盐胁迫是自然界中普遍存在的非生物胁迫，严重影响了植物的生长，降低了农作物的产量。在植物响应盐胁迫的过程中，SOS (Salt-Overly-Sensitive) 信号途径非常保守，并在盐碱胁迫下调节钠离子稳态中起着十分重要的作用。在盐胁迫条件下, SOS3 和SCaBP8 感知盐胁迫诱导的钙信号, 与蛋白激酶 SOS2 相互作用并激活其激酶活性,招募其到质膜, 进而激活 SOS1 Na+/H+反向转运活性【1】。中国农业大学郭岩实验室之前的研究发现，在正常条件下，14-3-3λ/κ (以下简称14-3-3) 与 Ser294 位点磷酸化修饰的 SOS2 结合并抑制 SOS2 激酶活性【2】。然而，磷酸化修饰 SOS2 Ser294 位点的激酶并不清楚；14-3-3 如何参与对 SOS2 激酶活性的调节过程也尚未明确。
近日，Nature Communications 杂志在线刊发了中国农业大学植物生理学与生物化学国家重点实验室郭岩教授课题组题为 Calcium-activated 14-3-3 proteins as a molecular switch in salt stress tolerance 的研究论文。该研究利用生物化学、分子生物学和遗传学手段揭示了14-3-3蛋白通过感受钙信号，选择性的结合和抑制 SOS2 和 PKS5 的激酶活性，并协同调控 Na+/H+反向转运蛋白 SOS1 和质膜 H+-ATPase 活性。
在该研究中，研究人员通过Co-IP 结合质谱技术，筛选鉴定到 SOS2 互作蛋白 PKS5 激酶，体外磷酸化实验表明，PKS5 磷酸化 SOS2 Ser294 位点。对 14-3-3λκ 突变体分析发现，该突变体的 Na+/H+反向转运活性高于野生型, 14-3-3λκ 表现出耐盐表型。同时发现，盐胁迫能够增强 14-3-3 蛋白与 PKS5 的N端激酶结构域的相互作用，并且抑制 PKS5 激酶活性。PKS5 被报道负调控质膜 H+-ATPase 的活性【3,4】，其基因缺失型突变体的质膜 H+-ATPase 活性升高，对高 pH 表现为耐受表型。对 14-3-3λκ 突变体进行表型分析发现，该突变体的质膜 H+-ATPase 活性低于野生型，表现为对高 pH 胁迫敏感的表型。
图：14-3-3蛋白参与盐胁迫响应的分子机制模型
综上所述，该研究发现，在正常条件下，PKS5 通过磷酸化修饰 SOS2 Ser294 位点促进 14-3-3 与 SOS2 的结合并抑制其激酶活性。此外，研究中还发现，14-3-3 蛋白通过识别并解码盐诱导的钙信号来协同调控质膜 SOS１ 和 H+-ATPase 活性。14-3-3 结合钙离子后，减弱了其与 SOS2 的相互作用，并释放了 SOS2 的激酶活性，进而正调控SOS1的Na+/H+反向转运活性。 同时，钙离子增强了 14-3-3 和 PKS5 的互作, 进而抑制了 PKS5 活性，解除了对 SOS2 和质膜 H+-ATPase 活性的抑制，为SOS1的Na+/H+反向转运提供了质子梯度。盐诱导的钙信号可被 14-3-3 和 SOS3/SCaBP8 蛋白解码, 它们通过选择性激活/抑制下游蛋白激酶SOS2和PKS5来协同调控质膜SOS１Na+/H+反向转运蛋白和 H+-ATPase 活性，以调节细胞中 Na+ 稳态。该研究结果丰富了植物应对盐胁迫过程中的理论知识，为植物的耐盐遗传改良提供了新的思路。
中国农业大学植物生理学与生物化学国家重点实验室的博士生杨志佳为该论文的第一作者，郭岩教授和杨永青副教授为该论文的共同通讯作者。北京生命科学研究所的陈涉研究员和河南大学的宋纯鹏教授也参与了这项工作。
值得一提的是，该研究是郭岩教授课题组在植物应对盐胁迫机理研究中取得的又一重要成果。此前，该课题组在 Developmental Cell 上发文，报道了SOS 途径中重要的调控因子AtANN4 参与盐胁迫下特异 Ca2+ 信号的调控和 SOS 途径的激活，并解析了SOS途径中特异Ca2+信号的形成机制。请点击查看BioArt Plants 的详细报道：中国农业大学郭岩团队揭示盐胁迫下钙离子信号调控新机制。
参考文献
【1】Yang, Y., and Guo, Y. (2018). Elucidating the molecular mechanisms mediating plant salt-stress responses. New Phytol. 217, 523-539.
【2】Zhou, H. et al. (2014). Inhibition of the Arabidopsis salt overly sensitive pathway by14-3-3 proteins. Plant Cell 26, 1166-1182.
【3】Fuglsang，AT. et al. (2007). Arabidopsis protein kinase PKS5 inhibits the plasma membrane H+-ATPase by preventing interaction with 14-3-3 protein. Plant Cell 19, 1617-1134.
【4】Yang,Y. et al. (2010). The Arabidopsis chaperone J3 regulates the plasma membrane H+-ATPase through interaction with the PKS5 kinase. Plant Cell 22, 1313-1332.
通讯作者简介
郭岩，现为中国农业大学生物学院教授。1999年获得德国科隆大学遗传学系、科隆马普植物育种所博士，1999－2003年在美国亚利桑那大学植物系从事植物抗逆分子生物学研究，2004年被聘为北京生命科学研究所研究员，2009年进入中国农业大学生物学院工作，2010年获“国家杰出青年基金”资助；同年获教育部长江学者特聘教授。
郭岩教授实验室的研究兴趣主要是植物如何感受并响应环境胁迫，诸如土壤高浓度盐碱和干旱，特别是植物在胁迫条件下体内Ca2+信号和pH平衡的调节。实验室的主要研究内容是利用植物突变体研究植物感受环境胁迫信号过程中所发生的遗传和分子特性的变化。目的是为了阐明植物响应环境胁迫的信号路径，并鉴定一些具有潜在功能的能够提高作物适应环境胁迫的关键作用元件。
https://www.nature.com/articles/s41467-019-09181-2
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