西北农林科技大学陈坤明课题组揭示调控水稻耐旱性的新信号通路：OsRALF45/46-OsMRLK63-OsRbohs

干旱是世界范围内影响植物生长发育和农作物产量的最主要不利环境因素之一，可以发生在植物生长的任何一个时期，轻度干旱影响农作物的正常生长发育使农作物减产，而重度干旱则直接导致农作物死亡。但植物如何将干旱胁迫信号转导为植物细胞内信号，进而通过调节蛋白质活性或相应基因的表达赋予自身抗旱能力，相关的分子机制目前尚不清楚。

近日，西北农林科技大学生命学院陈坤明教授团队在Plant Physiology发表了题为“Rice kinase OsMRLK63 contributes to drought tolerance by regulating reactive oxygen species production”的研究论文，揭示了一个水稻malectin-like类受体蛋白激酶OsMRLK63通过OsRALF45/46-OsMRLK63-OsRbohs信号模块调节细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）水平来调控水稻干旱耐受性的分子机制。

植物中含有Malectin/Malectin-like domains结构域的类受体激酶(Malectin/malectin-like domains containing receptor-like kinases, MRLKs，又叫长春花类受体激酶类蛋白，Catharanthus roseus receptor-like kinase-like proteins, CrRLK1Ls)，被认为是多种植物信号通路中的受体，能够将植物胞外信号转变为胞内信号，在细胞生长、植物形态发生、生殖、免疫、激素信号转导和胁迫响应等方面具有广泛而重要的生物学功能。

该研究从水稻中鉴定到了一个MRLK家族蛋白OsMRLK63，发现OsMRLK63可作为两种快速碱化因子OsRALF45和OsRALF46的受体而调节水稻耐旱性。OsMRLK63是典型的正调控水稻抗旱性和活性氧产量的类受体激酶，可与植物体内多个NADPH氧化酶 (又称吸爆发氧化酶同源物, respiratory burst oxidase homologs, RBOHs) 相互作用并使其发生磷酸化激活而提高植株ROS水平。对水稻外源施加两种小肽 (OsRALF45/46) 可以极大地缓解由干旱引起的植物脱水。进一步研究发现这两种OsRALFs通过结合OsMRLK63的胞外结构域而与OsMRLK63物理互作，表明它们可能在OsMRLK63介导的干旱胁迫响应过程中充当干旱/脱水信号传感器的作用。基于此，该研究提出了一个新的植物抗旱调控分子模块OsRALF45/46-OsMRLK63-OsRbohs，该模块参与水稻对干旱胁迫信号传导和耐受性。

该研究首先利用亚细胞定位分析发现OsMRLK63定位于细胞质膜，利用分裂泛素酵母双杂交技术和萤火虫荧光素酶互补成像试验（LCI）证明OsMRLK63在体内存在同源二聚化现象，然后利用放射自显影实验证明OsMRLK63具有激酶活性，是植物体内一个典型的类受体激酶。随后通过转基因技术获得了OsMRLK63的超表达 (OE)、RNAi沉默 (RNAi) 及CRISPR/Cas9敲除 (osmrlk63) 的水稻转基因株系，并对各株系的田间生长表型及对干旱胁迫的耐受性进行了分析。结果显示，超表达OsMRLK63 (OE) 的植株体内ROS水平升高，植株的耐旱性增强；而OsMRLK63-RNAi和osmrlk63植株体内的ROS水平降低，植株的耐旱性减弱，表明OsMRLK63正向调控水稻ROS释放和耐旱性。

随后研究人员通过LCI、BiFC、pull-Down和Co-IP等蛋白互作方法证明OsMRLK63与OsRbohs家族的多个成员 (OsRbohA、OsRbohB和OsRbohH) 之间存在互作关系。进一步研究发现，OsMRLK63可以磷酸化OsRbohA，并且OsRbohA N端的Ser26为其主要的磷酸化位点，该位点的磷酸化与胞内ROS水平密切相关，表明OsMRLK63通过磷酸化激活OsRbohs家族成员，进而调节细胞内ROS的释放水平而参与对水稻耐旱性的调控。

为了进一步明确OsMRLK63如何接收水稻干旱信号，该研究首先对野生型和RNAi转基因株系进行了RNA-seq 分析，结果显示一系列编码快速碱化因子（RALF）的基因在二者当中显著差异表达，尤其是OsRALF45和OsRALF46在RNAi干扰株系中的表达量急剧下调，且均可被干旱诱导表达，表明OsRALF45和OsRALF46可能在OsMRLK63介导的水稻耐旱性过程中起重要作用。进一步研究发现， OsRALF45和OsRALF46都属于分泌性的小肽，能够与OsMRLK63在分子水平互作且互作的部位发生在OsMRLK63的胞外结构域。随后利用多种遗传转化和突变体材料证明，外源施加两小肽OsRALF45/46可以极大地缓解PEG模拟干旱引起的植株脱水，外源OsRALF45/46可快速诱导水稻体内ROS水平的增加，且这种ROS水平的增加依赖OsMRLK63和OsRbohs蛋白的存在。这些研究结果表明，两小肽OsRALF45/46可能作为水稻干旱胁迫信号感受器，通过将干旱信号传递给OsMRLK63而介导了水稻耐旱性的形成。

综合上述研究结果，该研究揭示了一个新的植物响应干旱胁迫的信号转导模块，即OsRALF45/46-OsMRLK63-OsRbohs，该模块通过调控ROS的产生而在水稻耐旱调控中发挥重要功能（图）。干旱诱导的脱水可以促进OsRALF45/46与OsMRLK63的胞外结构域结合，导致OsMRLK63发生二聚化而激活，赋予其激酶活性，实现将胞外信号转化为胞内信号的功能。激活的OsMRLK63随后与OsRbohs相互作用并使其磷酸化以促进ROS的产生，以此来触发胁迫耐受的信号级联反应，激发OsRALF45/46基因和其他干旱相关基因进行转录。转录生成的OsRALF45/46小肽被分泌到细胞外与OsMRLK63结合，进一步参与水稻对干旱胁迫的响应。该研究结果为进一步解析并阐明植物响应干旱胁迫的分子机制提供了重要参考。

图: OsMRLK63信号模块调控水稻耐旱性的作用模型

西北农林科技大学生命科学学院陈坤明教授为本文的通讯作者，已毕业博士研究生景秀清为该论文的第一作者，在读博士研究生石鹏涛、已毕业硕士研究生张然为共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金的资助。

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https://doi.org/10.1093/plphys/kiad684