Nature | 专家点评：植物气孔的“守门员”—钙离子通道有助于关闭入侵者的大门！

在植物中，钙离子（Ca^{2 +}）充当各种刺激的中心信号，范围从内部发育线索到物理或生物胁迫（例如侵染）。但是，Ca²⁺信号的瞬态性质和植物Ca²⁺通道的神秘身份使这些离子的作用难以研究。此外，Ca²⁺通道与特定植物反应之间的联系还不清楚。此前，Thor等人在权威期刊Nature发表的文章阐明了这种联系，并报道了他们发现的一种Ca²⁺通道类型，该通道在针对病原菌感染的特定反应期间被激活 (Nature | 英国Sainsbury实验室重磅研究揭示植物气孔免疫机制！)。2020年9月7日，加拿大多伦多大学的Keiko Yoshioka教授课题组在权威期刊Nature对近几年植物气孔免疫相关研究进展进行了综述和点评。

两个专门的月形细胞，称为保护细胞，形成一个气孔（图1a）。气孔可以进行气体交换，包括二氧化碳的进入，用于光合作用的能量产生过程。因此，它们对植物的生存至关重要。然而，致病微生物可以利用气孔作为入侵的通道。为了限制侵染，植物在识别到这种攻击时关闭气孔，这种防御反应称为气孔免疫。植物和动物的细胞表面都有受体蛋白，含有激酶域，这些蛋白可以识别进化上保守的微生物分子基团，称为病原菌相关分子模式（PAMPs），并启动防御所需的信号通路。

图1 调节气孔闭合的钙离子通道

在模式植物拟南芥中，一种称为FLS2的受体蛋白具有激酶域，它与细菌鞭毛蛋白结合，识别该PAMP的一个称为flg22的区域。这个识别事件使FLS2与另一个称为BAK1的细胞表面受体激酶形成一个活性受体复合物。该复合物将一个磷酸基团加到BIK1的细胞质激酶上。BIK1的这种磷酸化激活了免疫反应，如蛋白RBOHD产生活性氧。BIK1是气孔免疫所必需的，如果保卫细胞缺失编码这种激酶的基因，植物就不能对flg22作出反应。然而，PAMP识别和Ca²⁺介导的BIK1调节的气孔关闭之间的联系一直不清楚。

为了解答这些疑惑，Thor等人推测，通过直接磷酸化，BIK1控制气孔免疫所需的Ca²⁺通道（Nature | 英国Sainsbury实验室重磅研究揭示植物气孔免疫机制！）。作者重点研究了一种叫做OSCA1.3的离子通道，它在感应flg22时被磷酸化。OSCA1.3对Ca²⁺具有渗透性，BIK1在丝氨酸氨基酸残基54处对OSCA1.3进行磷酸化（与RBOHD中BIK1磷酸化的基团类型相同），在病原菌被识别时激活该通道（图1b）。此外，作者观察到编码OSCA1.3的基因在气孔中特异性表达，与该通道在气孔免疫中的作用一致。

图2 Plant stomata

OSCA蛋白家族是进化上保守的离子通道，拟南芥包含该家族的15个成员。每个离子通道可能由两个OSCA蛋白组成。这些蛋白质中最大的一组，即第1族，包括OSCA1.1、OSCA1.2（也称为OSCA1）和OSCA1.35-7。OSCA1.1和OSCA1.2是Ca²⁺渗透通道，也可渗透其他几种带正电荷的离子(阳离子)，它们被称为渗透压的离子不平衡激活。

Thor等人观察到，在基因OSCA1.3被抑制的突变植物中，对flg22的免疫反应没有明显影响。然而，与野生型植物中的反应相比，在工程化的植物中也有另一个1族成员的突变体--基因OSCA1.7--感知flg22的气孔闭合受损，对细菌感染的敏感性增强。OSCA1.7具有与OSCA1.3上被BIK1磷酸化的蛋白基团相似的蛋白基团，并通过BIK1的磷酸化激活，产生Ca²⁺流入细胞。由此看来，OSCA1.3和OSCA1.7是调节气孔免疫的Ca²⁺通道，它们的功能可能是冗余的，如果OSCA1.3缺失，OSCA1.7就可以发挥其作用。究竟只是其中一种还是两种蛋白共同构成作用于气孔免疫的Ca²⁺通道，尚不清楚。

除了确定这些Ca²⁺通道，Thor等人还探讨了植物激素脱落酸（ABA）的作用，当植物感觉到缺水时，ABA可以调节气孔关闭。这种激素还可以控制气孔防御，因为ABA缺乏的植物的气孔在感知到病原菌时不能有效地关闭。然而，作者发现，编码OSCA1.3和OSCA1.7的基因发生突变的植物对ABA完全反应，表明这些通道不参与ABA介导的气孔关闭。这一观察证实了先前的证据，即BIK1对气孔免疫的调节不需要ABA。此外，在编码OSCA1.3和OSCA1.7的基因都发生突变的叶片中，flg22的整体Ca²⁺信号激活并没有受损；保卫细胞只占叶细胞的一小部分。这一结果有力地支持了这些通道在气孔免疫中的特殊作用，而不是一般免疫，尽管BIK1是这两种类型的反应所必需的。

图3 多肽有助于植物应对干旱胁迫

Takahashi, F., Suzuki, T., Osakabe, Y. et al. A small peptide modulates stomatal control via abscisic acid in long-distance signalling. Nature 556, 235–238 (2018).

Ca²⁺浓度的变化如何刺激特定的细胞发生反应是这一研究领域的核心问题。一个假设是，刺激特异性的时间模式的细胞质Ca²⁺水平可能会提供一个关键的线索，这些 Ca²⁺可能会产生和解码特定的Ca²⁺结合组件，如钙调蛋白激酶或钙依赖性蛋白激酶。Thor及其同事的研究结果表明，相反，Ca²⁺通道本身可能决定特异性，至少对于气孔免疫。

虽然OSCA蛋白使气孔独立于ABA参与而关闭，但由ABA或对感染的反应所介导的关闭可能涉及相同的机制，该机制通过水从保护细胞中移动出来最终关闭气孔。因此，这两种途径应该在某一点上趋于一致。使带负电荷的离子（阴离子）退出细胞的通道，如S型阴离子通道，称为SLACs的激活，是气孔运动的关键步骤。蛋白激酶OPEN STOMATA1，这是ABA介导的信号通路的一个组成部分，激活SLACs，并被认为是作为防御反应和ABA信号的汇合点。然而，一些钙依赖性蛋白激酶也激活SLACs，这样的Ca²⁺信号解码器，甚至可能是阴离子通道本身，可能是汇合点。

图4 水稻抗病能力的增强 

Bailey-Serres, J., Ma, W. An immunity boost combats crop disease. Nature 545, 420–421 (2017).

在植物Ca²⁺通道的研究中，一个新出现的主题是它们的磷酸化调节。以前的研究报道，BIK1和BAK1磷酸化另一组植物Ca²⁺通道的成员，环核苷酸门离子通道，以调节其功能或稳定性。BIK1对OSCA1.3和OSCA1.7的磷酸化强调了受体激酶和Ca²⁺通道之间的联系，可能是为了产生刺激特异的Ca²⁺信号。确定OSCA家族蛋白是否与细胞表面上的其他成分相互作用以形成称为通道体的结构是有趣的，该结构是围绕离子通道的一组信号分子。

到目前为止，OSCA蛋白主要与渗透压力的传感有关。它们被归类为一种机械传感通道，一个将物理力转换成生化信号。除通过BIK1激活外，OSCA1.3和OSCA1.7是否通过渗透压或机械刺激激活？这两种蛋白是在防御中发挥了特定作用，还是在气孔中还具有其他功能？了解每个OSCA的生物学功能以及它们产生的Ca2 +信号将为气孔生物学提供启示。这种见解可能对植物的生物工程至关重要，以应对未来作物生产的挑战。

更多精彩内容，点击下方“往期回顾”

喜欢就转发、收藏，点“在看”