上海师范大学戴绍军团队在Trends in Plant Science发表封面故事系统总结类受体激酶CRK的功能

2023年4月26日，上海师范大学戴绍军教授团队在植物学领域国际著名期刊Trends in Plant Science在线发表了题为“Cysteine-rich receptor-like protein kinases: emerging regulators of plant stress responses”的综述文章。该综述文章将作为2023年第7期的封面故事刊出。封面采用了中国春节的传统场景，孩子们燃放鞭炮，驱赶传说中给人们带来伤害和痛苦的年兽。鞭炮代表植物细胞质膜和定位于细胞膜的Cysteine-rich receptor-like protein kinases（CRKs）。鞭炮的火花和烟雾代表CRK调节的细胞内和细胞外防御信号，寓意CRK调控的信号通路帮助植物细胞保护自己免受生物和非生物胁迫的伤害。

CRK是进化上保守的类受体激酶（RLKs），参与调控植物免疫应答、非生物胁迫，以及生长与胁迫的平衡。戴绍军教授团队整合分析了拟南芥（Arabidopsis thaliana）44个CRKs及其它12个物种CRKs对植物生长发育、信号转导、激素调节、病原体防御、胁迫应答，以及各种生理过程的调控作用（图1）。

图1. 拟南芥和其它12种植物中CRKs的作用

在进化过程中，CRKs通过相对较近的串联重复和优先保留的全基因组复制后重复扩展了家族成员。一些具有高度序列相似性的CRKs在染色体上串联排列，可能在适应环境和病原体感染等方面发挥重要作用（图2A）。

大多数CRKs在胞外区域包含两个DUF26结构域，卷柏（Selaginella tamariscina）的CRKs只有一个DUF26，而少数来自真菌的CRKs包含3或4个DUF26。除CRKs外，DUF26也是富半胱氨酸类受体分泌蛋白（CRRSPs）和胞间连丝定位蛋白（PDLPs）的关键结构域（图2B）。因此，CRKs、CRRSPs和PDLPs形成了含有DUF26的蛋白家族，家族成员的系统发育高度混合（图2C）。银杏（Ginkgo biloba）的CRRSP Gnk2蛋白和两种玉米（Zea mays）蛋白（AFP1和AFP2）可以结合甘露糖防御真菌病原体，而PDLPs对细胞间运输、胼胝质沉积和病原体反应有重要作用。这意味着植物中含有DUF26的蛋白在对真菌病原体的反应中至关重要，但DUF26的胞外配体和精确的生化功能尚未明确。

CRKs包含胞外结构域、跨膜结构域（TMD）和胞内丝氨酸/苏氨酸激酶结构域。每个DUF26中通常含有保守的Cys残基位于C-X8-C-X2-C基序中（图2D），Cys残基形成分子间或分子内二硫键，以保持蛋白质结构的稳定性，可能也作为调节一些CRKs功能的开关（图2E），但是它们在调节CRK结构和活性中的确切作用尚不完全清楚。TMD影响CRK的亚细胞定位。与ATP结合的亚结构域II中的保守Lys和与催化结合的亚结构域VII中的Asp对CRK活性至关重要。

图2. CRKs的染色体分布、结构域组成、进化关系和三维结构

CRK与其他RLKs相互作用，形成模式识别受体免疫复合物，触发免疫应答（图3）。在flg22条件下，CRK36增强了FLS2-BAK1-BIK1模块的功能，磷酸化RBOHD的N端，促进产生ROS。CRK28-FLS2-BAK1模块以flg22依赖的方式触发ROS积累。CRK28可以形成同源二聚体或与CRK29形成异源二聚体。CRK2直接磷酸化RBOHD的C端的Ser703，促进产生ROS。Ca2+流入细胞后，Ca2+依赖的CPK激活对磷酸化RBOHD的N端非常重要。此外，CRK2可能通过CALS1抑制胼胝质沉积。CRK3、CRK13和CRK31诱导细胞外ROS升高，而其他10个CRKs可能抑制ROS的产生。

气孔运动受多种因素的调节，如植物激素、ROS、Ca2+信号转导和渗透稳态。气孔关闭是PTI的重要组成部分，可以防止水分流失，限制病原体进入，但长时间气孔关闭会产生水外质体，促进病原体的定植。CRK家族的不同成员是气孔免疫的功能多样化和/或特异性调节因子（图4）。CRK12和CRK19由几丁质触发，CRK4受Pst DC3000诱导，CRK5、CRK17、CRK20和CRK28受flg22诱导。CRK24、CRK37和CRK46受ABA调控。CRK2、CRK5、CRK31和CRK45影响气孔发育。一些CRKs参与了多种因素对气孔关闭的调控。例如，CRK2受几丁质、flg22和ABA的诱导。CRK6感知几丁质和Pst DC3000，CRK10是由几丁质和flg22介导的，CRK36是由Pst DC3000和flg22触发的。此外，CRK36-BIK1-RBOHD/F模块在气孔免疫应答中起积极作用。CRK4和CRK36抵消了COR依赖的气孔重新开放，而CRK6则强烈诱导气孔关闭。

图4. 不同逆境下CRKs调控气孔关闭

在植物病原体免疫中，各植物激素（SA、MeJA、ET和ABA）起协同或拮抗作用。SA信号参与调控对生物营养和半生物营养的病原体的防御反应，而MeJA和ET信号协同参与对坏死性病原体的防御反应。ABA信号通路与几种植物病原体的易感性有关。小麦TaCRK1、TaCRK3、TaCRK7A和TaCRK10受多种植物激素（ET、ABA、SA和MeJA）和多种病原体的调控。TaCRK1、TaCRK3和TaCRK7A在不同小麦品种中的表达模式不同。TaCRK3是ET信号相关防御过程的上游调控因子。TaCRK7A通过介导JA信号通路调节小麦对FCR的抗性。TaCRK10通过诱导TaH2A.1磷酸化介导的SA信号通路中ROS的积累和防御相关基因的表达来增强抗性。辣椒CaCRK5参与SA介导的下游防御基因表达的调控（图5）。

图5. CRKs参与调控植物激素信号通路

CRK调控程序性细胞死亡以抵御外源病原体（图6）。CRK5、CRK6、CRK10和CRK11被Pst DC3000和SA诱导。WRKY18可以识别CRK10启动子序列的W-box，并SA可以诱导W-box结合活性。CRK5和CRK10与PP2C70、PP2C11和FHA相互作用，可能通过去磷酸化作用来改变CRK激酶的活性。CRK19、CRK20和N-糖基化的CRK4也可被SA和病原体Pst DC3000诱导。N-糖基化的CRK28与PM上的BAK1相互作用，以感知flg22并介导程序性细胞死亡。定位于ER和PM的小麦TaCRK2通过调控PR基因，正向调控程序性细胞死亡过程。CRK13的上调会导致细胞程序性死亡，诱导ICS1和PR基因上调表达，并通过增加SA的积累来增强对病原菌的防御。胞质定位的CRK45与PM定位的CRK36相互作用，正向调节植物对病原体和SA的抗性。病原体诱导的SA积累促进NPR1入核，诱导WRKY70的表达，进而增强CRK45的转录。

CRK在PTI和ETI过程中发挥着重要作用，但是一些重要的问题仍未得到解答，如：CRKs是否通过激酶活性发挥作用？为什么一些CRKs是正调控因子，而另一些是负调控因子？CRK家族的庞大、功能多样化，许多CRKs可能具有冗余的功能，阐明参与植物免疫调控的CRK分子网络任务艰巨。

图6. CRKs调控植物程序性细胞死亡过程

植物进化出了复杂的机制来平衡生长和胁迫反应。主动的生长抑制是一种促进植物在胁迫条件下生存的适应性策略。各种CRK介导的通路，如ROS产生、Ca2+信号通路、MAPK级联和ABA信号通路，对胁迫响应和植物生长都是必不可少的。因此，CRKs可能参与调节生长和胁迫耐受性的平衡（图7）。CRK2、CRK5和CRK36介导免疫应答的胼胝质沉积，而其突变体表型表明它们可能也参与种子萌发、幼苗生长、莲座叶大小和根系发育等的调控；CRK28是植物免疫的关键调控因子，同时又可抑制侧根原基和主根分生组织的发育，减少角果长度和种子数量，CRK28还调控根毛发育、莲座叶大小和花序分枝。此外，CRK45是ABA、渗透胁迫和盐胁迫的调节因子，也参与调控抽薹和幼苗早期发育。CRK33在叶片和子叶中表达，并调节多个保卫细胞命运相关基因的表达；CRK5和CRK36不仅是应对病原体侵染和非生物胁迫（渗透、氧化和盐）所必需的，而且还可以调节植物衰老。

上海师范大学出站博士后张咏雪（现为上海市农业科学院园艺研究所助理研究员）为第一作者，上海师范大学2019级硕士生田浩东（现为南京农业大学在读博士生）为共同第一作者，上海师范大学戴绍军教授为通讯作者，山东大学丁兆军教授、上海师范大学秦智教授为共同通讯作者。上海师范大学孙美红副研究员、张恒博士后（已出站）、美国南佛罗里达大学Daniel Chen和密西西比大学Sixue Chen教授参与该项工作。封面图由上海师范大学2022级农业专业硕士生赵玥路绘制。该项工作得到国家自然科学基金项目、中央引导地方科技发展基金项目、上海植物种质资源工程技术研究中心项目和中国博士后基金项目的资助。

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