2024年8月28日，國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊ThePlant Cell在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心趙春釗研究組題為“FERONIA regulates salt tolerance in Arabidopsis by controlling photorespiratory flux”的研究論文。該研究揭示了FERONIA通過(guò)控制光呼吸通路代謝流調(diào)控植物耐鹽性的分子機(jī)制。

鹽脅迫是影響作物種子萌發(fā)、生長(zhǎng)和產(chǎn)量的主要非生物脅迫。挖掘植物關(guān)鍵耐鹽基因并深入研究其分子調(diào)控機(jī)制，能夠?yàn)槟望}堿作物培育提供重要的理論基礎(chǔ)。趙春釗研究組長(zhǎng)期致力于植物耐鹽分子機(jī)制的研究，在先前研究中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁糖蛋白Leucine-rich repeat extensin 3/4/5（LRX3/4/5）與分泌多肽RAPID ALKALINIZATION FACTORs（RALFs）以及類(lèi)受體激酶FERONIA（FER）組成一個(gè)模塊來(lái)調(diào)控植物耐鹽性（PNAS, 2018）。擬南芥lrx345和fer-4突變體在鹽脅迫下均表現(xiàn)出葉片漂白的表型。進(jìn)一步遺傳分析顯示，脫落酸（ABA）含量的過(guò)度積累（National Science Review, 2020）以及phyB介導(dǎo)的信號(hào)通路的過(guò)度激活（Nature Plants, 2023）是導(dǎo)致lrx345和fer-4突變體對(duì)鹽脅迫敏感的原因，但是ABA合成基因ABA2或者phyB基因突變均不能使lrx345和fer-4突變體的耐鹽性恢復(fù)到野生型水平，表明還有其它胞內(nèi)信號(hào)通路參與LRX3/4/5-RALFs-FER介導(dǎo)的植物耐鹽性。

該研究利用甲基磺酸乙酯（EMS）對(duì)lrx345突變體進(jìn)行化學(xué)誘變，篩選到4個(gè)能夠抑制lrx345突變體鹽敏感表型的抑制子，而在這4個(gè)抑制子中突變均發(fā)生在glutamate synthase 1（GLU1）基因上。利用訂購(gòu)的GLU1 T-DNA插入突變體，證實(shí)glu1突變能夠抑制lrx345的鹽敏感表型，同時(shí)發(fā)現(xiàn)glu1突變也能夠抑制fer-4的鹽敏感表型。GLU1參與光呼吸通路代謝，負(fù)責(zé)將谷氨酰胺催化生成谷氨酸，而谷氨酸作為前體合成甘氨酸，后者在SHM1蛋白的作用下合成絲氨酸。與野生型相比，fer-4突變體中甘氨酸含量顯著升高，而這個(gè)升高能夠被glu1突變所抑制。添加外源甘氨酸會(huì)加劇fer-4突變體的鹽敏感表型，而將催化谷氨酸合成甘氨酸的glutamate:glyoxylate aminotransferase 1（GGT1）基因突變，fer-4突變體的鹽敏感表型能夠被顯著抑制。此外，shm1突變會(huì)加重fer-4突變體的鹽敏感表型，而過(guò)表達(dá)SHM1則能抑制fer-4突變體的鹽敏感性。這些研究結(jié)果均表明甘氨酸升高是導(dǎo)致fer-4突變體對(duì)鹽脅迫敏感的主要原因。生化實(shí)驗(yàn)顯示，FER與SHM1蛋白互作并磷酸SHM1，而該磷酸化是調(diào)控SHM1蛋白穩(wěn)定性所需要的。綜上所述，該研究發(fā)現(xiàn)FER通過(guò)磷酸化SHM1調(diào)控該蛋白的穩(wěn)定性，進(jìn)而調(diào)控鹽脅迫下的光呼吸通路代謝流，最終幫助植物適應(yīng)高鹽環(huán)境。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后姜偉、已畢業(yè)博士生汪志浩和在讀博士生李亞麗為該論文的共同第一作者，趙春釗研究員為通訊作者。趙春釗研究組助理研究員李超、博士后劉鑫、已畢業(yè)博士生任玉瑩參與了該項(xiàng)工作。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心Chanhong Kim研究員及其研究組的羅盛級(jí)和Rahul Mohan Singh以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)李艷教授對(duì)該研究工作給予了幫助。該研究得到了國(guó)家資助博士后研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plcell/koae246

FER通過(guò)調(diào)控光呼吸通路代謝流來(lái)增強(qiáng)植物耐鹽性