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2019年7月17日，加州大学伯克利分校（University of California at Berkeley）栾升教授团队及首都师范大学李乐攻教授团队在 Nature 在线发表了题为 A calmodulin-gated calcium channel links pathogen patterns to plant immunity 的论文，报道了拟南芥PTI免疫过程中的早期钙信号传导机制。拟南芥CNGC2和CNGC4组合能形成有活性的钙离子通道，在正常状态下此通道由钙调蛋白阻断；当病原菌侵害时，此复合物被上游激酶BIK1磷酸化而激活，引起细胞内钙离子浓度的增加。
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专家点评
植物免疫钙通道研究获得突破
跟动物一样，植物具备强大的免疫系统，确保在病原菌侵染时能迅速开启高效的防卫反应。这是植物得以抵御病原菌、农作物得以在田间健康生长的关键所在。已经知道植物利用多种免疫受体感受病原分子，并通过一系列复杂的信号传导机制激活下游响应。钙离子是免疫信号转导中的重要一环，也是是植物免疫研究的热点。当免疫受体激活后，胞质中钙离子浓度迅速上升。 已有报道，免疫受体通过蛋白激酶BIK1迅速激活钙离子内流，调控下游多个信号通路，但其中的钙离子通道及门控机制一直未被发现 【1】 。 栾升团队的工作非常漂亮的回答了这一悬而未决的问题。他们的工作发现，一对“环核苷酸门控离子通道”蛋白CNGC2和CNGC4一起形成离子通道，介导免疫激活后的钙离子内流，对免疫应答和抗病性必不可少。让人振奋的是，作者发现了这一钙通道的门控机制-- 钙调蛋白能直接结合CNGC2/4并抑制通道活性，而BIK1特异的磷酸化CNGC2/4的三个位点，解除抑制 。有趣的是，早有文献报道cngc2和cngc4突变体具有免疫异常表型【2,3】，十几年后其生化功能终获解析。
【1】Li, L., Li, M., Yu, L., Zhou, Z., Liang, X., Liu, Z., Cai, G., Gao, L., Zhang, X., Wang, Y., Chen. S., Zhou, J.-M. (2014). The FLS2-associated kinase BIK1 directly phosphorylates the NADPH oxidase RbohD to control plant immunity. Cell Host Microbe 15, 329-338.
【2】 G. I. Jurkowski, R. K. Jr. Smith, I.-c. Yu, J. H. Ham, S. B. Sharma, D. F. Klessig, K. A. Fengler, A. F. Bent (2004). Arabidopsis DND2, a second cyclic nucleotide-gated ion channel gene for which mutation causes the “defense, no death” phenotype. Mol. Plant Microbe Interact. 17, 511-520
【3】. S. J. Clough, K. A. Fengler, I.-c. Yu, B. Lippok, R. K. Smith, A. F. Bent （2004）. The Arabidopsis dnd1 “defense, no death” gene encodes a mutated cyclic nucleotide-gated ion channel. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 9323-9328
论文解读
钙离子（Ca2+）信号是植物生长发育和环境响应的核心调控因子，参与调控各种非生物胁迫、气孔开度、病原菌侵染等反应【1】。钙离子如何特异性响应各种信号而引发下游偶联反应是细胞生物学中长期悬而未决的问题。植物通过细胞膜表面的模式识别受体（pattern recognition receptors， PRRs）感知病原菌的存在，从而激活模式触发的免疫（pattern-triggered immunity， PTI）反应【2】。在PTI免疫过程中，病原相关分子模式（pathogen associated molecular patterns，PAMPs）诱发的早期钙信号起到至关重要的作用。在植物PTI免疫过程中，宿主细胞通过PRRs感知PAMPs，导致细胞内钙离子浓度的增加，并导致激活基于钙离子信号的防御反应【3,4】。钙离子是植物PTI免疫的重要信号，但目前PAMP诱导钙离子信号的机制仍不清楚。
栾升团队研究发现，在培养基中外源钙离子浓度会影响PTI过程中钙离子依赖的免疫反应。通过EMS诱变筛选得到了两个PTI免疫钙信号减弱的拟南芥突变体afc1和afc2（altered in flg22-induced[Ca2+]cyt response）。遗传表型分析发现，afc1和afc2突变体表型分别是由于环核苷酸门控通道蛋白家族（cyclic nucleotide-gated channels, CNGCs）的两个不同成员CNGC2和CNGC4的功能缺失突变造成的。在正常浓度的外源Ca2+环境中， PAMPs（flg22）和H2O2诱发的早期钙信号在cngc2，cngc4单突变体和cngc2cngc4双突变体中均显著减小，且减小程度一致（图1）。同时，其它Ca2+依赖的PTI免疫反应在cngc2，cngc4单突变体和cngc2cngc4双突变体中均显著减弱。
图1. flg22和H2O2诱导的钙信号在cngc2，cngc4和cngc2cngc4突变体中减弱
以非洲爪蟾卵母细胞作为表达系统，利用双电极电压钳实验发现，CNGC2或者CNGC4单独表达都没有钙离子通道活性；而同时表达CNGC2和CNGC4时，两个蛋白组合形成有活性的钙离子通道（图2），这暗示着植物体内CNGC2和CNGC4可能相互作用形成钙离子通道。
图2. CNGC2和CNGC4互作形成有活性的钙离子通道
进一步研究发现，在静息状态下，钙调蛋白（Calmodulin）与CNGC2-CNGC4通道相结合，作为门控分子使通道保持关闭状态；当病菌侵染时，CNGC2-CNGC4-CaM复合物被PTI信号通路上游的类受体胞质激酶BIK1磷酸化而激活，介导细胞外钙离子内流，启动下游钙离子依赖的PTI免疫反应。
图3. Ca2+依赖的PTI信号传导模式图
因此，该研究揭示了植物一种新的钙信号编码的分子机制（图3），是植物PTI免疫反应分子机理的一个重要进展和突破。 这一原创性的研究成果解决了植物病理信号反应研究领域长期以来一直期待解决的关键问题，为植物病理早期信号的感应提供了全新的作用范式。
据悉，加州大学伯克利分校博士后 田望 ， 侯聪聪 ， 王超 ，首都师范大学博士生 任志杰 为该论文的共同第一作者， 栾升 教授为通讯作者。首都师范大学 李乐攻 教授，张丽影，牛奇，加州大学伯克利分校Brian J. Staskawicz, Douglas Dahlbeck，南京大学赵福庚副教授，江西农业大学胡颂平参与了本研究。
该项最新的成果也是首都师范大学 李乐攻 教授团队和 栾升 教授团队长期合作的结果。值得一提的是，今年2月李乐攻团队和栾升团队合作发现了植物首个钙信号编码器调控花粉管节律延伸（点击查看Dev. Cell | 李乐攻/栾升合作团队发现植物中首个钙波动编码器）。该研究首次在植物细胞学领域发现了多个蛋白复合体组成的钙依赖性的分子开关，揭示了这一开关能够节律性地编码了钙波动信号、调控极性细胞节律生长的精巧分子机制。
参考文献：
【1】Dodd A.N., Kudla J., Sanders D. (2010). The language of calcium signaling. Annu. Rev. Plant Biol. 61: 593-620.
【2】Bigeard J, Colcombet J, Hirt H. (2015). Signaling mechanisms in pattern-triggered immunity (PTI). Mol. Plant 8: 521-539
【3】Zipfel, C., Oldroyd, G. E. (2017). Plant signalling in symbiosis and immunity. Nature 543, 328-336
【4】Yuan, P., Jauregui, E., Du, L., Tanaka, K. & Poovaiah, B. W. (2017). Calcium signatures and signaling events orchestrate plant–microbe interactions. Curr. Opin. Plant Biol. 38: 173-183
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1413-y
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