PNAS | 系统性钙信号“新玩家”：CNGC13介导植物维管系统性钙信号与抗虫防御的分子机制

昆虫啃食是全球农业生产面临的重要生物胁迫，每年造成约 20% 的作物产量损失，且随着全球气候变暖，虫害发生的频率与危害程度呈上升趋势。在与昆虫的长期共进化中，植物形成了精密的局部与系统性防御体系：当遭受咀嚼式昆虫取食时，损伤部位会迅速启动膜去极化、胞质钙升高、茉莉酸通路激活等早期免疫事件，并通过维管系统将信号长距离传递至远端未受损组织，诱导全株水平的防御响应。

胞质Ca²⁺浓度的瞬时升高是连接损伤感知与下游防御激活的核心早期信号。此前研究证实，谷氨酸受体样通道（glutamate receptor-like channels, GLRs）是介导系统性钙信号的关键组分，但植物对多样损伤信号的系统性响应具有高度稳健性，暗示有其他钙通道家族共同参与调控，但具体有哪个钙通道蛋白参与及其作用机制尚不清楚。

近日，印度国家植物基因组研究所Jyothilakshmi Vadassery课题组联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心、意大利米兰大学等研究机构在PNAS发表了题为The Ca²⁺channel CYCLIC NUCLEOTIDE GATED CHANNEL13 regulates vasculature-mediated systemic Ca²⁺andjasmonatesignaling on herbivory的研究论文。该研究鉴定到一个定位于维管组织质膜的环核苷酸门控通道CNGC13，揭示其作为关键信号整合因子，协同调控创伤诱导的系统性钙信号传播、芥子油苷代谢与茉莉酸介导的抗虫防御，为植物系统性免疫的信号调控网络提供了重要新认知。

维管定位的钙通道 CNGC13 正调控植物抗虫性

为鉴定参与植物抗虫早期响应的关键基因，研究团队通过分析模拟食草处理后的转录组数据，发现环核苷酸门控通道家族基因CNGC13可被创伤与昆虫口腔分泌物快速诱导。进一步验证显示，无论是机械创伤、模拟食草还是斜纹夜蛾（Spodoptera litura）实际取食，均能快速上调 CNGC13 的表达，且该基因在局部受伤叶片与远端系统叶片中均被显著诱导。功能验证表明，与野生型相比，cngc13功能缺失突变体上的斜纹夜蛾幼虫取食面积更大、体重增长显著更快，表现出抗虫性下降；而基因互补株可将幼虫增重表型恢复至野生型水平，证明 CNGC13是植物抗虫防御的正调控因子。

CNGC13 定位于质膜且具有钙通道活性

组织表达模式分析显示，CNGC13 启动子活性在创伤后强烈诱导，且特异性表达于叶片的初级、次级和三级叶脉中；组织切片进一步证实其在木质部与韧皮部均有表达。亚细胞定位实验结合免疫印迹结果表明，CNGC13 蛋白定位于细胞质膜。为验证其通道功能，研究人员在HEK293T细胞中异源表达CNGC13，通过全细胞膜片钳记录发现，在胞外存在 Ca²⁺的条件下，超极化可诱导显著的内向电流，而该电流可被钙通道抑制剂 Gd³⁺消除；当将胞外 Ca²⁺替换为 K⁺时，电流几乎消失。同时，CNGC13 可回补钙通道缺陷酵母突变体的生长表型。以上结果共同证明，CNGC13 是一个定位于质膜的 Ca²⁺通透性阳离子通道。

CNGC13 是系统性钙信号的必需组分

鉴于CNGC13 的维管定位与损伤诱导表达特征，研究团队推测其参与创伤诱导的系统性钙信号传导。利用钙探针 GCaMP3 活体成像发现，野生型拟南芥在叶柄被切断后，胞质 Ca²⁺信号可从受伤叶片快速通过维管组织传播至远端系统叶片；而在cngc13突变体中，系统性钙信号的出现时间显著延迟、信号幅度大幅降低，传播速度也明显减慢。值得注意的是，突变体中局部创伤诱导的钙信号与野生型无显著差异，说明CNGC13特异性调控长距离系统性钙信号的高效传播，而非局部钙信号的产生。

CNGC13通过调控芥子油苷水解介导系统性防御

已有研究表明，植物叶片-叶片间的损伤信号传播依赖于 “Ricca 因子”—— 即通过维管运输的硫代葡萄糖苷酶（TGG），其可水解芥子油苷产生活性苷元/异硫氰酸酯（ITC），进而触发系统性钙信号。该研究发现，cngc13突变体中TGG基因受到的损伤诱导表达显著下调；代谢组检测显示，损伤后野生型系统叶脉中脂肪族芥子油苷的水解产物（Glucoraphanin-ITC, Glucoalyssin-ITC）显著积累，而突变体中无此升高，且完整芥子油苷的含量在基因型间无差异，说明 CNGC13 功能缺陷导致芥子油苷的水解环节受阻，而非底物的运输或合成。

相应地，损伤后野生型系统叶片中茉莉酸（JA）及其活性形式茉莉酸-异亮氨酸（JA-Ile）大量积累，而cngc13突变体的系统性茉莉酸水平显著降低，茉莉酸合成关键基因LOX6与响应标记基因JAZ10的诱导也明显减弱。但局部受伤叶片中的茉莉酸水平不受影响，进一步证明CNGC13特异性调控系统性防御信号的建立。

CNGC13与CNGC19协同调控抗虫但功能独立

此前研究已发现同家族的CNGC19调控局部钙信号与抗虫防御。该研究发现，CNGC13与CNGC19在转录水平存在相互补偿效应：任一基因缺失后，另一基因在损伤后的表达均会上调。构建双突变体后发现，其抗虫敏感性、芥子油苷含量缺陷均比单突变体更显著，说明两者协同调控植物抗虫防御。但酵母双杂交实验显示，CNGC13与CNGC19 不存在直接的蛋白互作，表明二者通过各自独立的通道复合体发挥功能，共同构成维管组织中分布式的钙信号调控网络。

CNGC13与受体激酶PEPR2互作，整合AtPep损伤信号

除了Ricca因子通路，植物损伤相关分子模式（DAMP）如内源性肽 AtPeps，可被质膜受体激酶PEPR1/PEPR2 识别，启动免疫反应。研究发现，AtPep1 和 AtPep2 均可快速诱导 CNGC13 的表达；cngc13突变体中，AtPep 诱导的胞质钙升高与活性氧（ROS）爆发均显著减弱。进一步的蛋白互作实验证实，CNGC13 的胞内 N 端可直接与 PEPR2 的胞内激酶结构域结合。功能验证显示，pepr2突变体同样表现出系统性芥子油苷水解产物积累减少、茉莉酸水平下降的表型，与cngc13突变体高度一致。这表明，PEPR2-CNGC13组成受体—通道功能模块，将AtPep的损伤感知信号直接转化为钙内流，参与系统性防御调控。

综上所述，该研究鉴定了植物维管组织中一个全新的质膜钙通道 CNGC13，揭示其作为信号整合枢纽，同时参与两条关键的系统性防御通路：一方面调控 Ricca 因子（TGG - 芥子油苷）介导的化学信号传导，另一方面作为 PEPR2 的下游通道，转导 AtPep 损伤相关分子模式信号，二者共同驱动系统性钙波传播与茉莉酸防御激活。这一发现拓展了植物系统性钙信号的调控网络，弥补了GLR通道之外的机制空白，为深入理解植物长距离免疫信号的整合与调控提供了新的分子框架，也为作物抗虫遗传改良提供了潜在的基因靶点。

论文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2612869123