Mol Plant | 西北农林科技大学王存课题组发现Ca²⁺信号“阴阳”调控植物锰稳态的重要新机制

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转自 Mol Plant植物科学

 

 

 

      2021年11月28日，西北农林科技大学王存课题组在Molecular Plant 在线发表了题为Ca²⁺-dependent successive phosphorylation of vacuolar transporter MTP8 by CBL2/3-CIPK3/9/26 and CPK5 contributes to manganese homeostasis in Arabidopsis 的研究论文，揭示了钙信号精准调控植物锰稳态的重要新机制。

 

https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.11.012

 

       Ca²⁺是植物生长发育和逆境响应的重要调控因子，是真核细胞内广泛存在的第二信使。当植物感受到环境变化时，胞质中Ca²⁺浓度迅速变化，不同刺激所引起的Ca²⁺信号在时间、频率和幅度上都会有不同程度的差异。植物体内常见的Ca²⁺感受器主要有Ca²⁺依赖性蛋白激酶家族CPKs、钙调素蛋白(Calmodulins，CaMs) 和类钙调素蛋白 (CaM-like proteins, CMLs)家族、类钙调神经素B亚基蛋白 (Calcineurin B-like proteins, CBLs)家族以及与其互作的蛋白激酶CIPKs家族。

 

       锰是植物生长发育的必需微量元素，但酸性土壤和渍水土壤会对植物造成锰毒害。与其它微量元素相比，关于锰的吸收、转运和分配的调控机制还很不清楚。2021年5月份该课题组发现高锰胁迫会激发Ca²⁺信号， 进而激活Ca²⁺感受器CPKs家族中的CPK4/5/6/11，紧接着CPKs与定位于液泡膜的锰转运体MTP8物理互作，并通过磷酸化MTP8的第31位和32位丝氨酸激活其转运活性，最终将细胞质中多余锰离子转运进液泡内，提高植物耐受锰毒害的能力。此外，模拟磷酸化状态的MTP8还能促进植物在低锰胁迫条件下的种子萌发和幼苗生长(Zhang et al., 2021)。

 

       该课题组最新研究发现，另一类重要的钙感受器cbl2/3以及其互作的蛋白激酶cipk3/9/26突变体对高锰胁迫显著耐受。有意思的是，CIPK3/9/26也与MTP8物理互作，并磷酸化MTP8的第35位丝氨酸。酵母缺陷互补实验结合多种生理生化实验表明，CBL2/3-CIPK3/9/26介导的MTP8磷酸化抑制其转运活性。

 

图1 CIPK26和CPK5差异磷酸化MTP8

 

       进一步通过体内磷酸化、磷酸化质谱等实验发现，CIPK26和CPK5对MTP8的磷酸化存在时间上的明显差异，并且不依赖于锰浓度的变化（图1）。酸性和渍水等土壤引起的高锰胁迫会激发植物Ca²⁺信号，CPK4/5/6/11磷酸化并激活MTP8，MTP8将细胞质中多余的锰离子隔离到液泡内，从而增加地下部锰含量，降低地上部锰含量，以保护植物避免高锰毒害。随后，植物为了实现生长和逆境的最佳平衡，CBL2/3招募CIPK3/9/26到液泡膜上并磷酸化MTP8，降低其活性以起到“刹车”的作用。

 

图2 Ca²⁺信号精准调控植物锰稳态的模式图

 

        综上所述，该研究系统揭示了Ca²⁺信号通过CBL2/3-CIPK3/9/26与CPK4/5/6/11拮抗调控植物锰稳态的分子机制（图2）。这种“加油/刹车”机制为植物逆境信号转导的解析提供了范式，并为培育有益重金属超富集作物和有毒重金属低积累品种提供了理论依据和技术支持。

 

       西北农林科技大学生命科学学院博士琚传凤为该论文的第一作者，副教授张振乾、中国农业大学博士邓金萍为共同第一作者。王存教授为通讯作者，中国农业大学巩志忠教授和德国明斯特大学Jörg Kudla教授也参与了论文的指导工作。研究得到了西北农林科技大学人才启动科研经费、国家自然科学基金等项目的资助。

 

       王存课题组今年在植物矿质元素吸收与利用研究领域取得了一系列进展，发现了Ca²⁺- CPK4/5/6/11-MTP8信号通路调控植物锰稳态的重要机制 (Zhang et al., 2021)，揭示了植物通过ABA平衡低氮胁迫与生长发育的新机制(Su et al., 2021, ESI1%高被引论文)，提出了分子开关小G蛋白调控磷吸收的重要机制 (Gao et al., 2021)，研究结果为农业生产“减肥增效”提供了理论依据和技术支持。

 

 

参考文献：

1. Chuanfeng Ju#, Zhenqian Zhang#, Jinping Deng#, Cuicui Miao, Zhangqing Wang, Lukas Wallrad, Laiba Javed, Dali Fu, Ting Zhang, Jörg Kudla, Zhizhong Gong and Cun Wang*.(2021) Ca²⁺-dependent successive phosphorylation of vacuolar transporter MTP8 by CBL2/3-CIPK3/9/26 and CPK5 contributes to manganese homeostasis in Arabidopsis. Molecular Plant. https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.11.012.

2. Zhenqian Zhang#, Dali Fu#, Zhihui Sun#, Chuanfeng Ju, Cuicui Miao, Zhangqing Wang, Dixiang Xie, Liang Ma, Zhizhong Gong and Cun Wang*. (2021). Tonoplast-associated calcium signaling regulates manganese homeostasis in Arabidopsis. Molecular Plant. 14(5):805-819.

3. Huiling Gao#, Tian Wang#, Yanting Zhang, Lili Li, Chuanqing Wang, Shiyuan Guo, Tianqi Zhang and Cun Wang*. (2021) GTPase ROP6 negatively modulates phosphate deficiency through inhibition of PHT1;1 and PHT1;4 in Arabidopsis thaliana. Journal of Integrative Plant Biology. 63(10):1775-1786.

4. Hang Su#, Tian Wang#, Chuanfeng Ju#, Jinping Deng, Tianqi Zhang, Mengjiao Li, Hui Tian and Cun Wang*. (2021). Abscisic acid signaling negatively regulates nitrate uptake via phosphorylation of NRT1.1 by SnRK2s in Arabidopsis. Journal of Integrative Plant Biology. 63(3):597-610.

 

 

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