新發(fā)現(xiàn)！類(lèi)受體激酶WAKL4介導(dǎo)的植物主動(dòng)降低鎘累積的新機(jī)制

鎘（Cd）是一種十分有害的重金屬元素，以其較高的移動(dòng)性和較強(qiáng)的生物毒性著稱(chēng)[1]，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康。Cd能通過(guò)植物進(jìn)入食物鏈，最終在人體內(nèi)累積并誘發(fā)多種疾病[2]。因此，減少植物源性食物中Cd的積累對(duì)維護(hù)人類(lèi)健康至關(guān)重要。盡管Cd在植物中缺乏專(zhuān)門(mén)的“運(yùn)輸渠道”，僅依賴(lài)于與鐵（Fe）、鋅（Zn）、錳（Mn）等必需金屬元素共用的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行遷移[3-5]，但近年來(lái)，越來(lái)越多的研究揭示植物可能存在一種特定的Cd調(diào)控機(jī)制[6, 7]。然而，關(guān)于植物是否具有主動(dòng)感知和響應(yīng)環(huán)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(fā)表了浙江大學(xué)鄭紹建教授課題組題為T(mén)he 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(diào)控模塊主動(dòng)響應(yīng)Cd并減少其吸收的分子機(jī)制，為植物重金屬脅迫響應(yīng)調(diào)控研究提供了新的思路和見(jiàn)解；同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)由WAKL4介導(dǎo)的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)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(jù)，而Tyr488磷酸化進(jìn)一步促進(jìn)Cd脅迫下NRAMP1向液泡的降解過(guò)程，也豐富了對(duì)NRAMPs家族成員翻譯后修飾和蛋白穩(wěn)定性調(diào)控機(jī)制的理解。

為了探究植物是否以及如何主動(dòng)感知和響應(yīng)Cd，該課題組聚焦在一類(lèi)植物類(lèi)受體激酶（Receptor-like kinase, RLK）上。RLK是一類(lèi)主要定位于細(xì)胞膜且參與感知和響應(yīng)植物體內(nèi)外信號(hào)的重要蛋白[8]。課題組前期已發(fā)現(xiàn)RLK成員PSKR1/ALR1作鋁（Al）離子受體在鋁脅迫感知和應(yīng)答中發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]，但RLK在感知或響應(yīng)重金屬Cd方面還不清楚。他們首先對(duì)實(shí)驗(yàn)室收集到的大量擬南芥RLK突變體材料進(jìn)行Cd脅迫敏感性篩選，獲得了一個(gè)Cd敏感的T-DNA插入突變體wakl4。研究人員隨后通過(guò)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(gè)純合株系wakl4-1和wakl4-2。Cd脅迫表型分析發(fā)現(xiàn)，wakl4-1和wakl4-2表現(xiàn)出更為敏感的表型，幼苗新葉黃化加劇，主根長(zhǎng)、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(bǔ)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(jié)果證實(shí)了WAKL4功能缺失突變引起了擬南芥對(duì)Cd脅迫敏感，并且該敏感表型與植物體內(nèi)過(guò)多Cd積累有關(guān)。

該課題組進(jìn)一步對(duì)Cd處理下WAKL4的翻譯和轉(zhuǎn)錄水平進(jìn)行了分析，以確定WAKL4對(duì)Cd的響應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)WAKL4蛋白豐度在75 ?M Cd處理時(shí)或2-4小時(shí)Cd處理時(shí)達(dá)到峰值，長(zhǎng)時(shí)間或高濃度的Cd處理則會(huì)抑制WAKL4的積累，且WAKL4對(duì)其他金屬響應(yīng)不明顯（圖1 B, C）。此外，他們還發(fā)現(xiàn)WAKL4轉(zhuǎn)錄水平也有類(lèi)似的變化（圖1 D）。這些結(jié)果表明，WAKL4對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)在很大程度上表現(xiàn)出特異性和快速性。隨后，研究人員通過(guò)蛋白互作篩選發(fā)現(xiàn)WAKL4主要與植物金屬轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)一步分選至液泡進(jìn)行降解（圖1 G）。

有趣地是，該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)上述Cd響應(yīng)機(jī)制在擬南芥中存在生態(tài)型依賴(lài)特性。即在Ws生態(tài)型中，WAKL4轉(zhuǎn)錄和蛋白水平對(duì)Cd的響應(yīng)比Col-0生態(tài)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(guò)重測(cè)序并推測(cè)這種Cd響應(yīng)程度的差異性可能部分是由于兩個(gè)生態(tài)型之間WAKL4啟動(dòng)子和編碼區(qū)的多重變異所致（圖1 J）。鑒于Col-0生態(tài)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(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的鎘隔離到液泡的解毒機(jī)制。為此，Col-0生態(tài)型在應(yīng)對(duì)鎘脅迫時(shí)，更需要發(fā)展出一種新的機(jī)制來(lái)彌補(bǔ)因HMA3的天然缺陷所導(dǎo)致的Cd敏感劣勢(shì)，WAKL4-NRAMP1調(diào)控模塊的功能很好地補(bǔ)償了鎘內(nèi)部解毒機(jī)制的缺陷，并賦予了Col-0通過(guò)主動(dòng)降低鎘累積，從而提高其對(duì)鎘的耐性的能力。

總之，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的生理、生化、分子、遺傳等方法，揭示了WAKL4調(diào)控植物Cd吸收的功能機(jī)制：Cd脅迫通過(guò)促進(jìn)WAKL4基因的轉(zhuǎn)錄和抑制其蛋白降解，以快速誘導(dǎo)WAKL4蛋白在細(xì)胞質(zhì)膜上的累積，進(jìn)而磷酸化NRAMP1Tyr488并促使NRAMP1進(jìn)行內(nèi)吞和液泡靶向降解，最終減少植物對(duì)Cd的吸收和積累（圖2）。綜上，由WAKL4-NRAMP1組成的信號(hào)調(diào)節(jié)模塊賦予了植物有效且專(zhuān)一地限制過(guò)量Cd吸收和積累的能力，為植物Cd脅迫響應(yīng)研究領(lǐng)域提供了新的見(jiàn)解，同時(shí)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(jù)。

這是該團(tuán)隊(duì)今年繼發(fā)現(xiàn)首個(gè)植物細(xì)胞鋁離子受體（Ding et al. 2024. Cell Research. 34:281-294），營(yíng)養(yǎng)吸收組織根毛有限生長(zhǎng)調(diào)控模塊（Cui et al. 2024. Current Biology. 34:313-326)和磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及植酸磷InsP6合成調(diào)控復(fù)合體（Xu et al. 2024. Nature Communications. 15:5107）之后的又一個(gè)富有創(chuàng)新性的研究成果。浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鄭紹建教授課題組已畢業(yè)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(xué)金崇偉教授和法國(guó)巴黎大學(xué)Moussa Benhamed教授也參與了該項(xiàng)工作。該研究得到廣東省嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)資金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。

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