研究發現滲透脅迫上游信號重要元件

　　近期，中國科學院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心研究員趙楊研究組和朱健康研究組合作完成的題為BONZAI Proteins Control Global Osmotic Stress Responses in Plants的研究論文，發表在Current Biology上。研究論文報道Ca2+響應的磷脂結合蛋白OSMO1/BON1作為上游信號元件介導整體滲透脅迫應答。

　　干旱、鹽脅迫及低溫等非生物逆境導致滲透脅迫造成作物生產的損失，對糧食安全有重要影響。植物因其固著生長的特性而難以躲避所受到的滲透脅迫，被迫進化出感知和適應逆境的機制，主要包括信號接收與傳導、植物激素脫落酸（ABA）相關調控和后期應答等過程。目前，ABA途徑的信號傳導與滲透脅迫后期應答機制已基本解析；然而，學界尚不清楚植物如何感受外界的滲透脅迫信號、以及如何傳遞信號到細胞內并引起早期應答的分子機制。

　　滲透脅迫誘導多種應答，包括瞬時產生的Ca2+信號（1s內，持續約2min）、RAF/OK和SnRK2等蛋白激酶的激活（5min內，持續約2h）及Ca2+信號依賴的脅迫應答，然后誘導ABA的積累、氣孔關閉和基因表達變化（1h內，持續約幾天），進而影響生長調控、葉片衰老及休眠等過程。近年來，研究發現若干Ca2+通道或轉運蛋白，如OSCA1、KEA和cMUC介導滲透誘導的細胞質和質體Ca2+信號；但不能調控整體脅迫應答，如SnRK2的激活和ABA的積累等，暗示存在依賴于Ca2+信號和不依賴于Ca2+信號的滲透脅迫應答，或有不止一類脅迫信號感受器。假設存在一個信號網絡控制脅迫的感應和早期信號傳導，推測其元件缺失突變體中整體脅迫應答喪失。同時介導依賴于Ca2+信號和不依賴于Ca2+信號的脅迫應答的感受器是否存在？

　　研究利用滲透脅迫誘導的Ca2+響應作為切入點，建立基于Ca2+熒光探針Aequorin的正向遺傳篩選系統，用于鑒定上游信號傳導的關鍵組分。基于Aequorin的Ca2+熒光監測存在靈敏度過低的缺點，其生物光峰值位于葉綠素b最大吸收波長范圍。為減少擬南芥幼苗中葉綠素的干擾，研究人員將Aequorin報告系統引入到具有白化子葉表型的sig6突變體中，得到AEQsig6材料。通過正向遺傳篩選，得到滲透誘導的Ca2+信號減弱的突變體osmo1。

　　OSMO1編碼一個Ca2+依賴的磷脂結合蛋白BON1，定位于細胞膜上，其N端受肉豆蔻酰化修飾，并包含兩個Ca2+依賴的結合磷脂的C2結構域；其C端含有響應Ca2+的VWA結構域。研究發現，BON蛋白調控脅迫介導的Ca2+信號，介導ABA積累、基因表達變化及生長調控等多種脅迫應答，表明其屬于滲透脅迫上游信號網絡中的一個新的信號元件。然而，脅迫介導的SnRK2蛋白激酶的激活在bon123三重突變體中并未喪失，暗示脅迫感受器通過BON蛋白介導Ca2+信號和ABA積累等過程，并通過不依賴于BON蛋白的過程介導SnRK2的激活。進一步研究發現，滲透脅迫下R蛋白介導的信號被激活，并拮抗ABA積累、基因表達等脅迫應答。此前報道表明BON蛋白參與生物脅迫響應，是R蛋白介導的免疫應答的負調節因子。遺傳證據表明，BON蛋白通過抑制包含SNC1的R蛋白響應，調控除Ca2+信號之外的整體脅迫應答。

　　綜上，研究表明，BON蛋白是滲透脅迫引起的Ca2+信號和一系列滲透脅迫反應的關鍵調控因子，揭示NLR介導的免疫信號對滲透脅迫應答的抑制，指出BON蛋白介導生物和非生物脅迫響應的平衡。

　　趙楊研究組的博士生陳控、助理研究員孫姝璟及西北農林科技大學草業與草原學院副教授高景慧為論文的共同第一作者，朱健康和趙楊為論文的共同通訊作者。該研究獲得康奈爾大學教授華健的支持。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金和上海市浦江計劃的資助。

BON蛋白介導整體滲透脅迫應答。滲透脅迫介導細胞壁和質膜的瞬時變化，可能被定位于細胞壁與質膜的受體復合體所感受，從而介導整體脅迫應答。Ca2+依賴的磷脂結合蛋白BON定位于細胞膜，參與調控滲透脅迫介導的Ca2+信號；并通過抑制包含SNC1的R蛋白介導的免疫應答，控制脅迫下ABA積累、氣孔關閉、基因表達變化和生長調控等過程