华中农大通过精准编辑磷酸化位点获得抗病性和产量同时提高的水稻材料

植物抗病过程中会激活不同层次的免疫反应，需要消耗大量的能量和代谢物质, 往往会影响植物的生长发育和产量，因此植物进化出一套精细复杂的信号调控网络以调控自身生长和防御的平衡。丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联和钙依赖性蛋白激酶（CDPK）是植物生长发育、抗病、抗逆等信号传导通路的枢纽。然而，这两种关键的蛋白激酶如何平衡植物的生长和抗病仍然未知。

2022年8月3日，Plant Biotechnology Journal期刊在线发表了题为 “Fine-tuning OsCPK18/OsCPK4 activity via genome editing of phosphorylation motif improves rice yield and immunity” 的研究论文，由华中农业大学谢卡斌课题组与宾夕法尼亚州立大学Yang Yinong教授合作完成。该研究揭示了水稻中两个第IV亚家族的钙调蛋白激酶OsCPK18和OsCPK4调控水稻生长和抗病平衡的分子机制。研究人员发现OsCPK18和OsCPK4是水稻平衡生长和抗病的关键调控因子，并发现OsCPK18和OsCPK4的活性受OsMPK5的磷酸化调控，而利用CRISPR/Cas9编辑此磷酸化位点可获得产量和抗病性同时提高的水稻材料。

在谢卡斌和Yang Yinong教授的前期合作研究中发现水稻抗病信号通路中两个关键的蛋白激酶OsMPK5和OsCPK18存在相互磷酸化，并证明OsCPK18对OsMPK5的磷酸化可正向调节OsMPK5的激酶活性以抑制水稻的基础抗性(Xie et al 2014)。在本研究中，作者发现OsCPK18及其同一亚家族中的OsCPK4基因具有双重功能：抑制水稻抗病性，但正调控水稻产量相关性状。通过体内、体外磷酸化等一系列生化实验和遗传学实验，作者发现OsMPK5分别磷酸化OsCPK18上第505位的苏氨酸和位于OsCPK4上第512位丝氨酸 (S512)。引入模拟磷酸化的T505D突变后，发现OsCPK18T505D的蛋白稳定性、亚细胞定位均不受影响，但激酶活性显示出比野生型OsCPK18更低的钙离子敏感性。通过转录组分析，作者发现OsCPK18调控生长和抗病相关基因的表达，而OsMPK5主要调控抗病和抗逆相关基因的表达。基于以上数据和前期研究结果，OsCPK18和OsMPK5的相互磷酸化通路可能是水稻平衡生长和抗病、抗逆的关键调控模块。

根据以上结果，作者提出了OsMPK5和OsCPK18/OsCPK4之间的相互磷酸化平衡抗病和生长的调控模型。依据此模型，作者推断解除OsMPK5对OsCPK18和OsCPK4的磷酸化有可能提高水稻产量。因此作者利用CRISPR/Cas9技术编辑了OsCPK18和OsCPK4基因上面的OsMPK5磷酸化位点的序列。有意思的是，通过此方法得到的基因编辑材料产量和抗病性均有提高。作者深入分析了基因编辑所获得的新等位基因OsCPK18-GE，发现该编辑事件产生了双重效应：一是OsCPK18-GE不受OsMPK5的磷酸化调控，这与预期吻合；同时，OsCPK18-GE与OsMPK5的互作也减弱，从而削弱了OsCPK18对OsMPK5的调控。OsCPK18-GE的双重效应可能让水稻的生长和抗病性达到一个新的理想平衡状态，从而同时提高了水稻产量和抗性。 

此研究提出了OsMPK5和OsCPK18/4之间的相互磷酸化调控彼此的激酶活性来协调生长和抗病的机制。在理论研究的基础上，作者证明了CRISPR/CAS9技术可用以精准编辑磷酸化位点，创建新的优异等位变异，对信号网络解析定向的改造、操控，从而同时改良作物的多个性状。蛋白质磷酸化是细胞信号转导的主要生化机制，这一研究也为利用CRISPR/CAS9技术编辑信号通路的关键节点来改良作物的农艺性状提供了参考。

华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室和洪山实验室谢卡斌教授与宾夕法尼亚州立大学杨亦农教授为该论文通讯作者。华中农业大学已毕业博士研究生李红为该论文的第一作者，华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室熊立仲教授、袁猛教授和武汉大学侯昕教授均参与了该项工作。该工作得到了国家自然科学基金、转基因重大专项、华中农业大学植物科学技术学院优秀人才培育项目、华中农业大学和深圳农业基因组研究所合作基金的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/pbi.13905

来源：植物生物技术Pbj 

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