近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生科院張群教授團隊聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張靜教授，在國際頂級期刊《PNAS》發(fā)表了題為“Antagonistic SnRK2 and PID kinases' action on auxin transport–mediated root gravitropism”的重要研究成果。

研究首次揭示SnRK2與PID兩類激酶通過拮抗作用調(diào)控生長素轉(zhuǎn)運蛋白PIN2，進而精準(zhǔn)控制植物根向重力性的分子機制。該發(fā)現(xiàn)為解析植物適應(yīng)環(huán)境的“生長-抗逆”平衡策略提供了全新視角，也為培育耐逆高產(chǎn)作物新品種提供了關(guān)鍵基因靶點與理論支撐。

植物根系的向地性是其在長期進化中形成的關(guān)鍵適應(yīng)能力—通過感知重力信號調(diào)整生長方向，深入土壤獲取水分與養(yǎng)分，同時固定植株，這一過程的核心驅(qū)動力是生長素的極性運輸，而PIN-FORMED（PIN）家族轉(zhuǎn)運蛋白（尤其是PIN2）是生長素運輸?shù)摹瓣P(guān)鍵載體”。長期以來，科學(xué)界已知激酶的磷酸化修飾能調(diào)控PIN 蛋白功能，但具體哪些激酶參與、如何通過精準(zhǔn)調(diào)控實現(xiàn)植物對環(huán)境的適應(yīng)性生長，始終是未被完全破解的科學(xué)謎題。此次兩團隊強強聯(lián)合，通過多學(xué)科技術(shù)手段，最終揭開了SnRK2與PID激酶“對話”調(diào)控根向重力性的神秘面紗。

研究團隊通過篩選擬南芥激酶缺陷突變體發(fā)現(xiàn)，蔗糖非發(fā)酵-1相關(guān)蛋白激酶2（SnRK2）的雙突變體（如snrk2.2 snrk2.3、snrk2.2 snrk2.6等）均表現(xiàn)出明顯的根向重力性反應(yīng)缺陷：重力刺激后，突變體根系無法正常調(diào)整生長方向，且生長素在根尖的不對稱分布受阻，地上部與根系間的生長素運輸效率顯著下降。進一步研究證實，SnRK2 激酶是 PIN2 蛋白正確定位與功能激活的“關(guān)鍵開關(guān)”：直接調(diào)控PIN2蛋白的定位與活性。免疫共沉淀（Co-IP）、螢火蟲熒光素酶互補成像（LCI）等實驗表明，SnRK2.2與SnRK2.3可在體內(nèi)外直接與PIN2蛋白結(jié)合，并通過磷酸化PIN2第259位絲氨酸（S259），確保PIN2在表皮細(xì)胞的頂端定位（向地上部運輸）與皮層細(xì)胞的基部定位（向根尖運輸）。若將S259突變?yōu)椴豢闪姿峄谋彼幔⊿259A），PIN2定位紊亂，根向地性缺陷會顯著加劇。

在非洲爪蟾卵母細(xì)胞與煙草BY-2細(xì)胞實驗中，單獨表達(dá)PIN2時幾乎無生長素外排活性；而當(dāng)PIN2與SnRK2.2/2.3共表達(dá)時，生長素外排效率大幅提升。且這一激活作用嚴(yán)格依賴SnRK2的激酶活性與PIN2的S259磷酸化。激酶失活的SnRK2或S259A突變的PIN2，均無法啟動生長素運輸功能。

研究發(fā)現(xiàn)SnRK2與AGCVIII家族的PID激酶存在“拮抗博弈”關(guān)系：PID通過磷酸化PIN2的第258位絲氨酸（S258）調(diào)控其功能，而SnRK2對S259的磷酸化會通過空間結(jié)構(gòu)阻礙PID與S258的結(jié)合，形成“此消彼長”的調(diào)控平衡。結(jié)構(gòu)模擬與磷酸化實驗證實，這種拮抗作用是植物根據(jù)環(huán)境變化（如干旱、鹽堿脅迫）動態(tài)調(diào)整根生長方向的核心機制。正常條件下，PID主導(dǎo)調(diào)控確保根垂直向下生長；逆境中，SnRK2被激活，通過拮抗PID調(diào)整PIN2功能，使根產(chǎn)生偏斜生長以規(guī)避脅迫，實現(xiàn)“生存優(yōu)先”的適應(yīng)策略。

此次發(fā)現(xiàn)的SnRK2-PID-PIN2調(diào)控模塊，為作物根系改良提供了“精準(zhǔn)靶點”：通過基因編輯技術(shù)調(diào)控SnRK2或PID的活性，可定向優(yōu)化作物根系的向重力反應(yīng)。既保證正常生長條件下根系深入土壤獲取養(yǎng)分，又能在干旱、鹽堿等邊際土地中靈活調(diào)整生長方向，提升作物對逆境的適應(yīng)性。這對于開發(fā)鹽堿地、干旱區(qū)等低產(chǎn)土地，提高作物生產(chǎn)力，保障國家糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義。

生科院盛芳、高宇、王亞平和李陽為論文共同第一作者，張群教授與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張靜教授為共同通訊作者，該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2512274122