2022年09月26日，西北農林科技大學生命學院王存課題組聯(lián)合多家單位在《美國科學院院報》（PNAS）在線發(fā)表了題為Ca2+-dependent phosphorylation of NRAMP1 by CPK21 and CPK23 facilitates manganese uptake and homeostasis in Arabidopsis的研究論文，該研究發(fā)現(xiàn)了植物低錳信號轉導的重要機制。

Ca2+是真核細胞內重要的第二信使。當植物感受到外界環(huán)境變化時，會產生時空特異的Ca2+信號，不同脅迫所引起的Ca2+信號在時間、頻率和幅度上都會有不同程度的差異。這些Ca2+信號會被Ca2+感受器識別并解碼，進而激活下游早期響應基因的表達或相關通道蛋白的活性，最終產生特異性響應。Ca2+信號在植物的生長發(fā)育、 營養(yǎng)代謝、逆境脅迫以及防御反應等過程中均具有舉足輕重的作用。

錳是植物生長發(fā)育的必需微量元素之一。在pH值較高的堿性土壤和鈣質土壤，植物可吸收利用的錳減少，導致植物缺錳。目前關于錳轉運的研究多集中于轉運體的發(fā)掘及功能驗證，對上游的調控機制卻知之甚少。2021年5月份該課題組發(fā)現(xiàn)高錳脅迫會激發(fā)Ca2+信號，進而激活Ca2+感受器CPKs家族中的CPK4/5/6/11，并通過磷酸化MTP8的第31位和32位絲氨酸激活其轉運活性，最終將細胞質中多余錳離子轉運進液泡內，提高植物耐受錳毒害的能力 (Zhang et al., 2021)。此外，該課題組在2021年11月又發(fā)現(xiàn)Ca2+感受器CBL2/3-CIPK3/9/26復合體通過磷酸化MTP8的第35位絲氨酸來抑制其轉運活性，與CPK4/5/6/11拮抗調控植物錳穩(wěn)態(tài)，植物借此實現(xiàn)生長和逆境的最佳平衡 (Ju et al., 2022)。

近日，該課題組最新研究發(fā)現(xiàn)，低錳脅迫可以觸發(fā)一種長時間的Ca2+信號振蕩，且在根的伸長區(qū)（EZ）響應最為強烈（圖1）。通過蛋白互作篩選的手段，該研究發(fā)現(xiàn)很可能是鈣依賴性蛋白激酶CPK21和CPK23與定位在質膜上的錳轉運體NRAMP1互作來響應這種長時間的Ca2+信號振蕩。

進一步通過CRISPR/Cas9技術構建的cpk21/23雙突變體在低錳脅迫下表現(xiàn)出敏感表型，而CPK23的過量表達則增強了植物對低錳脅迫的耐受性。通過磷酸化實驗，發(fā)現(xiàn)CPK21/23可以磷酸化修飾錳轉運體NRAMP1蛋白的Ser20和Thr498位點。最后，通過生物化學分析、低錳敏感酵母轉運分析和轉基因株系的表型分析證明了Thr498對于NRAMP1的錳轉運活性至關重要。

綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)了Ca2+-CPK21/23-NRAMP1調控途徑是植物響應低錳脅迫的重要機制（圖2）。該研究加深了對Ca2+信號調控植物錳穩(wěn)態(tài)的理解，并為今后堿性土壤上的低錳逆境應答研究和農作物遺傳改良奠定了堅實的基礎。

西北農林科技大學生命科學學院博士生傅大利，副教授張振乾以及德國明斯特大學的Lukas Wallrad為本文共同第一作者。西北農林科技大學生命科學學院的王存教授為論文通訊作者，德國明斯特大學的J?rg Kudla為共同通訊作者。德國哈勒大學的Edgar Peiter和中國農業(yè)科學院生物技術研究所王磊研究員參與了此項研究的指導工作。該論文得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金和陜西省自然科學基金等項目的資助。