Nature Plants | 西北农林刘坤祥团队开发超敏钙指示剂，揭示ABA-Ca2+-CPK信号途径调控根冠细胞发育的新功能

责编 | 王一

植物激素脱落酸（ABA）调节植物的生长、繁殖及逆境适应性。尽管分子、细胞、生化和遗传证据支持叶、根和保卫细胞中存在密切的ABA-Ca2+信号连接，但ABA刺激的胞质[Ca2+]cyt振荡直接成像仅在保卫细胞中被报导，而在其他器官和细胞类型中ABA是否可诱发Ca2+浓度变化则存在争议。

近日，西北农林科技大学生命科学学院、未来农业研究院刘坤祥教授领衔的植物氮素营养团队和哈佛医学院Jen Sheen课题组在国际著名学术期刊Nature Plants在线发表了题为ABA-activated low-nanomolar Ca2+-CPK signalling controls root cap cycle plasticity and stress adaptation的研究论文。该研究开发了可用来侦测低纳摩尔浓度变化的基因编码钙离子指示剂工具，可视化和量化了ABA在各种植物器官和细胞类型中诱导的Ca2+信号，发现了ABA能够调控植物根冠细胞生长脱落，并揭示了植物受盐胁迫后，ABA在根冠细胞借由Ca2+-CPK10/30/32通路来调控根冠细胞发育的新功能。

CRS钙指示剂在植物叶肉细胞及植物根系不同组织细胞中检测ABA诱导的钙变化

在该研究中，作者开发和使用具有纳摩尔级别和大动态范围的遗传编码比率型Ca2+指示剂（CRS）可视化了ABA在不同器官和细胞类型中触发的Ca2+浓度变化。具亚细胞器定位的CRS揭示了始于细胞质膜、到细胞质再到细胞核振荡的具时空分辨率的特异性Ca2+信号。ABA通过受体PYR/PYLs和SNRK2.2,2.3,2.6激活了纳摩尔级的Ca2+浓度变化。根冠通过感应环境刺激和触发各种趋向性，在保护干细胞生态位和调节根的定向生长方面起着至关重要的作用。从细胞分裂到脱落，根帽的快速精确更新对于植物适应不同的环境条件至关重要。盐胁迫抑制根系伸长并改变根系生长方向，钙水平增加是对盐胁迫的早期反应。这种动态的周转过程使根帽能够有效地管理和应对环境挑战，确保保护干细胞生态位和最佳的根生长和发育。作者进一步发现盐胁迫会明显抑制根冠细胞的生长和脱落。在根尖细胞盐胁迫诱导ABA累积进而诱导了低浓度纳摩尔级别的Ca2+浓度变化进而激活CPK10,30,32蛋白激酶，抑制决定细胞命运的关键转录因子以及对根冠成熟和脱落相关的酶表达。该研究揭示了盐害抑制根冠周期，而ABA-Ca2+-CPK信号途径参与并调节根冠周期的可塑性，以适应不利环境。

该研究主要由西北农林科技大学刘坤祥教授课题组完成。生命学院博士后林子炜为论文第一作者，博士研究生张锐媛，已毕业硕士郭莹、李一鸣以及哈佛大学遗传学系Yue Wu研究员参与此项研究。刘坤祥教授及哈佛大学医学院Jen Sheen教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和西北农林科技大学前沿交叉创新团队计划资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41477-024-01865-y