Cell Rep | 福建农林大学徐通达组综述植物磷酸化事件发生研究进展

景杰生物 | 报道

 

动态环境变化影响植物发育生长，在进化过程中，植物已建立了复杂的转录、翻译以及翻译后修饰等不同级别的调控机制以调控体内蛋白功能，适应不同发育环境。之前高通量组学分析表明，蛋白质丰度和mRNA水平存在较大差异，表明翻译及翻译后修饰过程对调控蛋白丰度以及功能发挥了重要作用。蛋白质翻译后修饰（Protein post-translational modifications, PTMs）通过调节蛋白构象、稳定性、活性和亚细胞定位来调控蛋白功能。植物中存在多种PTMs，在多种修饰类型中，磷酸化修饰已被广泛研究。目前，已在拟南芥中鉴定出超过43000个磷酸化修饰位点，引起了人们的广泛关注。

近日，福建农林大学徐通达课题组在Cell Reports上在线发表了题为“Protein phosphorylation: A molecular switch in plant signaling”的综述。概述了蛋白质磷酸化作为植物不同激素信号通路和胁迫耐受性的分子开关，在信号传导转换及作物育种中的最新进展。

 1. 蛋白磷酸化在植物激素信号传导中的作用 蛋白质磷酸化是植物激素传导的一种方式。生长素对维持植物组织生长以及调控生长素介导的器官发育至关重要，研究表明蛋白质磷酸化可以在生长素的多个方面发挥重要作用，包括生物合成、运输、信号转导以及与其他信号通路的串扰。蛋白质磷酸化会影响生长素生物合成，调节植物生长。研究发现植物中央BRI1-BIN2模块充当油菜素类固醇（BR）信号传导过程中蛋白质磷酸化的汇聚点，调节下游信号或接受其他信号串扰。此外，脱落酸与细胞分裂素等激素也是利用大量蛋白质磷酸化修饰进行信号转导的植物激素，在植物信号转导以及非生物胁迫过程中发挥重要作用。

 

 

图1 生长素信号通路中的蛋白质磷酸化

 

2. 蛋白质磷酸化在植物适应环境过程中的作用非生物（干旱、洪水、温度等）和生物胁迫（真菌、细菌、病毒等）都会对植物生长发育构成重大威胁。研究表明植物可以通过蛋白质磷酸化过程将外部信号转导为细胞内反应。在非生物胁迫情况下，应激激素ABA、信号中枢MAPK、钙依赖性蛋白激酶CPKs和盐敏感响应因子SOS均发挥着重要作用，这些因子相应的信号转导主要依赖于一系列磷酸化反应，进一步引发植物对于胁迫的系列反应，如寒冷、高盐、高热、干旱等非生物胁迫。因此，蛋白质磷酸化修饰在植物非生物胁迫响应过程中发挥了广泛且重要的作用。 生物胁迫中，植物体内的模式识别受体（PRR）和配体相互作用触发包括包括快速受体样细胞质激酶(RLCK)磷酸化、钙内流、MAPK级联激活、活性氧(ROS)爆发和防御激素的产生等，以上过程都有磷酸化的参与。上述研究表明，蛋白质磷酸化作为胁迫响应的分子开关，参与调节了植物对环境变化做出快速反应。

 

 

图2 环境胁迫下的蛋白质磷酸化

 

3. 蛋白质磷酸化修饰参与信号通路调控最近的研究表明，多种植物上游信号中存在不同的磷酸化修饰位点（又叫做磷酸代码，phosphocodes），可以进一步触发其下游信号通路。研究者发现，不同上游信号激活同一个蛋白组的不同phosphocode，而不同的phosphocode可以打开或关闭特定的下游信号通路。植物利用phosphocode的开关来确定打开或关闭那个信号通路，对植物在复杂环境生存和生长具有重要作用。

 

 

 

图3 决定phosphocode开关的信号传导途径

 

综上所述，蛋白质磷酸化对于植物生长、发育和环境响应至关重要，通过精确磷酸化信号中的关键成分，植物可以打开和关闭生长或防御所需的特定信号通路。该研究进一步表明植物蛋白质上不同的磷酸化修饰位点会影响植物发育及其在胁迫中下游信号传导。

 

图4 蛋白质磷酸化在植物信号传导过程中充当分子开关

 

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参考文献

1. Wang, Q, et al. 2020. A phosphorylation-based switch controls TAA1-mediated auxin biosynthesis in plants. Nat Commun.

2. Tan S, et al. 2021. Pho-view of Auxin: Reversible Protein Phosphorylation in Auxin Biosynthesis, Transport and Signaling. Mol Plant.

3. Weller B, et al. 2017. Dynamic PIN-FORMED auxin efflux carrier phosphorylation at the plasma membrane controls auxin efflux-dependent growth. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.

4. Henrichs S, et al. 2012. Regulation of ABCB1/PGP1-catalysed auxin transport by linker phosphorylation. EMBO J.4. Kim SH, et al. 2022. Phosphorylation of the auxin signaling transcriptional repressor IAA15 by MPKs is required for the suppression of root development under drought stress in Arabidopsis. Nucleic Acids Res.

5. He Z, et al. 2000. Perception of brassinosteroids by the extracellular domain of the receptor kinase BRI1. Science. 6. Huang X, et al. 2018. The antagonistic action of abscisic acid and cytokinin signaling mediates drought stress response in Arabidopsis. Mol Plant.

 

 

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