中国农业大学杨淑华研究团队揭示低温诱导植物钙信号产生的分子机制

来源：植物科学最前沿

近日，中国农业大学杨淑华课题组在国际学术期刊 The EMBO Journal 在线发表题为“The calcium transporter ANNEXIN1 mediates cold-induced calcium signaling and freezing tolerance in plants”的研究论文。该研究不仅揭示了低温诱导特异钙信号的产生机理；还发现蛋白激酶OST1通过调控钙离子转运蛋白AtANN1活性从而放大低温诱导的钙信号。

钙离子 (Ca2+) 在植物生长发育以及响应不同环境刺激等方面发挥重要作用。不同刺激下细胞质游离钙离子浓度 ([Ca2+]cyt)的变化在强度、频率、振幅、持续时间以及空间分布等方面存在特异性差异，即Ca2+信号。上世纪九十年代，研究人员发现低温引起[Ca2+]cyt 瞬时增加，进而激活低温响应基因表达 (Knight et al., Plant Cell, 1996)。然而，关于低温是如何诱导Ca2+信号的产生机理尚不清楚。近日，中国农业大学杨淑华课题组通过生物化学、分子遗传学及电生理学等手段发现钙离子转运蛋白AtANN1在低温诱导的钙信号中发挥重要作用。研究结果表明，atann1缺失突变体中低温诱导的[Ca2+]cyt显著低于野生型，低温关键转录因子CBFs及其下游靶基因COR的基因表达水平降低，从而导致拟南芥耐受低温的能力下降，说明AtANN1通过影响低温介导的钙信号的内流，调控CBF-COR依赖的低温信号转导通路，从而正调控拟南芥的耐冻性。进一步研究发现低温信号途径中重要蛋白激酶OST1参与低温诱导钙信号的调控。电生理结果表明，ATANN1具有Ca2+转运活性，低温激活的OST1通过磷酸化AtANN1蛋白的第289位Ser增强其Ca2+转运活性和Ca2+结合能力，进而调控低温介导的Ca2+信号的产生 (图1)。研究为揭示植物低温钙信号的产生机制以及钙信号与植物耐冻性之间的关系提供了分子基础。

图1. OST1-AtANN1 调控植物响应低温胁迫的分子模型

该研究在中国农业大学植物生理学与生物化学国家重点实验室完成，杨淑华课题组博士研究生刘强波为第一作者，杨淑华教授为通讯作者。参与该研究工作的还包括：杨淑华课题组的丁杨林博士和施怡婷博士，中国农业大学郭岩教授及其课题组的马亮博士，巩志忠教授和王毅教授，河南大学宋纯鹏教授，英国剑桥大学Julia M. Davies教授、Katie A. Wilkins博士，以及英国杜伦大学Heather Knight副教授和Marc R. Knight教授。该研究得到国家自然科学基金和北京市优秀学科建设等项目的资助。