近日，Nature 在線發(fā)表福建農(nóng)林大學(xué)劉坤祥教授題為“Discovery of nitrate–CPK–NLP signalling in central nutrient–growth networks”研究論文，揭示了植物營養(yǎng)生長調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中樞的硝酸鹽偶聯(lián)Ca2 +信號傳導(dǎo)機(jī)制。

        在基礎(chǔ)生物學(xué)研究領(lǐng)域，一個最重要的和需要解決的問題是生物體如何協(xié)調(diào)和傳遞各種大量的內(nèi)源營養(yǎng)信號和外界生物脅迫以及非生物脅迫信號，從而精確控制生物體自身的生長和發(fā)育。這些營養(yǎng)信號能整合和協(xié)調(diào)基因表達(dá)，代謝和生長，然而關(guān)于它們在動物和植物中的主要分子機(jī)制，科學(xué)家們了解的還很少。

        氮是植物正常生長和發(fā)育所需的重要營養(yǎng)素。在有氧條件下生長的大多數(shù)植物以硝酸鹽的形式吸收氮。硝酸鹽不僅作為一種營養(yǎng)物質(zhì)，而且還是一種重要的信號分子。轉(zhuǎn)錄組分析表明，在硝酸鹽處理后3小時內(nèi)，有超過1000個基因的表達(dá)發(fā)生了改變。在這些基因當(dāng)中，與硝態(tài)氮轉(zhuǎn)運和硝酸鹽同化相關(guān)的基因，以及硝酸鹽和亞硝酸鹽還原酶的編碼基因，都快速減少。此外，控制碳代謝、為還原和同化提供化學(xué)能所必需的一些基因，也被誘導(dǎo)。硝酸鹽信號也影響著根系生長、發(fā)育和體系結(jié)構(gòu)、種子休眠和葉片發(fā)育。

Nitrate triggers unique Ca2+-CPK signalling

        為了確定硝酸鹽信號傳導(dǎo)的主要機(jī)制，在這篇文章中，研究人員研發(fā)了一種整合種子和以細(xì)胞為基礎(chǔ)的分析方法，以及通用的單細(xì)胞分析系統(tǒng)，由此報道了一種獨特的，由硝酸鹽啟動的鈣離子信號。研究證明了這種硝酸鹽引導(dǎo)的鈣離子信號在不同組織和器官的多種細(xì)胞類型中扮演了重要角色。

Chemical genetic analyses of CPK10, CPK30 and CPK32

        該論文研究人員通過硝酸鹽敏化實驗及靶向功能基因組篩選的方法證明Ca2+-sensor protein kinases（CKPs）作為主要的調(diào)節(jié)因子參與硝酸鹽的應(yīng)答，并利用化學(xué)方法成功回避了CPK基因突變體致死而無法研究表型的問題，研究結(jié)果表明，Nitrate-coupled CPK signalling phosphorylates conserved NIN-LIKEPROTEIN（NLP）轉(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控下游轉(zhuǎn)運蛋白，氮同化，碳/氮代謝，氧化還原，信號，激素和增殖等過程。而且，cpk10，cpk30，cpk32和nlp7突變體均影響根的形態(tài)建成。該研究不僅揭示植物營養(yǎng)生長調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中樞硝酸鹽偶聯(lián)的Ca2 +信號傳導(dǎo)機(jī)制，還為未來的研究提供了一個新的分子框架，為分析氮和糖信號通路之間的復(fù)雜相互作用在植物和動物營養(yǎng)介導(dǎo)的生長調(diào)節(jié)提供有力的支持。

Dynamic Nitrate–CPK signalling orchestrates development of shoots and roots

        該研究報道了第三亞群鈣離子依賴蛋白激脢（Group III Calcium dependent protein kinase）參與硝態(tài)氮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。利用最新的超敏感鈣離子感受蛋白（GCaMP6S）系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞能感知硝酸鹽并誘導(dǎo)鈣離子濃度變化。利用無硝酸鹽擬南芥葉肉細(xì)胞原生質(zhì)體系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)第三亞群鈣離子依賴蛋白激酶可感知硝酸鹽誘導(dǎo)的鈣離子濃度變化；這種濃度變化能負(fù)反饋調(diào)節(jié)鈣離子依賴蛋白激酶活性。在植物中，許多重要基因一但缺失就會造成胚胎致死；在研究鈣離子依賴蛋白激酶介導(dǎo)的硝態(tài)氮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，也因為功能缺失突變體造成胚胎致死，導(dǎo)致很多揭示基因功能的生理生化實驗無法開展。該研究首次利用化學(xué)遺傳學(xué)方法成功的發(fā)現(xiàn)一個保守的氨基酸(Gatekeeper residue)突變的鈣離子依賴蛋白激酶，該突變能維持其生理功能而不造成致死表型；研究證明了第三亞群鈣離子依賴蛋白激酶在硝態(tài)氮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中扮演了重要的角色。此外，該研究還揭示了參與硝態(tài)氮信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子NLP7可被鈣離子依賴蛋白激酶磷酸化，進(jìn)而影響根系發(fā)育以及葉片生長。

Nitrate–CPK–NLP signalling is crucial in nutrient–growth networks

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