【The Plant Cell】 德国明斯特大学/意大利米兰大学合作揭示拟南芥中MCU蛋白控制线粒体Ca2+的吸收机制

钙离子信号不仅介导了植物生长发育过程，还在植物应对非生物胁迫和生物胁迫反应中发挥重要作用。这些调控过程往往伴随着钙离子的空间位置、振幅和持续时间的变化。面对不同外界信息刺激，植物钙离子信号的精准调控有赖于Ca2+感受元件：CaM (calmodulin), CML(calmodulin-like), CBL (calcineurin-B-like), CIPK (CBL-interacting protein kinase), CPDK/CPK (Ca2+ dependent protein kinase)和CCaMK (Ca2+/CaM-dependent protein kinase)。已经有相当多的研究揭示这些蛋白家族的作用方式，然而对于钙通道蛋白的了解却相对较少。目前已知的可以转运钙离子的通道有CNGCs (cyclic nucleotide-gated channels), GLRs (glutamate receptor-like channels), OSCAs (reduced hyperosmolarity-induced Ca2+ increase channels)和MCA (Mid1 complementing activity)。

MCU (mitochondrial Ca2+ uniporter)是最早在动物中被发现位于线粒体内膜上的钙离子通道，可以吸收钙离子进入线粒体。随后MCU在植物中也被发现，并被证明也有类似功能。拟南芥MCU1和MCU2定位在线粒体，MCU6定位在叶绿体。在体外以及异源系统中已经证明了拟南芥MUC1，MUC2和MCU6可以转运钙离子。然而，MCUs在拟南芥体内是否是线粒体吸收钙离子所必需的仍然不清楚。由于拟南芥MCU家族蛋白有功能冗余，因此已有的研究并没有清楚揭示其在线粒体吸收钙离子过程中的作用。

2022年8月8日，The Plant Cell在线发表了德国明斯特大学Markus Schwarzländer团队和意大利米兰大学Alex Costa团队题为“MCU proteins dominate in vivo mitochondrial Ca2+ uptake in Arabidopsis roots”的研究论文。Cristina Ruberti为本文的第一作者。本文中作者构建了mcu1/2/3三重缺失突变体证明了MCUs蛋白在线粒体钙离子吸收过程中发挥主要作用。

拟南芥中有6个MCUs同源基因，其中MCU1和MCU2在根和茎中均有表达。研究人员引入了定位在线粒体基质的Ca2+感受器YC3.6探究拟南芥体内的钙离子动态变化。同时，作者以拟南芥根尖作为模型开展后续研究。作者施加0.01mM NAA诱发瞬时Ca2+变化，结果发现在中等钙离子通量条件下mcu1 mcu2的表现与野生型（WT）没有明显差异。作者猜测可能当环境中有更高浓度的钙离子时，突变体才可能与WT有差异。因此，作者使用0.01 mM, 0.1 mM, 2.0 mM eATP(extracellular ATP)处理拟南芥以引发钙离子更高的通量。较低浓度的eATP处理并没有引起不同遗传材料之间的显著差异。但是，当使用2.0 mM eATP处理后，作者发现与WT和mcu1相比，mcu1 mcu2峰值的线粒体中钙离子水平显著降低，不过达到峰值的时间和恢复的时间无明显差异（图1）。这说明，MCU1和MCU2的缺失限制了高Ca2+通量下的线粒体Ca2+吸收。

作者构建了mcu1 mcu2 mcu3三重缺失突变体，并检测了该背景下MCU家族基因的转录水平，结果表明三突背景下所有MCU基因总体转录水平均较低。作者发现即使不施加刺激，mcu1 mcu2 mcu3突变体线粒体基质内钙离子水平相较于WT低很多，作者在根尖位置选取9个不同位置观察，结果仍然如此。作者使用2 mM eATP施加刺激观察上述的区域2和9，结果表明区域2和9线粒体的钙离子内流均受到显著影响，甚至区域2钙离子内流至最高值的时间和恢复时间也受到影响（图2，图3）。作者利用NES-YC3.6观察了mcu1 mcu2 mcu3根尖细胞质中钙离子水平变化，结果发现对mcu1 mcu2 mcu3施加2.0 eATP刺激时其根尖细胞质钙离子水平基本不受影响。这说明MCUs蛋白在线粒体钙离子吸收过程中发挥主要作用。作者进行了转录组分析和测量植物激素水平发现，mcu1 mcu2 mcu3突变体中茉莉酸（JA）信号途径和代谢受损，这说明线粒体中钙离子动态变化可能与JA存在某种联系。并且mcu1 mcu2 mcu3突变体对触碰刺激也表现出响应受损的表型。

ACKNOWLEDGEMENTS

M.S. thanks the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) for funding through the Emmy-Noether programme (SCHW1719/1-1), the Research Training Group 2064 ‘Water use efficiency and drought stress responses: From Arabidopsis to Barley’, the infrastructure grants INST211/903-1 FUGG and INST 211/853-1 FUGG, and a project grant (SCHW1719/5-1) as part of the package PAK918. This work was supported by PIANO DI SVILUPPO DI ATENEO 2019 (Università degli Studi di Milano) to A.C., a fellowship by the National Natural Science Foundation of China to Z.X. (31701454; project number 31800312), a PhD fellowship from the University of Milan to M.G., a fellowship of the University of Antwerp to S.S. (DOCPRO4), of the Research Foundation Flanders (FWO-Vlaanderen) to K.V. O.V.A. was supported by the Swedish Research Council (Vetenskapsrådet 2017-03854) and Carl Trygger Foundation (CTS 17: 487). B.H. and K.M. were supported by a grant from the Deutsche Forschungsgemeinschaft (GRK2498 - 400681449).

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https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koac242/6656361

转自：植物科学SCI

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