陕西
干旱是限制木本植物生长发育的主要非生物胁迫因素之一。气孔作为植物与大气间水分散失和气体交换的“闸门”，其开闭运动在植物适应干旱胁迫中起着至关重要的作用。微丝（Microfilament）的动态重排被认为是驱动保卫细胞运动的核心环节，但复杂的钙信号传感模块如何精确调控这一过程，仍有待深入挖掘。
近日，东北林业大学林学院杨静莉研究组在Plant, Cell & Environment上发表 题为PuCBL9-PuCIPK11 Modulates Stomatal Microfilament Reorganisation in a Phosphorylation-Dependent Manner to Enhance Drought Tolerance in Poplar的研究论文，阐述了大青杨（Populus ussuriensis Kom.）中 PuCIPK11 激酶能够响应干旱及脱落酸（ABA）信号，通过与钙传感器 PuCBL9 形成分子模块，调节气孔微丝的重排，进而显著提升植物的抗旱性能。这项研究为气孔细胞骨架动力学的磷酸依赖性调控提供了机制性见解，并将PuCBL9-PuCIPK11模块确定为杨树抗旱性的关键调控因子，为杨树的基因改良提供了潜在靶点。
该项研究以大青杨为受体材料利用农杆菌介导技术获得了PuCIPK11过表达株系和基于CRISPR/Cas9系统的敲除突变体株系。在干旱胁迫条件下，与野生型（WT）相比，PuCIPK11过表达株系表现出明显的抗旱表型。而突变体株系则表现出干旱敏感表型。通过观察并统计WT及PuCIPK11各转基因株系干旱胁迫前后气孔及气孔内微丝表型发现，干旱胁迫条件下PuCIPK11过表达株系的气孔关闭程度最高，气孔内微丝解聚最为明显，而各项生理指标测定进一步印证了PuCIPK11可以提高大青杨的抗旱性。
蛋白激酶CIPKs可与钙离子感受器CBLs形成CBL-CIPK复合体解码Ca2+信号【1】。并且部分CBL-CIPK复合体存在着CBLs可作为激酶CIPKs的底物被其磷酸化，进一步促进了Ca2+信号的转导。基于此，该项研究通过体外磷酸化实验验证了PuCIPK11可以磷酸化PuCBL9。而PuCBL9氨基酸序列中存在一个保守的磷酸化位点，即第201位丝氨酸（S201）。通过将该丝氨酸位点突变为丙氨酸来模拟非磷酸化状态后发现，PuCIPK11磷酸化PuCBL9现象消失。LCI实验发现S201位点的磷酸化可明显促进PuCIPK11与PuCBL9的相互作用，并且外源ABA可以促进该过程。总而言之，以上研究支持了一个模型，即PuCIPK11在S201位点磷酸化PuCBL9，形成一个由干旱和ABA信号共同调控的功能性复合体。
激酶PuCIPK11可磷酸化其分子伴侣PuCBL9
为了研究PuCBL9与PuCIPK11在抗旱反应中的功能关系，作者使用PuCIPK11过表达株系作为受体材料敲除PuCBL9，获得了PuCIPK11-OE/pucbl9 株系。干旱胁迫后发现PuCIPK11-OE/pucbl9 株系明显减弱了PuCIPK11过表达株系的抗旱表型，恢复到与WT相一致的敏感性状态。经各株系气孔开度及气孔内微丝分布情况观察并统计发现，干旱胁迫后PuCIPK11-OE/pucbl9 株系气孔开度显著高于PuCIPK11过表达株系，微丝解聚程度低于PuCIPK11过表达株系。ABA处理后各株系气孔表型与干旱处理表型相一致。这些结果表明，PuCBL9 是 PuCIPK11 的主要分子伙伴，缺失 PuCBL9 会削弱 PuCIPK11 调控气孔关闭和微丝解聚的能力，从而在一定程度上降低杨树的抗旱性。
PuCBL9-PuCIPK11 模块通过调节气孔微丝解聚并促进气孔关闭模式图
综上所述，PuCIPK11通过调节微丝解聚来促进气孔关闭，从而增强大青杨的抗旱能力。干旱条件下，细胞内的[Ca2+]cyt水平升高，而PuCBL9作为钙离子感受器，识别并传递Ca2+信号。这个过程涉及PuCBL9‑PuCIPK11功能模块的形成，其中PuCIPK11与PuCBL9相互作用并磷酸化PuCBL9的Ser201位点。缺失PuCBL9会削弱PuCIPK11介导的气孔关闭和微丝解聚调控，从而影响抗旱性。这表明PuCIPK11在该模块中的功能依赖于PuCBL9。该模块参与ABA信号通路，并在干旱胁迫下转录诱导。该研究不仅扩展了CBL‑CIPK网络的功能范围，将直接细胞骨架调控纳入树木研究，还为培育具有更高水分利用效率的杨树品种提供了有价值的遗传靶点。
东北林业大学博士研究生李晶晶为第一作者。东北林业大学（林木遗传育种全国重点实验室）杨静莉教授为本文的通讯作者。感谢东北林业大学林木遗传育种全国重点实验室仪器共享平台的技术支持。本研究得到中央高校基本科研业务专项资金项目博士研究生自主创新项目和国家自然科学基金项目的资助。
参考文献：
[1] SANYAL, S. K., MAHIWAL, S., NAMBIAR, D. M. & PANDEY, G. K. 2020. CBL-CIPK module-mediated phosphoregulation: facts and hypothesis. Biochem J, 477, 853–871.
论文链接：
https://doi.org/10.1111/pce.70590
特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.
