撰文 | X.WX
責編 | 王一
鋁 (Aluminum) 毒和無機磷的缺乏是作物在土壤生產的重要限制因子，也是廣泛存在於土壤生產的非生物逆境。非生物逆境會影響植物根尖幹細穩態，抑制根的生長，造成植物營養元素缺乏甚至影響糧食產量【1】。已有的研究表明，DNA損傷應答參與由逆境引起的幹細胞穩態變化，在該過程中，SOG1(SUPPRESSOR OF GAMMA RESPONSE 1)、ATM (ATAXIA-TELANGIECTASIA MUTATED)和ATR (ATM-RELATED) 等DNA損傷應答相關的調控因子發揮重要作用【2】。探索植物如何感知、傳遞和響應非生物逆境訊號的調控機制是仍是當今世界前沿的科學問題之一。
近日，比利時根特大學Lieven De Veylder教授團隊在The Plant Cell線上發表了題為Arabidopsis Casein Kinase 2 triggers stem cell exhaustion under Al toxicity and phosphate deficiency through activating the DNA damage response pathway的研究論文，該研究報道了植物酪蛋白激酶CK2透過SOG1介導的 DNA損傷應答調控鋁毒和缺磷條件下根生長的分子機制。
該研究首先透過小分子篩選方法，鑑定出一個促進植物耐鋁毒的有機化合物C43，C43在化學結構上與人類酪蛋白激酶CK2的抑制劑TTP-22相似，在功能上C43和TTP-22都能緩解鋁毒引起的初生根抑制，而C43和TTP-22處理不影響擬南芥酪蛋白激酶CK2突變體cka123的初生根伸長（圖一），暗示著C43和TTP-22的作用機制依賴於酪蛋白激酶CK2的活性。為了研究C43和TTP-22抑制酪蛋白激酶CK2的分子機制，作者透過一系列生理生化和遺傳學試驗發現酪蛋白激酶CK2能磷酸化SOG1並激活依賴於SOG1的DNA損傷應答，而C43和TTP-22透過抑制酪蛋白激酶CK2的激酶活性發揮作用。
圖一 C43是一個CK2的潛在抑制劑
鋁毒和植物缺磷是在農業生產中緊密聯絡的問題，鋁離子(Al3+)透過螯合磷而影響植物磷的有效性。有研究發現，水稻酪蛋白激酶CK2 透過調控高親和磷轉運蛋白PHT1 (PHOSPHATE TRANSPORTER 1) 的磷酸化而影響磷的吸收和轉運【3】。本研究發現，C43抑制擬南芥酪蛋白激酶CK2活性，從而促進磷的同化 (圖二)；此外，缺磷誘導的初生根生長是一個DNA損傷應答過程，依賴於ATM/ATR激酶調控的SOG1磷酸化。進一步的基因表達分析和遺傳學試驗表明，植物酪蛋白激酶CK2是透過依賴於ATM/ATR-SOG1調控的DNA損傷應答途徑來調控植物缺磷誘導的初生根生長。
圖二 CK2調控磷的同化
綜上所述，該研究不僅發現了一個新植物酪蛋白激酶CK2的抑制劑，也揭示了植物酪蛋白激酶CK2透過啟用SOG1介導的DNA損傷應答調控鋁毒和缺磷條件下幹細胞的穩態，是植物感知和響應非生物逆境研究領域的一個重要發現。同時，該研究所揭示的DNA損傷途徑在低磷條件下的生理作用也為研究植物應對低磷脅迫的機制提供了新的視角。
該論文的通訊作者為根特大學Lieven De Veylde教授。Lieven De Veylde教授課題組主要從事植物細胞週期的表達調控和DNA損傷應答機制的研究，在Science、Annual Review of Plant Biology、Nature Plants 和The Plant Cell等國際期刊發表文章175篇，詳細資訊見Lieven De Veylde教授的主頁：https://www.psb.ugent.be/index.php/people/ DeVeylderLieven
參考文獻：
1. Kochian, L.V., Hoekenga, O.A., and Pineros, M.A. (2004). How do crop plants tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous efficiency. Annual Review Plant Biology. 55, 459-93.
2. Bourbousse, C., Vegesna, N., and Law, J.A. (2018). SOG1 activator and MYB3R repressors regulate a complex DNAdamage network in Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115, E12453-E12462.
3. Chen, J., Wang, Y., Wang, F., Yang, J., Gao, M., Li, C., Liu, Y., Liu, Y., Yamaji, N., Ma, J.F., Paz-Ares, J., Nussaume, L., Zhang, S., Yi, K., Wu, Z., and Wu, P. (2015). The rice CK2 kinase regulates trafficking of phosphate transporters in response to phosphate levels. Plant Cell. 27, 711-723.
原文連結：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koab005/6119328