PNAS | 中国农业大学/河北大学巩志忠课题组揭示玉米干旱胁迫响应新机制

玉米作为全球广泛种植的重要粮食作物，其产量受到诸多环境因素的显著影响，其中干旱是最为关键的制约因素之一。相关研究表明，在关键生育期遭遇中度干旱，玉米产量可能会降低20%-40%，而重度干旱情况下，减产幅度甚至可能超过50%。干旱对玉米产量的负面影响不仅关乎农民的经济收益，更对全球粮食安全构成严峻挑战 (Yang et al., 2023, Gong et al., 2020)。深入了解干旱对玉米产量的影响机制，对于制定科学有效的抗旱栽培措施、保障玉米稳定高产具有重要意义。

近日，中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室/河北大学生命科学学院巩志忠教授课题组在PNAS发表了题目为“ZmGCT1/2 negatively regulate drought tolerance in maize by inhibiting ZmSLAC1 to maintain guard cell turgor”的研究论文。该研究发现在正常生长条件下，蛋白激酶ZmGCT1与离子通道ZmSLAC1相互作用，定位在细胞质膜上。ZmGCT1磷酸化ZmSLAC1倒数第二位Thr，抑制ZmSLAC1的离子通道活性, 同时ZmGCT1磷酸化并抑制ZmSnRK2s的激酶活性。在干旱条件下, ABA激活的ZmSnRK2s磷酸化ZmGCT1，降低了ZmGCT1在质膜定位，促使气孔关闭，以此响应干旱胁迫。

该研究通过筛选玉米转基因过表达株系，发现编码RAF(rapidly accelerated fibrosarcoma, RAF) 类蛋白激酶的ZmGCT1（Guard Cell Turgor Maintaining 1) 转基因过表达株系表现出干旱敏感表型，通过CRISPR/Cas9技术获得的zmgct1功能缺失突变体表现出耐旱表型。功能获得性突变体zmgct1-9D对干旱敏感，具有与ZmGCT1过表达株系相似的干旱敏感表型。玉米中ZmGCT2与ZmGCT1最同源，ZmGCT2过表达株系具有干旱敏感表型，zmgct2突变体更加耐旱，表明ZmGCT1/2负调控玉米响应干旱 (图1)。

图 1 ZmGCT1磷酸化并抑制ZmSnRK2.10和ZmSLAC1负调控玉米响应干旱胁迫

ZmGCT1与拟南芥中的RAF19/HT1 (high leaf temperature 1) 最同源，HT1是拟南芥中关键的CO2响应调控组分 (Hashimoto et al., 2006, Takahashi et al., 2022)。实验结果表明，ZmGCT1/2负调控ABA诱导的气孔关闭，zmgct1 zmgct2双突变体的气孔在适宜条件下无法正常打开，丧失对外界刺激的响应。ZmGCT1/2过表达株系的气孔导度对CO2浓度变化的响应与野生型类似，但zmgct1-9D的气孔导度显著高于野生型。表明该突变具有强烈的显性负效应，进一步证明HT1和ZmGCT1/2在拟南芥和玉米的CO2响应中具有保守功能。

ZmGCT1的激酶活性受到ABA处理和脱水处理的抑制。ZmGCT1主要定位在细胞质膜上，ABA处理后，ZmGCT1离开细胞质膜转移到细胞质中 (图1)。经鉴定，zmgct1-9D功能获得型突变体缺失第76至84位9个氨基酸，其中第80位Thr突变为模拟磷酸化形式的Asp (T80D) 和Glu (T80E) 后，ZmGCT1T80D/E-GFP主要定位在细胞质中；当突变为模拟非磷酸化形式的Ala (T80A) 后，ZmGCT1T80A-GFP主要定位在细胞质膜上，不受ABA诱导离开细胞质膜，与zmgct1-9D-GFP的亚细胞定位相似。

ABA信号转导的核心组分蛋白激酶SUCROSE NONFERMENTING 1-RELATED PROTEIN KINASE 2s (SnRK2s) 正调控干旱胁迫响应。玉米中，ZmSnRK2.8/9/10与拟南芥SnRK2.6/open stomata 1 (OST1) 最同源，实验结果表明，ZmGCT1磷酸化ZmSnRK2.10的第292位Thr，抑制ZmSnRK2.10的激酶活性 (图1)。ZmSnRK2.8/9磷酸化ZmGCT1的第80位Thr，影响ZmGCT1的亚细胞定位。

干旱胁迫响应过程中，阴离子通道slow anion channel 1 (SLAC1) 被激活，促进气孔关闭。爪蟾卵母细胞电生理实验结果表明，ZmGCT1抑制持续激活的ZmSLAC1T520D (Guo et al., 2023) 的离子通道活性，该过程依赖于ZmGCT1的激酶活性。ZmGCT1与ZmSLAC1相互作用并磷酸化ZmSLAC1的倒数第二位Thr (T573)，该位点在单子叶植物中保守。模拟磷酸化形式的ZmSLAC1T520DT573D的离子通道活性显著低于ZmSLAC1T520DT573A和ZmSLAC1T520D。同时，ZmGCT1也能够抑制ZmOST1/ZmSnRK2.8对ZmSLAC1 (Wu et al., 2019) 的激活 (图1)。

通过杂交获得zmgct1 zmslac1双突变体和zmgct1 zmsnrk2.10双突变体，均具有干旱敏感表型，与zmslac1单突变体 (Li et al., 2022) 和zmsnrk2.10单突变体的干旱敏感表型相近。表明ZmGCT1在ZmSLAC1和ZmSnRK2.10的上游调控玉米响应干旱胁迫。

综上所述，该研究提出以下工作模型，即在正常生长条件下，ZmGCT1与ZmSLAC1相互作用，ZmGCT1定位在细胞质膜上，磷酸化ZmSLAC1第573位Thr，抑制ZmSLAC1的离子通道活性。在干旱条件下，ABA积累，与ABA受体、蛋白磷酸酶PP2Cs形成三元复合体，解除对ZmSnRK2s的抑制，ZmSnRK2s磷酸化并激活ZmSLAC1，同时磷酸化ZmGCT1的第80位Thr，ZmGCT1离开细胞质膜，促进气孔关闭，植物进行干旱胁迫响应 (图2)。

图 2 ZmGCT1负调控玉米响应干旱胁迫的工作模型

该研究所用的玉米种质由中国农业大学功能基因组与分子育种研究中心提供。已毕业博士冯贞凯(现为河南师范大学讲师)、在读博士李慧颖、已毕业博士孙志慧(现为广州大学博士后) 为该论文的共同第一作者，中国农业大学巩志忠教授为通讯作者。中国农业大学杨淑华教授、齐俊生教授、王瑜副教授、程金魁老师、已毕业博士华德平(现为天津大学副教授) 参与该项研究工作。该研究得到国家自然科学基金和北京市重点研发项目的资助。

参考文献：

Z. R. Yang, F. Qin, The battle of crops against drought: Genetic dissection and improvement. J. Integr. Plant Biol. 65, 496–525 (2023).

Z. Z. Gong et al., Plant abiotic stress response and nutrient use efficiency. Sci. China Life Sci. 63, 635–674 (2020)

M. Hashimoto et al., Arabidopsis HT1 kinase controls stomatal movements in response to CO2. Nat. Cell Biol. 8, U391–U352 (2006)

Y. Takahashi et al., Stomatal CO2/bicarbonate sensor consists of two interacting protein kinases, Raf-like HT1 and non-kinase-activity activity requiring MPK12/MPK4. Sci Adv. 8, eabq6161 (2022)

Y. Guo et al., The clade F PP2C phosphatase ZmPP84 negatively regulates drought tolerance by repressing stomatal closure in maize. New Phytol.237, 1728-1744 (2023).

Q. Q. Wu et al., ZmOST1 mediates abscisic acid regulation of guard cell ion channels and drought stress responses. J. Integr. Plant Biol. 61, 478–491 (2019).

X. D. Li, Y. Q. Gao, W. H. Wu, L. M. Chen, Y. Wang, Two calcium-dependent protein kinases enhance maize drought tolerance by activating anion channel ZmSLAC1 in guard cells. Plant Biotechnol. J.20, 143-157 (2022).

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2423037122