам-мишеням [87]. Растительные белки-сенсоры, содержащие EF-руку, представлены кальмодулином (CaM), кальмодулин-подобными белками (CML, calmodulin-like protein), Са2+-зависимыми протеинкиназами (CDPK, Са2+-dependent protein kinase) и кальцинейрин-В-подобными белками (CBL, calcineurin B-like).

Кальмодулин (СаМ) содержит 4 EF-руки и связывает, соответственно, 4 иона Са2+. Типичный СаМ состоит из 149 остатков аминокислот и является высоко консервативным и уникальным кальциевым сенсором эукариот, который найден у всех низших и высших растений. Для кальмодулина высших растений характерно (в отличие от животных) наличие бóльшего числа изоформ. В геноме арабидопсиса выявлено 7 генов, которые кодируют четыре высококонсервативные изоформы кальмодулина (CaM1/4, CaM2/3/5, CaM6 и CaM7), а также 50 генов, кодирующих кальмодулин-подобные белки (CML) [84, 87, 89].

CaM не обладает собственной каталитической активностью. Основной функцией кальмодулина и CML является способность специфически связываться с кальцием и с помощью соответствующих протеинкиназ регулировать активность и функции многих белков-мишеней.

У растительных организмов выделяют четыре типа CaM-связывающих протеинкиназ [89]. К первой группе относятся Са2+- и кальций/кальмодулин-зависимые протеинкиназы – ССаМК (Са2+ and calcium/calmodulin-dependent protein kinases). CCaMK представляют собой специфические для растений протеинкиназы, которые содержат киназный домен, CaM-связывающий автоингибирующий домен, а также визинин-подобный домен (VLD, visinin-like domain), включающий три Са2+-связывающих EF-руки. Вторая группа включает протеинкиназы, родственные CDPKCRK (CDPK-related kinases). Третья группа относится к рецептороподобным киназам (RLK), и поэтому они называются CaM-связывающими рецептор-подобными киназами (CaM-binding receptor-like kinases). Четвертая группа включает митоген-активируемые протеинкиназы (MAPK), которые регулируются Ca/CaM, что создает возможность взаимодействия между MAP-киназной и кальциевой сигнальными системами.

К белкам-мишеням растений, активность которых регулируется CaM/CML, относятся транскрипционные факторы, протеинкиназы и протеинфосфатазы, ионные помпы, обменники и каналы, белки цитоскелета и другие [21, 85, 90]. Многие из этих белков мишеней кальциевого сигнала прямо или косвенно регулируют ответные реакции растений на повреждение патогенами и насекомыми, а также на тепловой и холодовой шок, заморозки и засоление, тяжелые металлы и засуху [21, 85, 86, 89, 90].

Са-зависимая протеинкиназа (CDPK) представляет собой уникальный тип Са2+-сенсора, который не только связывает ионы Са2+, но также обладает протеинкиназной активностью. Предполагается, что такая комбинация возникла в результате слияния генов, кодирующих протеинкиназу и кальмодулиноподобный домен [91]. CDPK обнаружены только в клетках растений и простейших и не найдены в клетках животных и грибов. В геноме арабидопсиса выявлено 34 гена, кодирующих CDPK, 29 генов были найдены у риса [92–94].

В молекуле CDPK имеются домен протеинкиназы серин-треонинового типа, а также аналогичный кальмодулину регуляторный (автоингибиторный) домен, содержащий четыре Са2+-связывающие EF-руки, который подавляет активность фермента в отсутствие ионов Са2+ [88, 93, 95]. При связывании кальция с CDPK происходит снятие автоингибирования и активирование фермента. Присоединение жирных кислот (миристиновой или пальмитиновой) к глицину или цистеину N-конца белковой молекулы облегчает взаимодействие CDPK с мембранами [91]. Поэтому CDPK могут находиться не только в растворимой форме в цитоплазме, но также быть связанными с плазмалеммой, эндоплазматическим ретикулумом, тонопластом, митохондриями и хлоропластами [93, 96]. Следует отметить, что Са2+-сигнал имеет четко ограниченную локализацию в клетке. Это требует соответствующей колокализации кальциевых белков-сенсоров, которые принимают участие в его декодировании. Вероятно, поэтому для большинства CDPK характерна локальность распределения в клеточных компартментах [97], что позволяет им взаимодействовать с конкретными белками-мишенями.

Субстратами CDPK могут являться факторы транскрипции, мембранные переносчики и ионные каналы, белки цитоскелета, ферменты углеродного и азотного метаболизма [92, 93]. CDPK могут контролировать процессы роста, развития и передачу гормональных сигналов, мембранный транспорт и экспрессию стресс-индуцируемых генов, а также систему защитных реакций растений от патогенов [94–96].

Кальцинейрин-В-подобные белки (CBL, calcineurin B-like) представляют собой небольшие Ca2+-связывающие белки растений, которые принадлежат к суперсемейству кальмодулина. CBL-белки сходны с регуляторной B-субъединицей кальцинейрина, который является серин-треониновой фосфатазой, активируемая кальцием и кальмодулином, и выявлен практически во всех клетках животных организмов [98]. Обычно CBL содержат четыре EF-руки, однако неясно: все ли EF-домены в каждом из них функциональны.

В процессе трансдукции кальциевого сигнала CBL взаимодействуют с протеинкиназами типа SNF (sucrose-non-fermenting), обозначаемыми как CIPK (CBL-interacting protein kinases). N-концевая часть CIPK содержит киназный домен, а С-концевая часть представляет собой регуляторную область, которая содержит автоингибирующий домен, подавляющий его киназную активность. Связывание CBL с этим доменом снимает автоингибирование фермента и активирует киназную функцию CIPK [2].

Геном арабидопсиса кодирует 10 CBL и 26 CIPK-белков [98]. В отличие от CDPK, у CBL и взаимодействующих с ними CIPK функции связывания ионов Ca2+ и киназная активность разделены на два гибких комбинируемых модуля [2]. Образование комплексов разных CBL с различными типами CIPK служит одним из механизмов, создающих пространственно-временную специфичность кальциевого сигнала в растительных клетках. Такая особенность взаимодействия CBL-CIPK позволяет сформировать у высших растений сложную динамическую сеть декодирования Са2+-сигнала, которая позволяет клетке гибко и специфически адаптироваться к недостатку калия и азота, а также к таким стрессовым воздействиям, как холодовой шок, аноксия, засуха и засоление [99, 100].

Таким образом, за прошедшие 10–12 лет исследователями, работающими в области кальциевой биологии, удалось значительно продвинуться в понимании особенностей функционирования ионов Са2+ как вторичного посредника растительной клетки. Клонированы гены, которые кодируют Са2+-проницаемые каналы, принимающие участие в формировании и передаче Са2+-сигнала [41]. Детально изучен механизм взаимодействия ионов Са2+ с белками-сенсорами и с соответствующими протеинкиназами [89, 95, 100]. Установлено, что геномы растений кодируют более разнообразный спектр Са2+-сенсоров, чем животные организмы. За исключением кальмодулина, все другие типы Са2+-сенсоров – CaM-подобные белки, CDPK и кальцинейрин-B-подобные белки являются специфическими для растений [84, 89, 98]. Такой большой набор и уникальная структура Са2+-связывающих растительных белков, а также разнообразие белков-мишеней, регулируемых Са2+-сенсорами, отражают сложность и вариативность кальциевой сигнализации растительных организмов, которая помогает им динамично и эффективно адаптироваться к изменению условий внешней среды. Выяснена роль отдельных клеточных органелл в формировании и трансдукции кальциевого сигнала [37]. На основе механизма резонансного переноса энергии флуоресценции FRET (fluorescence resonance energy transfer) и биолюминесценции BRET (bioluminescence resonance energy transfer) созданы биосенсоры и трансгенные растения, которые позволяют прижизненно регистрировать все параметры Са2+-волн, возникающих в ответ на стрессоры и распространяющихся по клетке и тканям растительного организма [80, 82, 83]. Появились интересные идеи относительно эволюции системы кальциевой сигнализации [2, 3]. Кальций является третьим по распространенности металлом в природе и поэтому очень доступным элементом, который мог быть легко использован для различных функций протобионтов. Однако для одноклеточных организмов, преобладающих на ранних этапах развития жизни на Земле, были необходимы механизмы, которые бы обеспечивали поддержание содержания свободного кальция в цитоплазме на очень низком уровне для того, чтобы использовать свободные фосфаты в энергетике клетки. Именно для этой цели, по-видимому, была сформирована уникальная система мембранного транспорта ионов Са2+, включающая различные типы Са2+-насосов и Са2+-проницаемых каналов и обеспечивающая не только регулирование необходимого уровня кальция в клеточных компартментах, но и участие в формировании и проведении Са2+-сигнала. При возникновении многоклеточных организмов на основе системы мембранного транспорта ионов Са2+, а также Са2+-белков сенсоров появилась нынешняя система кальциевого сигналинга эукариот.

Однако, несмотря на значительный прогресс в понимании механизмов формирования и распространения кальциевого сигнала в растительной клетке, много вопросов остается открытыми. Не установлены реальные механизмы передачи сигнала о внешнем воздействии на систему Са2+-проницаемых каналов. Не выяснено, почему растения используют несколько кальциевых сигнальных путей, и как они между собой взаимодействуют. Не расшифрованы принципы, которые лежат в основе рецепции Са2+-сигнала белками сенсорами. Непонятно, как осуществляется дифференциальная регуляция активности разных типов Са2+-сенсоров в ответ на кальциевые стимулы различной природы. Очень важным аспектом является выяснение принципов и механизмов взаимодействия кальциевой сигнальной системы с другими вторичными посредниками и фитогормонами.

Работа поддержана грантом Российского научного фонда (проект № 16-16-00026).

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Медведев С.С. Кальциевая сигнальная система // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 282–305.
  2. Kudla J., Batistic O., Hashimoto K. Calcium signals: the lead currency of plant information processing // The Plant Cell. 2010. V. 22. P. 541–563.
  3. Dodd A.N., Kudla J., Sanders D. The language of calcium signaling // Annu. Rev. Plant Biol. 2010. V. 61. P. 593–620.
  4. Matschi S., Werner S., Schulze W.X., Legen J., Hilger H.H., Romeis T. Function of calcium-dependent protein kinase CPK28 of Arabidopsis thaliana in plant stem elongation and vascular development // The Plant Journal. 2013. V. 73. P. 883–896.
  5. Qu H., Zhang Z., Wu F., Wang Y. The role of Ca2+ and Ca2+ channels in the gametophytic self-incompatibility of Pyrus pyrifolia // Cell Calcium. 2016. V. 60. P. 299–308.
  6. Singh S., Parniske M. Activation of calcium- and calmodulin-dependent protein kinase (CCaMK), the central regulator of plant root endosymbiosis // Current Opinion in Plant Biology. 2012. V. 15. P. 444–453.
  7. Miller J.B., Pratap A., Miyahara A., Zhou L., Bornemann S., Morris R.J., Oldroyd G.E.D. Calcium/calmodulin-dependent protein kinase is negatively and positively regulated by calcium providing a mechanism for decoding calcium responses during symbiosis signaling // The Plant Cell. 2013. V. 25. P. 5053–5066.
  8. Seybold H., Trempel F., Ranf S., Scheel D., Romeis T., Lee J. Ca2+-signalling in plant immune response: from pattern recognition receptors to Ca2+ decoding mechanisms // New Phytologist. 2014. V. 204. P. 782–790.
  9. Romeis T., Herde M. From local to global: CDPKs in systemic defense signaling upon microbial and herbivore attack // Current Opinion in Plant Biology. 2014. V. 20. P. 1–10.
  10. Tatsumi H., Toyota M., Furuichi T., Sokabe M. Calcium mobilizations in response to changes in the gravity vector in Arabidopsis seedlings: possible cellular mechanisms // Plant Signaling & Behavior. 2014. 9:e29099.
  11. Pedmale U.V., Celaya R.B., Liscuma E. Phototropism: mechanism and outcomes // In: The Arabidopsis Book. 2010. N 8. e0125. 10.1199/tab.0125.
  12. Hepler P.K. The cytoskeleton and its regulation by calcium and protons // Plant Physiology. 2016. V. 170. P. 3–22.
  13. Bürstenbinder K., Möller B., Plötner R., Stamm G., Hause G., Mitra D., Abel S. The IQD family of calmodulin-binding proteins links calcium signaling to microtubules, membrane subdomains, and the nucleus // Plant Physiology. 2017. V. 173. P. 1692–1708.
  14. Brandt B., Munemasa S., Wang C., Nguyen D., Yong T., Yang P.G., Poretsky E., Belknap Th. F., Waadt R., Aleman F., Schroeder J.I. Calcium specificity signaling mechanisms in abscisic acid signal transduction in Arabidopsis guard cells // eLife. 2015. V. 4. DOI: 10.7554/eLife.03599.
  15. Voss L.J., Hedrich R., Roelfsema M.R.G. Current injection provokes rapid expansion of the guard cell cytosolic volume and triggers Ca2+ signals // Molecular Plant. 2016. V. 9. P. 471–480.
  16. Yang D.-L., Shi Z., Bao Y., Yan J., Yang Z., Yu H., Li Y., Gou M., Wang S., Zou B., Xu D., Ma Z., Kim J., Hua J. Calcium pumps and interacting BON1 protein modulate calcium signature, stomatal closure, and plant immunity // Plant Physiology. 2017. V. 175. P. 424–437. doi: 10.1104/pp.17.00495.
  17. Медведев С.С. Механизмы формирования и физиологическая роль полярности в растениях // Физиология растений. 2012. Т. 59. С. 543–556.
  18. Konrad K.R., Wudick M.M., Feijo J.A. Calcium regulation of tip growth: new genes for old mechanisms // Current Opinion in Plant Biology. 2011. V. 14. P. 721–730.
  19. Hepler P.K., Kunkel J.G., Rounds C.M., Winship L.J. Calcium entry into pollen tubes // Trends in Plant Science. 2012. V. 17. P. 33–38.
  20. Gao Q.-F., Gu L.-L., Wang H.-Q., Fei C.-F., Fang X., Hussain J., Suna S.-J., Dong J.-Y., Liu H., Wang Y.-F. Cyclic nucleotide-gated channel 18 is an essential Ca2+ channel in pollen tube tips for pollen tube guidance to ovules in Arabidopsis // PNAS. 2016. V. 113. P. 3096–3101. doi:10.1073/pnas. 1524629113.
  21. Zeng H., Xu L., Singh A., Wang H., Du L., Poovaiah B.W. Involvement of calmodulin and calmodulin-like proteins in plant responses to abiotic stresses // Frontiers in Plant Science. 2015. V. 6. Article 600. doi: 10.3389/fpls.2015.00600.
  22. Wilkins K.A., Matthus E., Swarbreck S.M., Davies J.M. Calcium-mediated abiotic stress signaling in roots // Frontiers in Plant Science. 2016. V. 7. Article 1296. doi: 10.3389/fpls.2016.01296.
  23. Jeon J., Kim J. Cold stress signaling networks in Arabidopsis. J. Plant Biol. 2013. V. 56. P. 69–76. doi:10.1007/s12374-013-0903-y.
  24. Zhang Y., Wang Y., Taylor J.L., Jiang Z., Zhang S., Mei F., Wu Y., Wu P., Ni J. Aequorin-based luminescence imaging reveals differential calcium signalling responses to salt and reactive oxygen species in rice roots // Journal of Experimental Botany. 2015. V. 66. P. 2535–2545.
  25. Bickerton P., Sello S., Brownlee C., Pittman J.K., Wheeler G.L. Spatial and temporal specificity of Са2+ signalling in Chlamydomonas reinhardtii in response to osmotic stress // New Phytologist. 2016. V. 212. P. 920–933.
  26. Kiep V., Vadassery J., Lattke J., Maaß J.-P., Boland W., Peiter E., Mithofer A. Systemic cytosolic Са2+ elevation is activated upon wounding and herbivory in Arabidopsis // New Phytologist. 2015. V. 207. P. 996–1004.
  27. Demidchik V., Shabala S.N., Davies J.M. Spatial variation in H2O2 response of Arabidopsis thaliana root epidermal Ca2+ flux and plasma membrane Ca2+channels // The Plant Journal. 2007. V. 49, P. 377–386. doi: 10.1111/j.1365-313X.2006.02971.x
  28. Steinhorst L., Kudla J. Calcium and reactive oxygen species rule the waves of signaling // Plant Physiol. 2013. V. 16. P. 471–485.
  29. Gilroy S., Bialasek M., Suzuki N., Górecka M., Devireddy A.R., Karpinski S., Mittler R. ROS, calcium, and electric signals: key mediators of rapid systemic signaling in plants // Plant Physiology. 2016. V. P. 1606–1615.
  30. Edel K.H., Kudla J. Integration of calcium and ABA signaling // Current Opinion in Plant Biology. 2016. V. 33. P. 83–91.
  31. Vanneste S., Friml J. Calcium: The missing link in auxin action // Plants. 2013. V. 2. P. 650–675. doi:10.3390/plants2040650.
  32. Dindas J., Scherzer S., Roelfsema M.R.G., von Meyer K., Müller H.M., Al-Rasheid K.A.S., Palme K., Dietrich P., Becker D., Bennett M.J., Hedrich R. AUX1-mediated root hair auxin influx governs SCFTIR1/AFB-type Ca2+ signaling // Nature. 2018. V. 9. P. 1174. doi: 10.1038/s41467-018-03582-5.
  33. Zhang H., van Helden D.F., McCurdy D.W., Offler C.E., Patrick J.W. Plasma membrane Cа2+-permeable channels are differentially regulated by ethylene and hydrogen peroxide to generate persistent plumes of elevated cytosolic Cа2+ during transfer cell trans-differentiation // Plant Cell Physiol. 2015. V. 56. P. 1711–1720. doi:10.1093/pcp/pcv100.
  34. Straltsova D., Chykun P., Subramaniam S., Sosan A., Kolbanov D., Sokolik A., Demidchik V. Cation channels are involved in brassinosteroid signalling in higher plants // Steroids. 2015. V. 97. P. 98–106.
  35. Bender K.W., Dobney S., Ogunrinde A., Chiasson D., R.T. Mullen, Teresinski H.J., Singh P., Munro K., Smith S.P., Snedden W.A. The calmodulin-like protein CML43 functions as a salicylic-acid-inducible root-specific Са2+ sensor in Arabidopsis // Biochem. J. 2014. V. 457. P. 127–136. doi:10.1042/BJ20131080.
  36. Scholz S.S., Vadassery J., Heyer M., Reichelt M., Bender K.W., Snedden W.A., Boland W., Mithöfer A. Mutation of the Аrabidopsis calmodulin-like protein CML37 deregulates the jasmonate pathway and enhances susceptibility to herbivory // Mol. Plant. 2014. V. 7. P. 1712–1726.
  37. Stael S., Wurzinger B., Mair A, Mehlmer N., Vothknecht U.C., Teige M. Plant organellar calcium signalling: an emerging field // Journal of Experimental Botany. 2012. V. 63. P. 1525–1542. doi:10.1093/jxb/err394.
  38. Demidchik V., Shabala S. Mechanisms of cytosolic calcium elevation in plants: the role of ion channels, calcium extrusion systems and NADPH oxidase-mediated ‘ROS-Са2+ Hub’ // Functional Plant Biology. 2017. doi. 10.1071/FP16420.
  39. Bonza M.C., De Michelis M.I. The plant Са2+-ATPase repertoire: biochemical features and physiological functions // Plant Biology. 2011. V. 13. P. 421–430.
  40. Pittman J.K., Hirshi K.D. CAX-ing a wide net: Cation/H+ transporters in metal remediation and abiotic stress signaling // Plant Biology. 2016. V. 18. P. 741–749.
  41. Ward J.M., Mäser P., Schroeder J. Plant ion channels: gene families, physiology, and functional genomics analyses // Annu. Rev. Physiol. 2009. V. 71. P. 59–82. doi:10.1146/annurev.physiol.010908.163204.
  42. Hedrich R. Ion channels in plants // Physiol. Rev. 2012. V. 92. P. 1777–1811. doi:10.1152/physrev.00038.2011.
  43. Swarbreck S.M., Colaco R., Davies J.M. Plant calcium-permeable channels // Plant Physiology. 2013. V. 163. P. 514–522. doi:10.1104/pp.113.220855.
  44. Pottosin I., Dobrovinskaya O. Two-pore cation (TPC) channel: not a shorthanded one // Functional Plant Biology. 2016.vhttp://dx.doi.org/10.1071/FP16338.
  45. Kintzer A.F., Stroud R.M. Structure, inhibition and regulation of two-pore channel TPC1 from Arabidopsis thaliana // Nature. 2016. V. 531. P. 258–264. doi:10.1038/nature17194.
  46. Demidchik V., Shang Z., Shin R., Shabala S., Davies J.M. Receptor-like activity evoked by extracellular ADP in Arabidopsis thaliana root epidermal plasma membrane // Plant Physiology. 2011. V. 156. P. 1375–1385. doi:10.1104/pp.111.174722.
  47. Ordonez N.M., Marondedze C., Thomas L., Pasqualini S., Shabala L., Shabala S., Gehring C. Cyclic mononucleotides modulate potassium and calcium flux responses to H2O2 in Arabidopsis roots // FEBS Letters. 2014. V. 588. P. 1008–1015.
  48. Ali R., Ma W., Lemtiri-Chlieh F., Tsaltas D., Leng Q., von Bodman S., Berkowitz G.A. Death don’t have no mercy and neither does calcium: Arabidopsis CYCLIC NUCLEOTIDE GATED CHANNEL2 and innate immunity. Plant Cell. 2007. V. 19. P. 1081–1095.
  49. Fischer C., Kugler A., Hoth S., Dietrich P. An IQ domain mediates the interaction with calmodulin in a plant cyclic nucleotide-gated channel // Plant Cell Physiol. 2013. V. 54. P. 573–584.
  50. Bender K.W., Snedden W.A. Calmodulin-related proteins step out from the shadow of their namesake // Plant Physiology. 2013. V. 163. P. 486–495.
  51. Ma W., Berkowitz G.A. Са2+ conduction by plant cyclic nucleotide gated channels and associated signaling components in pathogen defense signal transduction cascades // New Phytologist. 2011. V. 190. P. 566–572. doi: 10.1111/j.1469-8137.2010.03577.x.
  52. Jha S.K., Sharma M., Pandey G.K. Role of cyclic nucleotide gated channels in stress management in plants // Current Genomics. 2016. V. 17. P. 315–329.
  53. Gao Q.F., Fei C.F., Dong J.Y., Gu L.L.., Wang Y.F. Arabidopsis CNGC18 is a Са2+-permeable channel // Molecular Plant. 2014. V. 7. P. 739–743. doi:10.1093/mp/sst174.
  54. Vincill E.D., Bieck A.M., Spalding E.P. Са2+ conduction by an amino acid-gated ion channel related to glutamate receptors // Plant Physiology. 2012. V. 159. P. 40–46.
  55. Kong D., Ju Ch., Parihar A., Kim S., Cho D., Kwak J.M. Arabidopsis glutamate receptor homolog 3.5 modulates cytosolic Са2+ level to counteract effect of abscisic acid in seed germination // Plant Physiology. 2015. V. 167. P. 1630–1642.
  56. Weiland M., Mancuso S., Baluska F. Signalling via glutamate and GLRs in Arabidopsis thaliana // Functional Plant Biology. 2015. V. 43. P. 1–25.
  57. Vincill E.D., Clarin A.E., Molenda J.N., Spalding E.P. Interacting glutamate receptor-like proteins in phloem regulate lateral root initiation in Arabidopsis // The Plant Cell. 2013. V. 25. P. 1304–1313.
  58. Forde B.G., Roberts M.R. Glutamate receptor-like channels in plants: a role as amino acid sensors in plant defence? // F1000 Prime Reports. 2014. V. 6. P. 1–7. doi:10.12703/P6-37.
  59. Kurusu T., Kuchitsu K., Nakano M., Nakayama Y., Iida H. Plant mechanosensing and Са2+ transport // Trends in Plant Science. 2013. V. 18, P. 227–233.
  60. Hamilton E.S., Schlegel A.M., Haswell E.S. United in diversity: mechanosensitive ion channels in plants // Annu. Rev. Plant Biol. 2015. V. 66. P. 113–137. doi:10.1146/annurev-arplant-043014-114700.
  61. Yuan F., Yang H., Xue Y., Kong D., Ye R., Li C., Zhang J., Theprungsirikul L., Shrift T., Krichilsky B., Johnson D.M., Swift G.B., He Y., Siedow J.N., Pei Z.M. OSCA1 mediates osmotic-stress-evoked Са2+ increases vital for osmosensing in Arabidopsis // Nature. 2014. V. 514. P. 367–371. doi:10.1038/nature13593.
  62. Davies J.M. Annexin-mediated calcium signalling in plants // Plants. 2014. V. 3. P. 128–140. doi:10.3390/plants3010128.
  63. Xu L., Tang Y., Gao S., Su S., Hong L., Wang W., Fang Z., Li X., Ma J., Quan W., Sun H., Li X., Wang Y., Liao X., Gao J., Zhang F., Li L., Zhao C. Comprehensive analyses of the annexin gene family in wheat // BMC Genomics. 2016. V. 17. P. 415. doi:10.1186/s12864-016-2750-y.
  64. Laohavisit A., Mortimer J.C., Demidchik V., Coxon K.M., Stancombe M.A., Macpherson N., Brownlee C., Hofmann A., Webb A.A., Miedema H., Battey N.H., Daies J.M. Zea mays annexins modulate cytosolic free Са2+ and generate a Са2+-permeable conductance // The Plant Cell. 2009. V. 21. P. 479–493. doi:10.1105/tpc.108.059550.
  65. Richards S.L., Laohavisit A., Mortimer J.C., Shabala L., Swarbreck S.M., Shabala S., Davies J.M. Annexin 1 regulates the H2O2-induced calcium signature in Arabidopsis thaliana roots // The Plant Journal. 2014. V. 77. P. 136–145.
  66. Sze H., Liang F., Hwang I., Curran A.C., Harper J.F. Diversity and regulation of plant Са2+ pumps: insights from expression in yeast // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 2000. V. 51. P. 433–462.
  67. Bose J., Pottosin I.I., Shabala S.S., Palmgren M.G., Shabala S. Calcium efflux systems in stress signaling and adaptation in plants // Front. Plant Sci. 2011. V. 2. Article 85. doi.org/10.3389/fpls.2011.00085.
  68. Tidow H., Poulsen L.R., Andreeva A., Knudsen M., Hein K.L., Wiuf C., Palmgren M.G., Nissen P. A bimodular mechanism of calcium control in eukaryotes // Nature. 2012. V. 491. P. 468–472. doi:10.1038/nature11539.
  69. Yadav A.K., Shankar A., Jha S.K., Kanwar P., Pandey A., Pandey G.K. A rice tonoplastic calcium exchanger, OsCCX2 mediates Са2+/cation transport in yeast // Scientific Reports 2015. V. 5. P. 17117. doi:10.1038/srep17117.
  70. Hirschi K. Vacuolar H+/Са2+ transport: who’s directing the traffic? // TRENDS in Plant Sci. 2001. V. 6. P. 100–104.
  71. Pittman J.K., Hirshi K.D. Don’t shoot the [second] messenger: endomembrane transporters and binding proteins modulate cytosolic Са2+ levels // Current Opinion in Plant Biology. 2003. V. 6. P. 257–262.
  72. Emery L., Whelan S., Hirschi K.D., Pittman J.K. Protein phylogenetic analysis of Са2+/cation antiporters and insights into their evolution in plants // Front. Plant Sci. 2012. V. 3. Article 1. doi.org/10.3389/fpls.2012.00001.
  73. Trewavas A.J., Malho R. Са2+ signalling in plant cells: the big network! // Current Opinion in Plant Biology. 1998. V. 1. Р. 428–433.
  74. Malho R., Moutinho A., Van der Luit A., Trewavas A.J. Spatial characteristics of calcium signalling: the calcium wave as a basic unit in plant cell calcium signalling // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1998. V. 353. Р. 1463–1473.
  75. McAinsh M.R., Pittman J.K. Shaping the calcium signature // New Phytologist. 2009. V. 181. P. 275–294. doi: 10.1111/j.1469-8137.2008.02682.x.
  76. Evans M.J., Choi W.-G., Gilroy S., Morris R.J.A. ROS-assisted calcium wave dependent on the AtRBOHD NADPH oxidase and TPC1 cation channel propagates the systemic response to salt stress // Plant Physiology. 2016. V. 171. P. 1771–1784.
  77. Scrase-Field S., Knight M.R. Calcium: just a chemical switch? // Curr. Opinion in Plant Biol. 2003. V. 6. P. 500–506.
  78. Granqvist E., Wysham D., Hazledine S., Kozlowski W., Sun J., Charpentier M., Martins T.V., Haleux P., Tsaneva-Atanasova K., Downie J.A., Oldroyd G.E.D., Morris R.J. Buffering capacity explains signal variation in symbiotic calcium oscillations // Plant Physiology. 2012. V. 160. P. 2300–2310.
  79. Monshausen G.B., Messerli M.A., Gilroy S. Imaging of the Yellow Cameleon 3.6 indicator reveals that elevations in cytosolic Са2+ follow oscillating increases in growth in root hairs of Arabidopsis // Plant Physiology. 2008. V. 7. P. 1690–1698.
  80. Swanson S.J., Gilroy S. Imaging changes in cytoplasmic calcium using the Yellow Cameleon 3.6 biosensor and confocal microscopy // Methods in Molecular Biology. 2013. V. 1009. P. 291–302. doi: 10.1007/978-1-62703-401-2_27.
  81. Miwa H., Sun J., Oldroyd G.E.D., Downie J.A. Analysis of calcium spiking using a cameleon calcium sensor reveals that nodulation gene expression is regulated by calcium spike number and the developmental status of the cell // The Plant Journal. 2006. V. 48. P. 883–894.
  82. Choi W.G., Toyota M., Kim S.H., Hilleary R., Gilroy S. Salt stress induced Ca2+ waves are associated with rapid, long-distance root-to shoot signaling in plants // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. P. 6497–6502.
  83. Xiong T.C., Ronzier E., Sanchez F., Corratgé-Faillie C., Mazars C., Thibaud J.B. Imaging long distance propagating calcium signals in intact plant leaves with the BRET-based GFP-aequorin reporter // Front Plant Sci. 2014. V. 5. 43. doi.org/10.3389/fpls.2014.00043.
  84. Hashimoto K., Kudla J. Calcium decoding mechanisms in plants // Biochimie. 2011. V. 93. P. 2054–2059.
  85. Reddy A.S.N., Ali G.S., Celesnik H., Day I.S. Coping with stresses: roles of calcium- and calcium/calmodulin-regulated gene expression // The Plant Cell. 2011. V. 23. P. 2010–2032.
  86. Ranty B., Aldon D., Cotelle V., Galaud J.-P., Thuleau P., Mazars C. Calcium sensors as key hubs in plant responses to biotic and abiotic stresses // Frontiers in Plant Science. 2016. V. 7. Article 327. doi: 10.3389/fpls.2016.00327.
  87. McCormack E., Tsai Y.-C., Braam J. Handling calcium signaling: Arabidopsis CaMs and CMLs // Trends Plant Sci. 2005. V. 10. P. 383–389.
  88. Liese A., Romeis T. Biochemical regulation of in vivo function of plant calcium-dependent protein kinases (CDPK) // Biochimica et Biophysica Acta. 2013. V. 1833. P. 1582–1589.
  89. Poovaiah B.W., Du L., Wang H., Yang T. Recent advances in calcium/calmodulin-mediated signaling with an emphasis on plant-microbe interactions // Plant Physiology. 2013. V. 163. P. 531–542.
  90. Perochon A., Aldon D., Galaud J.P., Ranty B. Calmodulin and calmodulin-like proteins in plant calcium signaling // Biochimie. 2011. V. 93. P. 2048–2053. doi: 10.1016/j.biochi.2011.07.012.
  91. Hamel L.P., Sheen J., Seguin A. Ancient signals: comparative genomics of green plant CDPKs // Trends in Plant Science. 2014. V. 19. P. 79–89.
  92. Cheng S.-H., Willmann M.R., Chen H.C., Sheen J. Calcium signalling through protein kinases. The Arabidopsis calcium-dependent protein kinase gene family // Plant Physiol. 2002. V. 129. P. 469–485.
  93. Harper J.F., Breton G., Harmon A.C. Decoding Ca2+ signals through plant protein kinases // Annu. Rev. Plant Biol. 2004. V. 55. P. 263–288.
  94. Asano T., Hayashi N., Kikuchi S., Ohsugi R. CDPK-mediated abiotic stress signaling // Plant Signaling and Behavior. 2012. V. 7. P. 817–821.
  95. Schulz P., Herde M., Romeis T. Calcium-dependent protein kinases: hubs in plant stress signaling and development // Plant Physiology. 2013. V. 163. P. 523–530.
  96. Boudsocq M., Sheen J. CDPKs in immune and stress signaling // Trends in Plant Science. 2013. V. 18. P. 30–40.
  97. Simeunovic A., Mair A., Wurzinger B., Teige M. Know where your clients are: subcellular localization and targets of calcium-dependent protein kinases // Journal of Experimental Botany, 2016. V. 67. P. 3855–3872. doi:10.1093/jxb/erw157.
  98. Batistic O., Kudla J. Analysis of calcium signaling pathways in plants // Biochimica et Biophysica Acta. 2012. V. 1820. P. 1283–1293.
  99. Luan S. The CBL–CIPK network in plant calcium signaling // Trends in Plant Science. 2008. V. 14. P. 37–42.
  100. Weinl S., Kudla J. The CBL–CIPK Ca2+-decoding signaling network: function and perspectives // New Phytologist. 2009. V. 184. P. 517–528. doi: 10.1111/j.1469-8137.2009.02938.x/.

 

 

 

 

ПОДПИСЬ К РИСУНКУ

 

Схема формирования и распространения кальциевого сигнала в цитоплазме растительной клетки. Сигналы, поступающие из внешней и внутренней среды, взаимодействуют с соответствующими рецепторами и специфическими типами Са2+-проницаемых каналов. В результате формируются потоки ионов Са2+ в цитоплазму и возникают локальные участки с высокой концентрацией Са2+цит. Выкачивание ионов Са2+ из цитозоля обеспечивают Са2+-АТФазы и Н+/Са2+-обменники. Кодирование кальциевых сигналов достигается тем, что различные внешние стимулы вызывают различные по амплитуде, частоте и локализации колебания Са2+цит. Главным элементом в процессе кодирования Са2+-сигнала является согласованное функционирование кальциевых каналов и помп. Далее кальциевый сигнал передается на кальциевые белки-сенсоры (CaM, CML, CDPK, CBL,) и взаимодействующие с ними Са2+-зависимые протеинкиназы (СаМК, CIPK), которые осуществляют декодирование и дальнейшую трансдукцию кальциевого сигнала. К белкам-мишеням, активность которых специфически регулируется кальциевыми белками-сенсорами, относятся транскрипционные факторы, ионные помпы, обменники и каналы, ферменты углеродного и азотного метаболизма, протеинкиназы и протеинфосфатазы, а также белки цитоскелета.

Са2+цит – концентрация ионизированного кальция в цитоплазме; CBL – кальцинейрин-В-подобные белки; СаМ – кальмодулин; CDPK – кальций-зависимая протеинкиназа; CIPK – CBL-зависимые протеинкиназы; CML – кальмодулин-подобные белки; СаМК – кальмодулин-зависимые протеинкиназы; ••• – ионы Ca2+.