新發現！類受體激酶WAKL4介導的植物主動降低鎘累積的新機制

鎘（Cd）是一種十分有害的重金屬元素，以其較高的移動性和較強的生物毒性著稱[1]，嚴重威脅生態環境和人類健康。Cd能通過植物進入食物鏈，最終在人體內累積并誘發多種疾病[2]。因此，減少植物源性食物中Cd的積累對維護人類健康至關重要。盡管Cd在植物中缺乏專門的“運輸渠道”，僅依賴于與鐵（Fe）、鋅（Zn）、錳（Mn）等必需金屬元素共用的轉運蛋白進行遷移[3-5]，但近年來，越來越多的研究揭示植物可能存在一種特定的Cd調控機制[6, 7]。然而，關于植物是否具有主動感知和響應環境中的Cd并減少其吸收和累積的能力仍不清楚。

2024年11月4日Nature communications在線發表了浙江大學鄭紹建教授課題組題為The Arabidopsis receptor-like kinase WAKL4 limits cadmium uptake via phosphorylation and degradation of NRAMP1 transporter的研究論文。該研究揭示了擬南芥WAKL4-NRAMP1調控模塊主動響應Cd并減少其吸收的分子機制，為植物重金屬脅迫響應調控研究提供了新的思路和見解；同時，該研究發現由WAKL4介導的Cd轉運蛋白NRAMP1Tyr488磷酸化事件為植物酪氨酸（Tyr）磷酸化研究提供了新的有力證據，而Tyr488磷酸化進一步促進Cd脅迫下NRAMP1向液泡的降解過程，也豐富了對NRAMPs家族成員翻譯后修飾和蛋白穩定性調控機制的理解。

為了探究植物是否以及如何主動感知和響應Cd，該課題組聚焦在一類植物類受體激酶（Receptor-like kinase, RLK）上。RLK是一類主要定位于細胞膜且參與感知和響應植物體內外信號的重要蛋白[8]。課題組前期已發現RLK成員PSKR1/ALR1作鋁（Al）離子受體在鋁脅迫感知和應答中發揮關鍵作用[9]，但RLK在感知或響應重金屬Cd方面還不清楚。他們首先對實驗室收集到的大量擬南芥RLK突變體材料進行Cd脅迫敏感性篩選，獲得了一個Cd敏感的T-DNA插入突變體wakl4。研究人員隨后通過CRISPR/Cas9體系在野生型擬南芥（Col-0）背景下敲除WAKL4基因并得到了兩個純合株系wakl4-1和wakl4-2。Cd脅迫表型分析發現，wakl4-1和wakl4-2表現出更為敏感的表型，幼苗新葉黃化加劇，主根長、鮮重、葉綠素含量均明顯低于WT，而Cd含量卻明顯高于WT，功能回補株系Com1和Com2在Cd脅迫下的表型和生理特征幾乎與WT一致（圖1 A）。以上結果證實了WAKL4功能缺失突變引起了擬南芥對Cd脅迫敏感，并且該敏感表型與植物體內過多Cd積累有關。

該課題組進一步對Cd處理下WAKL4的翻譯和轉錄水平進行了分析，以確定WAKL4對Cd的響應。他們發現WAKL4蛋白豐度在75 ?M Cd處理時或2-4小時Cd處理時達到峰值，長時間或高濃度的Cd處理則會抑制WAKL4的積累，且WAKL4對其他金屬響應不明顯（圖1 B, C）。此外，他們還發現WAKL4轉錄水平也有類似的變化（圖1 D）。這些結果表明，WAKL4對Cd脅迫的響應在很大程度上表現出特異性和快速性。隨后，研究人員通過蛋白互作篩選發現WAKL4主要與植物金屬轉運蛋白NRAMP1存在相互作用（圖1 E）并磷酸化NRAMP1的Tyr488殘基（圖1 F），被磷酸化的NRAMP1又進一步分選至液泡進行降解（圖1 G）。

有趣地是，該團隊還發現上述Cd響應機制在擬南芥中存在生態型依賴特性。即在Ws生態型中，WAKL4轉錄和蛋白水平對Cd的響應比Col-0生態型明顯更弱（圖1 I），這減輕了Ws背景下WAKL4功能喪失突變體的Cd敏感表型(圖1 H)。他們通過重測序并推測這種Cd響應程度的差異性可能部分是由于兩個生態型之間WAKL4啟動子和編碼區的多重變異所致（圖1 J）。鑒于Col-0生態型中液泡定位的Cd解毒基因HMA3天然失活[10]，從而喪失了將進入細胞內的鎘隔離到液泡的解毒機制。為此，Col-0生態型在應對鎘脅迫時，更需要發展出一種新的機制來彌補因HMA3的天然缺陷所導致的Cd敏感劣勢，WAKL4-NRAMP1調控模塊的功能很好地補償了鎘內部解毒機制的缺陷，并賦予了Col-0通過主動降低鎘累積，從而提高其對鎘的耐性的能力。

總之，該研究團隊通過大量的生理、生化、分子、遺傳等方法，揭示了WAKL4調控植物Cd吸收的功能機制：Cd脅迫通過促進WAKL4基因的轉錄和抑制其蛋白降解，以快速誘導WAKL4蛋白在細胞質膜上的累積，進而磷酸化NRAMP1Tyr488并促使NRAMP1進行內吞和液泡靶向降解，最終減少植物對Cd的吸收和積累（圖2）。綜上，由WAKL4-NRAMP1組成的信號調節模塊賦予了植物有效且專一地限制過量Cd吸收和積累的能力，為植物Cd脅迫響應研究領域提供了新的見解，同時也為培育低Cd作物品種提供了潛在的新基因資源和理論依據。

這是該團隊今年繼發現首個植物細胞鋁離子受體（Ding et al. 2024. Cell Research. 34:281-294），營養吸收組織根毛有限生長調控模塊（Cui et al. 2024. Current Biology. 34:313-326)和磷信號轉導及植酸磷InsP6合成調控復合體（Xu et al. 2024. Nature Communications. 15:5107）之后的又一個富有創新性的研究成果。浙江大學生命科學學院鄭紹建教授課題組已畢業博士研究生袁俊杰為該論文的**作者，丁忠杰研究員為該論文的通訊作者。浙江大學金崇偉教授和法國巴黎大學Moussa Benhamed教授也參與了該項工作。該研究得到廣東省嶺南現代農業實驗室專項資金、國家重點研發計劃等項目的資助。

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