近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)張群教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張靜教授團(tuán)隊(duì)合作，在《Molecular Plant》上在線(xiàn)發(fā)表了題為“SnRK2.5-mediated phosphorylation of PIN2 links osmotic stress signaling with auxin-dependent root adaptive growth in Arabidopsis”的研究論文。該研究揭示了擬南芥ABA非依賴(lài)型激酶SnRK2.5通過(guò)磷酸化生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN2，調(diào)控根系生長(zhǎng)素運(yùn)輸和滲透脅迫適應(yīng)的分子機(jī)制，為培育抗逆作物提供了新靶點(diǎn)。

植物生長(zhǎng)離不開(kāi)水分，當(dāng)遭遇干旱或鹽堿環(huán)境時(shí)，根系會(huì)啟動(dòng)一系列適應(yīng)性反應(yīng)：比如向水分充足的方向彎曲（向水性）、減緩伸長(zhǎng)以減少水分消耗。這些反應(yīng)的核心是生長(zhǎng)素的不對(duì)稱(chēng)分布，而生長(zhǎng)素的運(yùn)輸主要依賴(lài)PIN-FORMED（PIN）家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其中PIN2在根系表皮細(xì)胞中負(fù)責(zé)生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸，是調(diào)控根向地性、向水性的關(guān)鍵“搬運(yùn)工”。此前研究發(fā)現(xiàn)，滲透脅迫會(huì)干擾PIN蛋白的定位和活性，但具體調(diào)控機(jī)制尚不明確。SNF1相關(guān)蛋白激酶2（SnRK2）家族是植物應(yīng)對(duì)滲透脅迫的核心信號(hào)分子，其中SnRK2.2/3/6依賴(lài)ABA發(fā)揮作用，而SnRK2.5等成員則通過(guò)ABA非依賴(lài)途徑響應(yīng)脅迫。然而，ABA非依賴(lài)途徑家族SnRK2如何與生長(zhǎng)素運(yùn)輸系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，幫助根系適應(yīng)滲透脅迫，仍是未知。

該研究首先通過(guò)蛋白互作篩選，發(fā)現(xiàn)SnRK2.5能與PIN2的親水環(huán)（HL）直接結(jié)合，且這種相互作用在根系表皮細(xì)胞中尤為顯著。FRET-FLIM實(shí)驗(yàn)證實(shí)，二者在植物體內(nèi)確實(shí)存在相互作用。體外激酶實(shí)驗(yàn)表明，SnRK2.5能特異性磷酸化PIN2親水環(huán)上的兩個(gè)絲氨酸位點(diǎn)—Ser237和Ser259。為驗(yàn)證這兩個(gè)位點(diǎn)的功能，將Ser237/259突變?yōu)楸彼幔≒IN2^SSAA，模擬去磷酸化）或谷氨酸（PIN2^SSEE，模擬持續(xù)磷酸化）。通過(guò)非洲爪蟾卵母細(xì)胞的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)SnRK2.5與PIN2共表達(dá)時(shí)，生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)活性才顯著增強(qiáng)；而SnRK2.5與PIN2^SSAA共表達(dá)不能激活其對(duì)生長(zhǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)能力（圖1）。這表明，SnRK2.5通過(guò)磷酸化Ser237/259激活PIN2的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

圖1. SnRK2.5磷酸化PIN2激活其生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)能力

為探究這一磷酸化事件的生理意義，團(tuán)隊(duì)聚焦根系的兩個(gè)核心反應(yīng)：向地性（根向重力方向生長(zhǎng)）和滲透脅迫適應(yīng)。在向地性實(shí)驗(yàn)中，pin2突變體根系無(wú)法正常彎曲，而轉(zhuǎn)入野生型PIN2^WT或持續(xù)磷酸化的PIN2^SSEE后，根系能恢復(fù)向地性；但轉(zhuǎn)入PIN2^SSAA的突變體，向地性缺陷仍未改善。通過(guò)生長(zhǎng)素報(bào)告基因DR5::GFP觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，PIN2^SSAA植株的根系生長(zhǎng)素分布紊亂，無(wú)法形成重力誘導(dǎo)的不對(duì)稱(chēng)積累，這表明SnRK2.5介導(dǎo)的PIN2磷酸化，是生長(zhǎng)素不對(duì)稱(chēng)分布和根系向地性的關(guān)鍵。研究發(fā)現(xiàn)，snrk2.5突變體根系對(duì)滲透脅迫更敏感，無(wú)法有效避開(kāi)高滲區(qū)域。進(jìn)一步觀(guān)察顯示，滲透脅迫會(huì)誘導(dǎo)SnRK2.5激活，進(jìn)而減少PIN2的內(nèi)吞和液泡降解（圖2）。上述結(jié)果表明，SnRK2.5通過(guò)磷酸化穩(wěn)定PIN2在細(xì)胞膜上的豐度，并激活PIN2的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，確保生長(zhǎng)素運(yùn)輸在脅迫下的正常進(jìn)行。

圖2. SnRK2.5參與調(diào)控PIN2介導(dǎo)的根向重力性反應(yīng)和滲透反應(yīng)

基于上述結(jié)果，該研究提出如下工作機(jī)制（圖3）：在正常生長(zhǎng)條件下，SnRK2.5活性較低，部分PIN2蛋白處于非激活狀態(tài)，維持根系正常生長(zhǎng)；當(dāng)遭遇滲透脅迫時(shí)，SnRK2.5會(huì)在短時(shí)間內(nèi)被快速激活，一方面磷酸化PIN2蛋白Ser237/259激活其生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)活性，促進(jìn)生長(zhǎng)素不對(duì)稱(chēng)分布以驅(qū)動(dòng)根系向水性彎曲；另一方面穩(wěn)定PIN2在細(xì)胞膜上的豐度，確保脅迫下生長(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行。

圖3 SnRK2.5在滲透脅迫適應(yīng)過(guò)程中磷酸化PIN2調(diào)控生長(zhǎng)素動(dòng)態(tài)運(yùn)輸?shù)墓ぷ髂Ｐ?/p>

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張群教授與中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院張靜教授為本文的共同通訊作者，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的博士研究生張淑娟為本文的第一作者，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的章文華教授、沈立軻副教授和德國(guó)明斯特大學(xué)的J?rg Kudla教授參與了部分研究工作。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校基本業(yè)務(wù)費(fèi)、國(guó)家自然科學(xué)基金、拼多多-中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究基金和海南省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。

原文鏈接：https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(25)00432-0