近日，我院番茄等园艺作物种质创新与育种团队在知名期刊Plant Physiology发表了题为“Phosphorylation of sugar transporter TST2 by protein kinase CPK27 enhances drought tolerance in tomato”的研究论文，揭示了“钙离子-CPK27”信号途径通过影响液泡膜定位的单糖转运蛋白TST2的磷酸化修饰水平在番茄干旱抗性形成中发挥了重要作用，我院胡璋健副研究员为论文通讯作者，喻景权院士和我院番茄等园艺作物种质创新与育种团队负责人周艳虹教授对该项工作给予了细致指导。
番茄是我国栽培面积最大的设施蔬菜，其果实含水量高达95%，在生长过程中为维持正常生长发育需要吸收大量水分。然而，全球变暖导致地表蒸发量显著增加，干旱事件发生更加频繁和剧烈。因此，设施生产中如何保障有限水分供给条件下番茄的正常生长一直是本领域的“卡脖子”难题。
植物应答干旱胁迫时，细胞水分外渗，细胞收缩，导致瞬时的胞内钙离子浓度升高。钙离子作为第二信使通过信号级联放大将防御信号传递到下游，激活脱落酸（ABA）等植物激素信号，合成可溶性糖等小分子渗透物质以增强植株抗旱性。为解码钙信号，植物进化出了多种钙信号解码元件，其中钙调素蛋白依赖激酶（Calcium-dependent protein kinase，CPK）是一类植物所特有且同是具备钙信号感知和直接解码功能的蛋白激酶，并通过磷酸化下游靶标蛋白将钙信号级联放大。因此，鉴定番茄干旱抗性形成中的关键CPK对于解析园艺作物抗旱机制意义重大。
该研究中，课题组发现cpk27突变体的干旱抗性显著减弱。嫁接试验和外源ABA施用试验结果表明，CPK27主要作用于植物的地上部且位于ABA信号的下游发挥功能。通过蛋白质组和磷酸化蛋白质学分析，对依赖于CPK27的磷酸化修饰肽段进行GO聚类分析发现，CPK27显著影响了干旱响应代谢通路中单糖代谢途径和己糖代谢途径中关键蛋白的磷酸化水平。深入研究发现干旱诱导的蔗糖、葡萄糖和果糖等可溶性糖积累在cpk27突变体中受到显著抑制。进一步利用酵母文库筛选CPK27互作蛋白，发现液泡膜单糖转运蛋白TST2与CPK27互作，且tst2突变体抗旱性显著下降。磷酸化组学、质谱分析和磷酸化实验表明CPK27可直接磷酸化TST2的Thr-372，Ser-393，Ser-444三个位点，另有Ser-313和Ser-445两个位点受CPK27的间接调控。干旱诱导CPK27对TST2进行磷酸化修饰，并进一步促进可溶性糖的积累，从而提高植株的干旱抗性。该研究揭示了CPK27在调控番茄植株干旱抗性中的重要功能，阐明了干旱通过促进CPK27对单糖转运蛋白TST2的磷酸化修饰诱导可溶性糖积累从而提高干旱抗性的分子机制。
钙离子-CPK27-TST2 作用模式图
据了解，该研究拓宽了我们对园艺作物干旱抗性信号通路的认知，有望为番茄耐旱种质创新和设施高效水分利用先导技术研创提供理论依据和技术支撑。
论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae124
