王存教授团队发现钙信号调控植物低铁胁迫的新机制

近日，王存教授团队在 Science China Life Sciences 在线发表了题为“Calcium dependent protein kinase CPK21 and CPK23 phosphorylate and activate the iron-regulated transporter IRT1 to regulate iron deficiency in  Arabidopsis ”的研究论文，揭示了钙依赖性蛋白激酶CPK21/23通过激活铁转运蛋白IRT1促进植物在低铁胁迫条件下吸收铁的新机制。博士生王章庆、张艳婷为共同第一作者，王存教授为通讯作者。

铁（Fe）是所有生物体中必不可少的微量营养素之一，对植物的正常生长发育至关重要，是叶绿素生物合成、光合作用和呼吸作用的重要调节因子。土壤中的铁大部分是以不溶性铁络合物的形式存在，极难被生物体所利用。目前，土壤中的有效铁浓度往往远低于植物生长所需的浓度，然而植物调控铁吸收的分子机制在很大程度上还不清楚。钙（Ca²⁺）是所有真核生物中广泛存在的第二信使，在植物生长发育和胁迫应答中具有举足轻重的作用。钙依赖性蛋白激酶（CPKs）是植物中的特有的钙感受器，可破译由各种发育和环境刺激触发的钙信号。拟南芥中有34个具有不同组织和亚细胞定位的CPKs，这些CPKs在植物生长发育以及生物、非生物和营养胁迫响应中具有重要功能，但它们是否调控植物低铁胁迫尚不清楚。

图1 CPK21/ 23的低铁表型分析

该课题组最新研究发现，高度同源的 CPK21 和 CPK23 敲除双突变体对低铁胁迫显著敏感，而组成型激活形式的CPK21/23过表达材料对低铁胁迫明显耐受。进一步通过系统研究发现，CPK21/ 23与质膜定位的铁转运体IRT1存在蛋白互作，并磷酸化修饰IRT1的第149位丝氨酸，且低铁胁迫能够提高CPK21/23对IRT1的磷酸化水平。最后，通过酵母功能互补、元素含量测定以及多种生理生化实验手段发现，Ser149位点对IRT1的转运功能是必需的。

图2 CPK21/23磷酸化修饰IRT1

综上所述，该研究发现CPK21/23-IRT1信号通路对植物调控低铁胁迫至关重要，拓展了研究人员对植物铁缺乏耐受性的理解，为培育铁营养高效利用的作物提供了新的思路。

图3 Ca²⁺-CPK21/23-IRT1信号途径调控植物低铁胁迫的模式图

研究得到了国家自然科学基金等的资助。

参考文献：https://doi.org/10.1007/s11427-022-2330-4