1月30日，國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心上海植物逆境生物學(xué)研究中心王鵬程和朱健康研究組合作的研究論文“A RAF-SnRK2 kinase cascade mediates early osmotic stress signaling in higher plants”。該論文揭示了RAFs和SnRK2s組成的蛋白激酶級聯(lián)途徑介導(dǎo)的植物滲透脅迫的早期應(yīng)答過程。

干旱、冷、高鹽等造成滲透脅迫，直接影響植物生長發(fā)育和作物的產(chǎn)量。相對于其它環(huán)境脅迫，由于缺乏有效的滲透脅迫特異的檢測標(biāo)記，目前對于植物細(xì)胞滲透脅迫的感受和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑了解較少。目前已知蔗糖非發(fā)酵相關(guān)蛋白激酶2（sucrose non-fermenting 1-related protein kinase 2，SnRK2）是植物滲透脅迫應(yīng)答途徑的關(guān)鍵組分。模式植物擬南芥SnRK2家族有10個(gè)成員，其中9個(gè)能被滲透脅迫迅速激活。SnRK2的十突變體對滲透脅迫敏感。但滲透脅迫如何激活SnRK2尚不清楚。

該研究通過凝膠激酶分析（in-gel kinase assay）發(fā)現(xiàn)除SnRK2外，另一組大分子量的蛋白激酶（100-130 kDa）也被滲透脅迫特異激活，并將其命名為滲透脅迫激活的蛋白激酶（osmotic stress activated protein kinases，OKs）。滲透脅迫處理2分鐘后OK即被迅速激活，且OK的激活不依賴于SnRK2。

通過定量磷酸化組學(xué)研究，作者比較分析了野生型和SnRK2十突變體中滲透脅迫誘導(dǎo)的磷酸化變化。發(fā)現(xiàn)甘露醇處理后，RAF家族蛋白激酶的磷酸化迅速增加，且B亞組蛋白激酶的分子量與OK一致。

通過CRISPR -Cas9，作者構(gòu)建了RAF基因家族成員的多突變體。對突變體的檢測表明，B4亞組的7個(gè)成員特異地調(diào)控了ABA不依賴的SnRK2（SnRK2.1/4/5/9/10）的激活，而B2和B3亞組的12個(gè)成員特異地調(diào)控了ABA依賴的SnRK2.2/3/6的激活。B4-RAF的多突變體對滲透脅迫超敏感。

作者發(fā)現(xiàn)OK能直接與SnRK2相互作用并磷酸化SnRK2s。其中B4亞組RAF特異磷酸化SnRK2.1/4/5/9/10，而B2和B3亞組RAF特異磷酸化SnRK2.2/3/6。RAFs能磷酸化SnRK2蛋白激活環(huán)（activation loop）的多個(gè)位點(diǎn)。已知SnRK2.6蛋白S171和S175兩個(gè)保守的磷酸化位點(diǎn)對于SnRK2.6的激活是必須的。該研究證實(shí)了RAF家族蛋白激酶對于這一位點(diǎn)磷酸化，而不是SnRK2的自磷酸化（autophosphorylation）介導(dǎo)了滲透脅迫對SnRK2的激活。該研究還初步證實(shí)了RAFs家族蛋白激酶對于ABA誘導(dǎo)的SnRK2的激活也是必需的，B亞組RAFs的14突變體對ABA不敏感。

該研究揭示了RAF-SnRK2級聯(lián)途徑是滲透脅迫的早期信號途徑（圖1），為深入了解植物感受和應(yīng)答滲透脅迫的分子機(jī)制提供了線索。同時(shí)，通過高通量磷酸蛋白組學(xué)鑒定未知蛋白激酶的探索和多基因家族的大規(guī)模敲除也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供參考。

王鵬程研究組博士研究生藺禎、工作人員劉曉磊，朱健康組中國農(nóng)業(yè)大學(xué)訪問學(xué)者李媛、博士后張正靜是論文的共同第一作者。朱健康和王鵬程是論文的共同通訊作者。該研究得到中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金的支持。