王存教授团队发现CPK21和CPK23对NRAMP1的Ca2+依赖性磷酸化促进拟南芥中锰的吸收和稳态

2022年09月26日，西北农林科技大学生命学院王存课题组联合多家单位在《美国科学院院报》（PNAS）在线发表了题为Ca2+-dependent phosphorylation of NRAMP1 by CPK21 and CPK23 facilitates manganese uptake and homeostasis in Arabidopsis的研究论文，该研究发现了植物低锰信号转导的重要机制。

Ca2+是真核细胞内重要的第二信使。当植物感受到外界环境变化时，会产生时空特异的Ca2+信号，不同胁迫所引起的Ca2+信号在时间、频率和幅度上都会有不同程度的差异。这些Ca2+信号会被Ca2+感受器识别并解码，进而激活下游早期响应基因的表达或相关通道蛋白的活性，最终产生特异性响应。Ca2+信号在植物的生长发育、 营养代谢、逆境胁迫以及防御反应等过程中均具有举足轻重的作用。

锰是植物生长发育的必需微量元素之一。在pH值较高的碱性土壤和钙质土壤，植物可吸收利用的锰减少，导致植物缺锰。目前关于锰转运的研究多集中于转运体的发掘及功能验证，对上游的调控机制却知之甚少。2021年5月份该课题组发现高锰胁迫会激发Ca2+信号，进而激活Ca2+感受器CPKs家族中的CPK4/5/6/11，并通过磷酸化MTP8的第31位和32位丝氨酸激活其转运活性，最终将细胞质中多余锰离子转运进液泡内，提高植物耐受锰毒害的能力 (Zhang et al., 2021)。此外，该课题组在2021年11月又发现Ca2+感受器CBL2/3-CIPK3/9/26复合体通过磷酸化MTP8的第35位丝氨酸来抑制其转运活性，与CPK4/5/6/11拮抗调控植物锰稳态，植物借此实现生长和逆境的最佳平衡 (Ju et al., 2022)。

近日，该课题组最新研究发现，低锰胁迫可以触发一种长时间的Ca2+信号振荡，且在根的伸长区（EZ）响应最为强烈（图1）。通过蛋白互作筛选的手段，该研究发现很可能是钙依赖性蛋白激酶CPK21和CPK23与定位在质膜上的锰转运体NRAMP1互作来响应这种长时间的Ca2+信号振荡。

进一步通过CRISPR/Cas9技术构建的cpk21/23双突变体在低锰胁迫下表现出敏感表型，而CPK23的过量表达则增强了植物对低锰胁迫的耐受性。通过磷酸化实验，发现CPK21/23可以磷酸化修饰锰转运体NRAMP1蛋白的Ser20和Thr498位点。最后，通过生物化学分析、低锰敏感酵母转运分析和转基因株系的表型分析证明了Thr498对于NRAMP1的锰转运活性至关重要。

图1低锰胁迫诱发长时间Ca2+信号振荡

综上所述，该研究发现了Ca2+-CPK21/23-NRAMP1调控途径是植物响应低锰胁迫的重要机制（图2）。该研究加深了对Ca2+信号调控植物锰稳态的理解，并为今后碱性土壤上的低锰逆境应答研究和农作物遗传改良奠定了坚实的基础。

图2 Ca2+信号调控低锰胁迫的模式图

西北农林科技大学生命科学学院博士生傅大利，副教授张振乾以及德国明斯特大学的Lukas Wallrad为本文共同第一作者。西北农林科技大学生命科学学院的王存教授为论文通讯作者，德国明斯特大学的Jörg Kudla为共同通讯作者。德国哈勒大学的Edgar Peiter和中国农业科学院生物技术研究所王磊研究员参与了此项研究的指导工作。该论文得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和陕西省自然科学基金等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2204574119