中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院肖仕教授團(tuán)隊(duì)在植物低氧感知研究中取得重要進(jìn)展

中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院肖仕教授團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)調(diào)控植物低氧感知與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的鈣依賴蛋白激酶，并揭示了鈣信號(hào)由細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞核的轉(zhuǎn)導(dǎo)新機(jī)制。該工作以“Calcium-dependent activation of CPK12 facilitates its cytoplasm-tonucleus translocation to potentiate plant hypoxia sensing by phosphorylating ERF-VII transcription factors”為題，于2023 年4 月4 日在線發(fā)表在Molecular Plant 。

低氧脅迫（hypoxia）是植物最常見(jiàn)的非生物脅迫之一，長(zhǎng)時(shí)間低氧環(huán)境嚴(yán)重影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育、地理生態(tài)分布和農(nóng)作物產(chǎn)量。在長(zhǎng)期淹水條件下，植物無(wú)法與外界進(jìn)行有效的氣體交換，土壤中的氧氣被植物根系及土壤微生物迅速消耗，植物細(xì)胞面臨嚴(yán)峻的低氧脅迫。同時(shí)，在植物氧氣高消耗的器官或組織如種子、果實(shí)、根尖和莖尖分生組織等中，低氧也常常作為信號(hào)因子影響植物的代謝與發(fā)育進(jìn)程。目前，植物低氧響應(yīng)生理和信號(hào)應(yīng)答機(jī)制已較為清晰，而植物如何感知低氧的分子調(diào)控機(jī)理還知之甚少。

鈣離子是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。當(dāng)植物遭受逆境脅迫時(shí)，刺激胞外鈣離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)或胞內(nèi)鈣庫(kù)釋放鈣離子，導(dǎo)致胞質(zhì)鈣離子濃度升高，引發(fā)鈣信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。肖仕教授團(tuán)隊(duì)前期通過(guò)蛋白質(zhì)磷酸化組學(xué)和生化分析，發(fā)現(xiàn)低氧脅迫誘導(dǎo)胞質(zhì)鈣離子濃度上升，從而促使鈣依賴蛋白激酶CPK12 的186位絲氨酸發(fā)生自磷酸化而被激活。遺傳分析證實(shí)，CPK12過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)基因植株對(duì)低氧脅迫的耐受性顯著增強(qiáng)，而CPK12-RNAi植株則對(duì)低氧脅迫異常敏感。與其生理功能一致，186 位絲氨酸突變顯著抑制了CPK12過(guò)表達(dá)植物對(duì)低氧耐受性增強(qiáng)的表型。進(jìn)一步通過(guò)亞細(xì)胞定位分析和體內(nèi)體外驗(yàn)證，揭示低氧下磷酸化的CPK12從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核中，結(jié)合并磷酸化植物低氧感知核心轉(zhuǎn)錄因子ERFVIIs，增強(qiáng)其蛋白穩(wěn)定性，從而促進(jìn)植物對(duì)低氧脅迫的感知和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

研究表明，低氧誘導(dǎo)植物中多不飽和?；o酶A（C18∶3-CoA）積累，且C18∶3-CoA 作為關(guān)鍵脂質(zhì)信號(hào)分子介導(dǎo)ERF-VII 與膜錨定蛋白ACBPs 的解離和向核轉(zhuǎn)移，調(diào)控植物低氧應(yīng)答，而CPK12 對(duì)ERF-VIIs 穩(wěn)定性的調(diào)控作用則依賴于ACBPs介導(dǎo)的C18∶3-CoA 信號(hào)。深入研究發(fā)現(xiàn)，磷脂酸PA 與CPK12高親和度結(jié)合，誘導(dǎo)CPK12在低氧下的核質(zhì)易位。相反，14-3-3蛋白則通過(guò)與磷酸化CPK12互作，抑制CPK12入核，從而負(fù)調(diào)控ERF-VIIs介導(dǎo)的低氧信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

綜上所述，該研究首次揭示低氧誘導(dǎo)的鈣信號(hào)激活鈣依賴蛋白激酶CPK12，在磷脂酸PA和支架蛋白14-3-3的通力協(xié)助下，從細(xì)胞質(zhì)穿梭至細(xì)胞核，激活植物低氧感知關(guān)鍵因子ERF-VIIs，增強(qiáng)植物低氧信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的新機(jī)理（圖1），研究成果對(duì)深入理解植物逆境信號(hào)應(yīng)答的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)具有重要意義。

論文鏈接：https：//doi.org/10.1016/j.molp.2023.04.002

◆團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介◆

肖仕教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事植物低氧感知與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究，在植物低氧信號(hào)調(diào)控機(jī)理方面取得重要進(jìn)展，揭示了鈣依賴蛋白激酶、絲裂原活化蛋白激酶、轉(zhuǎn)錄因子和脂質(zhì)分子在植物低氧及低氧后復(fù)氧適應(yīng)性建成中的功能機(jī)制，相關(guān)成果已在Molecular Plant、The Plant Cell、New Phytologist、Plant Biotechnology Journal、Progress in Lipid Research、Journal of Integrative Plant Biology 等國(guó)際權(quán)威刊物上發(fā)表。

肖仕教授2012 年入選“國(guó)家海外高層次人才計(jì)劃青年項(xiàng)目”，2017年獲“國(guó)家杰出青年科學(xué)基金”項(xiàng)目資助，2019年入選國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才，并獲得美國(guó)和中國(guó)授權(quán)專利8項(xiàng)，2021年以第一完成人獲廣東省自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。目前擔(dān)任生命科學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)、水產(chǎn)動(dòng)物疫病防控與健康養(yǎng)殖全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、廣東省熱帶亞熱帶植物資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任等職務(wù)，兼任廣東省植物生理學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、中國(guó)作物學(xué)會(huì)理事、中國(guó)植物學(xué)會(huì)植物細(xì)胞生物學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員、分子生物學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員、青年工作委員會(huì)委員等學(xué)術(shù)職務(wù)。

肖仕教授及其團(tuán)隊(duì)