Cell Reports | 南方科技大学王鹏程团队揭示水稻渗透胁迫应答新机制

干旱、高盐和极端温度等造成渗透胁迫，严重影响水稻等作物的生长。已知促有丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase, MAPK）是一类高度保守的丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶，主要介导细胞外信号到细胞内的传递过程。经典的MAPK级联途径由MAPKKK、MAPKK和MAPK三种激酶依次激活。近年来，南方科技大学王鹏程等团队发现模式植物拟南芥和小立碗藓中B RAF亚组的MAPKKK并不介导MAPK级联途径，而是磷酸化一类植物特有的SnRK2蛋白激酶，介导了植物环境胁迫应答和植物激素脱落酸（abscisic acid, ABA）信号转导过程。但单子叶植物水稻（Oryza sativa L.）的B RAF-SnRK2激酶级联途径是否存在，及其功能仍不清楚。

近日，南方科技大学前沿生物技术研究院王鹏程教授团队国际期刊Cell Reports在线发表了题为Rice B2 and B3 subgroup RAF kinases play central roles in both ABA and osmotic stress signaling的研究论文，首次揭示了单子叶植物水稻B RAF蛋白激酶磷酸化SAPK，组成保守的B RAF-SnRK2激酶级联途径，介导了ABA信号转导和渗透胁迫应答过程，为揭示水分胁迫应答的机制提供重要线索。

研究团队针对水稻B RAF类MAPKKK家族成员，利用CRISPR-Cas9技术，系统构建了水稻B RAF蛋白激酶各亚族的高阶突变体。其中raf-b1突变体缺失了B1亚组的2个成员MAPKKK40和MAPKKK44、raf-b2缺失MAPKKK5、raf-b3q缺失MAPKKK 2/4/6/7/14和raf-b2/3q缺失MAPKKK2/4/5/6/7/14。这些突变体在田间表现出生长减缓和产量下降，其中raf-b1突变体表现出强烈的生长抑制，结实率显著减少。水稻raf-b2、raf-b3q和raf-b2/3q在种子萌发和幼苗生长过程中表现出对ABA不敏感。其中B2和B3亚组RAF的raf-b2/3q突变体对ABA的不敏感程度与ABA受体的突变体pyl1/2/3/4/5/6/12相当，且对多种渗透胁迫（甘露醇、PEG6000和高盐处理）表现出超敏感的表型。体外磷酸化和免疫印记证实了水稻B2和B3 RAF蛋白激酶能磷酸化SAPK保守的丝氨酸位点（对应SAPK9的Ser172和Ser176），对于ABA和渗透诱导的SAPK磷酸化和激活也是必需的。

图1 水稻raf-b3q和raf-b2/3q对渗透胁迫敏感

研究还比较了B RAF在不同植物物种间的功能差异。小立碗藓中只有一个B2/3 RAF成员PpARK/CTR1/ANR1，同时介导了乙烯、ABA和渗透胁迫应答。小立碗藓Ppark突变体对ABA不敏感，对渗透胁迫敏感。拟南芥的B2/B3 RAF高阶突变体OK100-nonu中ABA信号通路被阻断，可在极高浓度ABA处理下正常生长，但渗透胁迫处理只表现出轻微敏感的表型。水稻B2/3 RAF的突变体raf-b2/3q对ABA和渗透的敏感性更接近于小立碗藓突变体Ppark。此外，该研究还发现拟南芥ABA受体的高阶突变体pyr1/pyl1/2/4/5/8在渗透处理下仅表现出轻微的生长抑制，而水稻 ABA受体的高阶突变体pyl1/2/3/4/5/6/12对渗透胁迫敏感，具有与raf-b2/3q类似的敏感表型，表明高等植物水稻与拟南芥中ABA和渗透胁迫信号通路具有一定程度的差异。通过研究ABA信号通路及RAF-SnRK2激酶级联在低等和高等植物中的功能分化，为我们理解植物如何适应陆生环境提供重要见解。

图2 拟南芥和小立碗藓B2/B3 RAF突变体胁迫表型分析

王鹏程研究组近年来主要聚焦于植物早期渗透胁迫信号转导机制的研究，系统解析了RAF-SnRK2激酶级联途径在渗透胁迫和ABA信号途径中的核心作用（Lin et al., Nat Commun, 2020；Lin et al., Nat Commun, 2021；Du et al., Stress Biol., 2022；Wang et al., J Integr Plant Biol, 2023；Sang et al., Mol Cell Proteomics, 2024； Wang, Curr Biol, 2024；Wang, Trends Plant Sci, 2024等）。

王鹏程课题组博士后王新永为该论文的第一作者，硕士生林冠全、河南科技学院王宏亮博士、博士生张臻和王雨蓓博士，南方科技大学朱健康教授和郎曌博教授参与了部分研究，安徽农业大学魏鹏程教授提供了基因编辑和遗传转化，王鹏程教授为通讯作者。

论文链接：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(25)00665-5