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2020年1月30日，國際知名學術期刊Nature Communications在線發(fā)表中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心上海植物逆境生物學研究中心王鵬程和朱健康研究組合作的研究論文“A RAF-SnRK2 kinase cascade mediates early osmotic stress signaling in higher plants”。該論文揭示了RAFs和SnRK2s組成的蛋白激酶級聯(lián)途徑介導的植物滲透脅迫的早期應答過程。

干旱、冷、高鹽等造成滲透脅迫，直接影響植物生長發(fā)育和作物的產(chǎn)量。相對于其它環(huán)境脅迫，由于缺乏有效的滲透脅迫特異的檢測標記，目前對于植物細胞滲透脅迫的感受和信號轉導途徑了解較少。目前已知蔗糖非發(fā)酵相關蛋白激酶2（sucrose non-fermenting 1-related protein kinase 2，SnRK2）是植物滲透脅迫應答途徑的關鍵組分。模式植物擬南芥SnRK2家族有10個成員，其中9個能被滲透脅迫迅速激活。SnRK2的十突變體對滲透脅迫敏感。但滲透脅迫如何激活SnRK2尚不清楚。

該研究通過凝膠激酶分析（in-gel kinase assay）發(fā)現(xiàn)除SnRK2外，另一組大分子量的蛋白激酶（100-130 kDa）也被滲透脅迫特異激活，并將其命名為滲透脅迫激活的蛋白激酶（osmotic stress activated protein kinases，OKs）。滲透脅迫處理2分鐘后OK即被迅速激活，且OK的激活不依賴于SnRK2。

通過定量磷酸化組學研究，作者比較分析了野生型和SnRK2十突變體中滲透脅迫誘導的磷酸化變化。發(fā)現(xiàn)甘露醇處理后，RAF家族蛋白激酶的磷酸化迅速增加，且B亞組蛋白激酶的分子量與OK一致。

通過CRISPR -Cas9，作者構建了RAF基因家族成員的多突變體。對突變體的檢測表明，B4亞組的7個成員特異地調(diào)控了ABA不依賴的SnRK2（SnRK2.1/4/5/9/10）的激活，而B2和B3亞組的12個成員特異地調(diào)控了ABA依賴的SnRK2.2/3/6的激活。B4-RAF的多突變體對滲透脅迫超敏感。

作者發(fā)現(xiàn)OK能直接與SnRK2相互作用并磷酸化SnRK2s。其中B4亞組RAF特異磷酸化SnRK2.1/4/5/9/10，而B2和B3亞組RAF特異磷酸化SnRK2.2/3/6。 RAFs能磷酸化SnRK2蛋白激活環(huán)（activation loop）的多個位點。已知SnRK2.6蛋白S171和S175兩個保守的磷酸化位點對于SnRK2.6的激活是必須的。本文證實了RAF家族蛋白激酶對于這一位點磷酸化，而不是SnRK2的自磷酸化（autophosphorylation）介導了滲透脅迫對SnRK2的激活。本研究還初步證實了RAFs家族蛋白激酶對于ABA誘導的SnRK2的激活也是必需的，B亞組RAFs的14突變體對ABA不敏感。

該研究揭示了RAF-SnRK2級聯(lián)途徑是滲透脅迫的早期信號途徑（圖1），為深入了解植物感受和應答滲透脅迫的分子機制提供了線索。同時，通過高通量磷酸蛋白組學鑒定未知蛋白激酶的探索和多基因家族的大規(guī)模敲除也為相關領域的研究提供參考。

植物逆境中心王鵬程研究組博士研究生藺禎、工作人員劉曉磊、朱健康組中國農(nóng)業(yè)大學訪問學者李媛、博士后張正靜是本文的共同第一作者。朱健康院士和王鵬程研究員是本文的共同通訊作者。該研究得到中國科學院先導項目、國家自然科學基金的支持。

文章來源： 中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理生態(tài)研究所

中國植物學會