【Developmental Cell】赵杨研究组揭示植物根部避盐性分子机制

2022年10月14日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心赵杨研究组于Developmental Cell期刊杂志在线发表题为“Root twisting drives halotropism via stress-induced microtubule reorientation”的研究论文。该研究阐明ABA激活的SnRK2蛋白激酶磷酸化修饰微管结合蛋白SP2L介导根尖避盐性的作用机制，为培育抗逆稳产作物提供了新的策略和分子靶点。

我国土壤盐碱化导致耕地不足，严重影响了我国粮食的有效供给。研究植物对盐胁迫的感应机制，阐明植物适应盐胁迫的策略，将为作物抗逆遗传改良提供新的思路和分子靶点，具有重要理论意义和实际应用价值。

盐碱地造成的危害

来源：https://wad.jrc.ec.europa.eu/soilsalinization

生命体都具有趋利避害的能力。单细胞的草履虫具有趋向有利刺激，而逃避有害刺激的特性；动物通过移动逃避危险和其他不利环境。植物虽然不能像动物一样移动，但可以响应环境刺激而进行定向生长，从而避开不利环境，这一现象被称为向性运动。植物器官生长方向朝向刺激一方的为正向向性生长，背向刺激一方的为负向向性生长。根尖避开土壤中高浓度盐离子区域的负向向性生长称为避盐性（Halotropism）。土壤中的盐分布不均匀，深层土壤盐害较浅层土壤更为严重。因此，避盐性是植物应对盐胁迫的重要策略之一。增强植物根部避盐性，从源头上降低土壤高盐环境对植物的损伤，对提高植物耐盐性具有重要作用。然而，植物根尖避盐性的细胞学过程和分子机制仍不清楚。

植物通过向性运动响应环境刺激。植物根尖避开高盐环境的向性运动称为避盐性（Halotropism）

来源：https://doi.org/10.1093/pcp/pcac078

研究内容

研究人员构建了一套模拟土壤盐浓度梯度分布的分隔板研究系统，并观察到模式植物拟南芥根尖的避盐生长。研究人员发现避盐响应过程中，根尖ABA浓度快速升高；还发现ABA合成突变体nced3/5、ABA受体十二重突变体pyls和ABA信号核心蛋白激酶三重突变体snrk2.2/3/6具有根尖避盐以及根尖转换区细胞延伸方向改变的缺陷，表明植物根部避盐性依赖于ABA介导的根尖转换区细胞延伸方向的转变。

分隔板研究体系的建立；避盐性（halotropism)：细胞各向异性变化介导根尖避开高盐离子环境的向性生长

通过突变体避盐性表型筛选，发现微管结合蛋白突变体sp2l-4避盐性丧失。盐胁迫迅速诱导微管骨架的重排，同时微管解聚剂处理以及微管切割蛋白突变体leu1都导致避盐性缺陷，表明微管的重排控制根尖避盐性。而sp2l-4突变体背景下盐胁迫无法诱导微管重排，表明微管结合蛋白SP2L控制盐诱导的微管重排。ABA信号核心蛋白激酶SnRK2.6与SP2L蛋白互作，并磷酸化修饰SP2L第406位丝氨酸；盐和ABA诱导体内SP2L第406位丝氨酸的磷酸化修饰；模拟该磷酸化位点失活（S406A）无法互补sp2l-4避盐性丧失表型，以上结果在生化水平和遗传水平证实盐诱导体内SP2L第406位丝氨酸的磷酸化修饰介导植物根部避盐性。

微管骨架通过CSI蛋白与纤维素合酶CesA复合体连接，影响细胞壁中纤维素微纤丝的排布，调控细胞生长方向。cesa1、cesa3、cesa6以及csi突变体都表现出避盐性缺陷，以及盐胁迫介导的细胞各向异性延伸缺陷，表明SP2L介导的微管重排影响纤维素微纤丝的排布，控制细胞各向异性延伸方向，驱动植物避盐生长。

微管结合蛋白SP2L控制盐诱导的微管重排，导致细胞各向异性变化，驱动植物根尖避盐生长

综上所述，盐胁迫激活ABA依赖的蛋白激酶SnRK2.6，磷酸化修饰微管结合蛋白SP2L，从而调控微管排布重定向，引导纤维素微纤丝的排布，控制根尖转换区的细胞各向异性延伸方向，驱动根部细胞卷曲产生根部避盐性。该研究在生化水平、细胞水平和遗传水平，揭示了植物根部避盐性的作用机制。

转自：“iPlants”微信公众号

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