山东大学刘树伟教授课题组解析TaCCD1调控小麦耐碱性分子机制

以下文章来源于Mol Plant植物科学 ，作者Shuwei Liu

2023年1月20日，山东大学生命科学学院刘树伟教授课题组在国际学术期刊Molecular Plant在线发表了题为Ca2+-dependent TaCCD1 cooperates with TaSAUR215 to enhance plasma membrane H+-ATPase activity and alkali stress tolerance by inhibiting PP2C-mediated dephosphorylation of TaHA2 in wheat的研究论文。该工作首次解析了钙离子结合蛋白TaCCD1通过与生长素早期响应蛋白TaSAUR215互作抑制TaPP2C.D1/8的磷酸酶活性从而调控质膜(PM) H+-ATPase的磷酸化水平以促进小麦耐碱性的分子机制，为小麦抗碱育种改良提供了理论依据和基因资源。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.01.010

土壤盐渍化是制约农业生产的重要因素。盐渍化的土壤中除了含中性盐NaCl和Na2SO4外，还含有相当数量的碱性盐NaHCO3 和Na2CO3，与中性盐胁迫相比，碱胁迫由于会导致较高的pH从而给植物造成更严重的伤害。目前对于植物尤其是作物调控碱胁迫应答的分子机制了解很少，亟需加强。小麦属于甜土作物，耐盐碱能力不强，且多年的人工选育使其遗传背景非常狭窄，利用常规手段很难选育出具有较强耐盐碱性的育种材料。山融4号（SR4）是通过普通小麦济南177（JN177）与长穗偃麦草的不对称体细胞杂交选育出的耐盐碱小麦渐渗系新品系，研究发现SR4具有较强的耐碱性，是解析小麦耐碱分子机制的好材料。

通过对SR4及其亲本JN177分析发现SR4较JN177具有更强的耐碱性，且SR4的耐碱性与其根部较强的PM H+-ATPase活性及质子外排能力有关。为了解析SR4耐碱的分子机制，作者首先利用在小麦根部表达量最高的PM H+-ATPase TaHA2作为诱饵进行酵母双杂交文库筛选，发现两种D家族2C型蛋白磷酸酶TaPP2C.D1/8与TaHA2存在蛋白互作，TaPP2C.D1/8通过抑制PM H+-ATPase活性增强小麦对于碱胁迫的敏感性，进一步的生化实验发现TaPP2C.D1/8通过对TaHA2的C端倒数第二位苏氨酸残基（Thr926）进行去磷酸化来抑制PM H+-ATPase的活性，从而负调节小麦碱胁迫耐受性（图1）。由于SR4和JN177中TaPP2C.D1/8的表达水平没有显著差异，SR4和JN177的PM H+-ATPase的活性差异不是通过TaPP2C.D1/8的表达水平调控的。

图1. TaPP2C.D1/8通过TaHA2的去磷酸化抑制PM H+-ATPase活性从而负调节小麦对碱胁迫的耐受性。

为了揭示SR4耐碱的分子机制，作者进一步研究发现钙离子信号在SR4耐碱中发挥重要作用。通过转录组分析鉴定到一个碱胁迫下在SR4根中特异上调表达的钙离子结合蛋白TaCCD1，其在小麦中过量表达能够促进PM H+-ATPase活性并增强小麦对于碱胁迫的耐受性，而其表达量敲低则降低PM H+-ATPase活性并导致小麦对于碱胁迫敏感（图2），表明TaCCD1通过影响质膜H+-ATPase活性调控小麦耐碱性。

图2. 钙离子结合蛋白TaCCD1促进小麦耐碱性。

作者通过酵母双杂交文库筛选发现TaCCD1与生长素早期响应蛋白TaSAUR215相互作用，通过转基因小麦的表型分析发现TaSAUR15能够促进PM H+-ATPase活性并增强小麦对于碱胁迫的耐受性（图3）。进一步研究发现TaSAUR215与TaPP2C.D1/8存在蛋白互作且TaSAUR215能够抑制TaPP2C.D1/8的磷酸酶活性，而TaCCD1增强了TaSAUR215对TaPP2C.D1/8磷酸酶活性的抑制，从而促进了小麦PM H+-ATPase的活性和碱胁迫耐受性（图4）。

图3. TaSAUR215与TaCCD1 互作促进小麦耐碱性。

图4. TaCCD1促进TaSAUR215与TaPP2C.D1/8的结合并抑制TaPP2C-D1/8的磷酸酶活性。

这些结果表明，TaCCD1可能通过协调钙离子信号和生长素信号来调控小麦的耐碱性。碱胁迫会触发钙信号并诱导TaCCD1和TaSAUR215的相互作用，然后抑制TaPP2C.D1/8对TaHA2 C端Thr926的去磷酸化修饰以促进TaHA2的磷酸化水平，增强小麦的PM H+-ATPase的活性和碱胁迫耐受性（图5）。

图5. TaCCD1调控小麦耐碱性的分子机制。

山东大学生命科学学院、植物发育与环境适应生物学教育部重点实验室的刘树伟教授为该论文的通讯作者。山东大学生命科学学院博士生崔铭翰为该论文的第一作者。山东大学生命科学学院夏光敏教授对该工作进行了指导和帮助。该工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省农业良种工程项目和国家重点研发计划等项目的资助。

转自：“iPlants”微信公众号

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