Nature Commun | 栾升教授团队发现钾离子调控植物低钾响应网络的新机制

作为植物生长发育所必需的三大营养元素之一， 钾离子（K+）在植物细胞的基本生命过程以及植物响应逆境胁迫中起着至关重要的作用，例如渗透压、膜电位调节、气孔开闭、光合作用、蛋白质合成等【1】。大量的农业生产实践证明钾作为品质元素，对于提高作物产量、改善作物品质起着非常重要的作用。中国大约有一半左右的耕地缺钾，热带和亚热带地区的土壤缺钾现象尤为严重。所以中国和全球农业都依赖于钾肥的广泛使用。然而，工业化肥生产和使用带来的环境污染和生态破坏问题以及原料矿物的紧缺严重威胁着农业的可持续发展。因此，为了减少钾肥的使用并且进一步改进作物的产量和品质，了解植物如何高效利用钾元素成为植物生理和分子生物学亟待研究的问题之一。

前期研究表明，植物应对环境中低钾胁迫的策略主要有两个：增强钾离子的吸收以及有效“动员”液泡内的钾离子再利用。这两条途径的激活分别依赖于植物解码钙信号的CBL1/9-CIPKs复合体和CBL2/3-CIPKs复合体。其中， CBL1/9-CIPK1/9/23复合体通过激活质膜上的钾离子通道AKT1【2,3】和钾离子转运蛋白HAK5【4,5】增进植物细胞对环境中钾离子的吸收,而CBL2/3-CIPK3/9/23/26复合体可以激活液泡膜上的钾离子通道TPK1/3/5的活性，从而使液泡钾离子释放到细胞质【6,7】。尽管CBL-CIPK-钾离子通道和转运蛋白通路已经被发现，植物如何根据外界K+浓度变化动态调控CBL-CIPK复合体本身的分子机制尚不清楚。

2023年1月23日，美国加州大学伯克利分校栾升教授领导的研究团队在在Nature Communications杂志上发表了题为"Potassium nutrient status drives posttranslational regulation of a low-K response network in Arabidopsis"的研究论文，首次揭示了植物通过感受外界钾离子的浓度变化动态调控植物低钾响应网络中多组分蛋白水平的新机制。

该研究发现外界K+水平可以在翻译后水平上精确调控质膜途径成员和液泡膜途径成员：当外界K+充足情况下， CBL1/9、CBL2/3、CIPK9/23、AKT1蛋白维持在较低水平并且主要处于非磷酸化状态；随着外界K+浓度逐渐降低，CBL1/9、CBL2/3、CIPK9/23、AKT1这些关键因子的蛋白逐渐积累并且被磷酸化，TPK1磷酸化程度也增加。质膜途径和液泡膜途径的所有组分的共同激活使得细胞质内K+浓度得以稳定。其中，CIPK9/23负责低钾胁迫下植物体内CBL1/9和CBL2/3蛋白的磷酸化，并且这种磷酸化调控除了前期报道的可以增强CBL-CIPK蛋白互作和激活下游钾离子通道外，对于CBL1/9和CBL2/3蛋白稳定性也起到重要作用。非常有意思的是，当植物“发现”外界K+浓度不足的时候，与CBL1/9蛋白相比，CBL2/3优先被磷酸化，进而激活液泡膜途径促使液泡内储藏的K+转运到细胞质，从而快速高效的稳定住细胞质内K+水平。并且，尽管CBL2/3与CBL1/9在细胞内空间定位不同，cbl2/3突变体中CBL1/9蛋白含量也显著下降，说明液泡膜途径对于质膜途径的完全激活也是必需的。这与栾升教授团队前期研究发现的cbl2/3双突变体比cbl1/9双突变体对低钾环境更加敏感的遗传分析结果（Tang, R.J. et al.A calcium signalling network activates vacuolar K+ remobilization to enable plant adaptation to low-K environment. Nat. Plants https://doi.org/10.1038/s41477-020-0621-7(2020)）相一致，表明植物细胞将液泡内贮藏的钾离子释放到细胞质是植物响应低钾胁迫最高效而快捷的方式。进一步研究表明，尽管CBL1/9和CBL2/3的磷酸化均依赖于CIPK9/23，二者的去磷酸化调控却表现出了特异性。例如，ABA信号通路中HAB1/ABI1/ABI2/PP2CA磷酸酶在高钾条件下可以使液泡膜CBL2/3去磷酸化，但不影响CBL1/9。除了抑制CBL2/3的磷酸化水平外， HAB1/ABI1/ABI2/PP2CA磷酸酶还参与高钾条件下CBL2/3的蛋白降解。与生化结果相一致的是，遗传分析结果表明 HAB1/ABI1/ABI2/PP2CA在植物响应低钾胁迫过程中起负调控作用。

该研究首次揭示了植物通过感受外界钾离子水平驱动质膜CBL1/9-CIPK9/23-AKT1途径组分和液泡膜 CBL2/3-CIPK9/23-TPK1途径组分的翻译后调控机制。这项研究不仅在基础研究水平揭示了植物响应外界钾离子水平变化的信号转导机制，而且还具有潜在的应用前景。不久的将来，科研工作者或许可以通过操纵和修饰该信号通路中的关键基因来提高农作物对低钾环境的耐受性，从而培育出耐贫瘠的作物新品种服务于可持续发展的现代农业。

加州大学伯克利分校植物和微生物系博士后李昆仑为本论文第一作者，同一实验室的唐仁杰和王超参与了这一项目，栾升教授为该论文通讯作者。

参考文献

1. Wang, Y. & Wu, W. H. Potassium transport and signaling in higher plants. Annu. Rev. Plant Biol.64, 451-476 (2013).

2. Xu, J. et al. A protein kinase, interacting with two calcineurin B-like proteins, regulates K+ transporter AKT1 in Arabidopsis. Cell125, 1347-1360, doi:10.1016/j.cell.2006.06.011 (2006).

3. Li, L. G., Kim, B. G., Cheong, Y. H., Pandey, G. K. & Luan, S. A Ca2+ signaling pathway regulates a K+ channel for low-K response in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.103, 12625-12630 (2006).

4. Ragel, P. et al. The CBL-interacting protein kinase CIPK23 regulates HAK5-mediated high-affinity K+uptake in Arabidopsis roots. Plant Physiol.169, 2863-2873 (2015).

5. Lara, A. et al. Arabidopsis K+ transporter HAK5-mediated high-affinity root K+ uptake is regulated by protein kinases CIPK1 and CIPK9. J Exp Bot 71, 5053-5060 (2020)

6. Tang, R.J. et al. A calcium signalling network activates vacuolar K+ remobilization to enable plant adaptation to low-K environment. Nat. Plants https://doi.org/10.1038/s41477-020-0621-7(2020).

7. Tang, R. J., Wang, C., Li, K. & Luan, S. The CBL-CIPK calcium signaling network: unified paradigm from 20 years of discoveries Trends Plant Sci. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2020.01.009 (2020).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-35906-5