Dev Cell | 中国科学院分子植物卓越中心赵杨研究组揭示渗透胁迫下CPK解码钙信号并介导SnRK2激活的分子机制

干旱、盐胁迫以及低温等非生物逆境导致植物受到高渗胁迫，造成作物生产巨大损失，危害粮食生产安全。渗透信号是一种“复合信号”，其感应和传导机制较为复杂，其中瞬时激发的Ca2+信号和快速激活的SnRK2激酶是两种重要的早期应答(Yu et al, 2024)。然而，渗透胁迫下Ca2+信号的解码及其对核心激酶SnRK2的调控尚不清楚，其研究难点在于渗透胁迫下Ca2+信号解码元件的鉴定。

2025年1月15日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心、植物高效碳汇重点实验室（中国科学院）赵杨研究组于国际学术期刊Developmental Cell在线发表题为Calcium-dependent protein kinases CPK3/4/6/11 and 27 respond to osmotic stress and activate SnRK2s in Arabidopsis的研究论文。该研究鉴定了渗透胁迫下Ca2+信号的解码元件CPK3/4/6/11/27，并解析了Ca2+-CPKs-SnRK2s的信号级联通路。

研究人员发现Ca2+通道抑制剂氯化镧（La3+）能够抑制渗透胁迫下Ca2+信号及下游SnRK2s激活（图1），说明Ca2+信号正调控SnRK2激活。

图1. La3+抑制渗透胁迫下Ca2+信号及下游SnRK2s激活

渗透早期信号诱导ABA积累，从而激活ABA信号调控下游应答(Yu et al, 2024)。然而，渗透早期信号和ABA信号都可以激活Ca2+信号和SnRK2激酶。为了排除ABA信号对早期信号研究的干扰，研究人员以野生型（Col-0）及ABA受体PYL的十二重突变体（pyl duodecuple）为研究对象，通过定量磷酸化蛋白质组学技术鉴定到19个潜在的渗透胁迫早期应答相关激酶，包含已报道的RAFs及SnRK2s等（图2 A）。通过构建MYC标签融合转基因材料，结合免疫沉淀CPK-Myc蛋白激酶活性分析，研究人员发现CPK3/4/6/11/27激酶响应甘露醇及脱水所模拟的渗透胁迫被激活（图2B，C），且该过程依赖于Ca2+信号（图2D），从而鉴定到渗透胁迫下Ca2+信号解码元件CPK3/4/6/11/27。

图2. 渗透胁迫Ca2+信号解码元件鉴定

通过分析CPK3/4/6/11/27过表达株系及cpk3/4/6/11/27五重突变体的表型，研究人员对CPK介导的渗透胁迫信号进行探索，发现胁迫介导的SnRK2激活在CPK3/4/6/11/27过表达株系中进一步增强（图3A），而在cpk3/4/6/11/27突变体中存在显著缺陷（图3B），暗示CPK参与SnRK2激活。进一步研究发现，免疫沉淀的CPK-Myc蛋白激酶，可以激活SnRK2激酶，增强其对底物AKS1的磷酸化修饰（图3 C），证明CPK3/4/6/11/27能够直接激活SnRK2。通过体外磷酸化实验，发现CPK参与磷酸化修饰SnRK2保守的“活化环”上七个丝氨酸和苏氨酸位点（S164, S166, S167, S171, S175, T176和T179）（图3D）。这些位点的磷酸化修饰影响SnRK2.6（又名OST1）的激酶活性和生物学功能，当被突变为不可被磷酸化修饰的丙氨酸之后，OST1自身启动子驱动的转基因材料（NP:OST1A、NP:OST1AA、NP:OST1AAAA）都不能回补ost1突变体的失水表型（图3E）。这些结果说明渗透胁迫下CPK3/4/6/11/27通过磷酸化修饰介导SnRK2的激活。

图3. CPK3/4/6/11/27介导渗透胁迫下SnRK2的激活

通过进一步分析CPK过表达株系及cpk3/4/6/11/27五重突变体的表型，研究人员探讨了渗透胁迫下CPK参与调控的生物学过程，发现cpk3/4/6/11/27突变体的胁迫适应性响应（acclimation）存在缺陷，导致其呈现渗透胁迫超敏感的表型。此外，该突变体气孔对渗透处理响应缺陷，且胁迫应答基因表达降低，并呈现出干旱不耐受的表型。与之相对，CPK过表达株系呈现干旱耐受表型。这些结果说明CPK3/4/6/11/27在植物适应渗透胁迫过程中起着重要作用。

综上所述，研究人员提出CPK3/4/6/11/27激酶解码Ca2+信号，并介导SnRK2激活的渗透早期信号模型。首先渗透胁迫诱导植物胞质自由Ca2+浓度快速升高；CPK3/4/6/11/27通过C端EF手形结构域与Ca2+的结合引起的蛋白构象变化，从而激活自身激酶活性，实现渗透胁迫下Ca2+信号的感知和解码；之后CPK3/4/6/11/27与SnRK2互作，并通过磷酸化修饰激活SnRK2激酶，实现渗透早期信号的传递，调控下游信号通路和胁迫应答（图4）。

图4.渗透胁下CPK解码Ca2+信号并介导SnRK2激活的模式图

该研究是赵杨研究组在解析根冠比、避逆性等渗透信号开源应答机理(Nature Plants, 2022; Developmental Cell, 2022)，鉴定到质膜定位的渗透信号上游元件OSMO1/BON1 (Current Biology, 2020)，提出BIK1介导的渗透胁迫下SnRK2.6的解抑制模型后(EMBO Journal, 2024)，进一步在渗透早期信号取得的新的成果。该成果为渗透胁迫感知复合体的鉴定及理解其感应机制提供了新的线索，补充了该研究组提出的渗透胁迫“复合信号”假说(JIPB, 2024)。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后李庆忠和兰州大学胡涛教授为该论文共同第一作者，赵杨研究员为通讯作者。原博士生鲁天骄在课题前期工作中做出了重要贡献，于波副研究员参与了该课题。该项研究得到国家自然科学基金、中国科学院基础与交叉前沿科研先导专项、上海市科学技术委员会和中国科学院分子植物科学卓越创新中心逆境生物学研究中心的资助。

参考文献：

Chen K, Gao J, Sun S, Zhang Z, Yu B, Li J, Xie C, Li G, Wang P, Song CP et al (2020) BONZAI Proteins Control Global Osmotic Stress Responses in Plants. Curr Biol 30: 4815-4825 e4814.

Chen Q, Hu T, Li X, Song CP, Zhu JK, Chen L, Zhao Y (2022) Phosphorylation of SWEET sucrose transporters regulates plant root:shoot ratio under drought. Nat Plants 8: 68-77.

Li GJ, Chen K, Sun S, Zhao Y (2024) Osmotic signaling releases PP2C-mediated inhibition of Arabidopsis SnRK2s via the receptor-like cytoplasmic kinase BIK1. EMBO J 43: 6076-6103.

Yu B, Chao DY, Zhao Y (2024) How plants sense and respond to osmotic stress. J Integr Plant Biol 66: 394-423.

Yu B, Zheng W, Xing L, Zhu JK, Persson S, Zhao Y (2022) Root twisting drives halotropism via stress-induced microtubule reorientation. Dev Cell 57: 2412-2425 e2416.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2024.12.036