2025年6月5日，国际学术期刊Nature Communications在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心黄朝锋研究组题为“CPK28-mediated Ca2+ signaling regulates STOP1 localization and accumulation to facilitate plant aluminum resistance”的研究论文。该研究发现了铝毒诱导根部特异Ca2+信号，进而激活CPK28激酶介导的STOP1磷酸化促进其蛋白积累，最终正调控植物抗铝毒的新机制。
酸性土壤约占全球陆地总面积的30%，其中潜在可耕地的酸性土壤比例更是高达50%。酸性土壤胁迫主要表现为质子毒害、铝/铁毒害以及磷/钙缺乏，其中铝毒害是限制作物在酸性土壤中生长的首要因子，也是全球农业中仅次于干旱的第二大非生物胁迫因素。近年研究发现，C2H2型锌指转录因子STOP1是植物响应酸性土壤胁迫的核心调控因子。该研究组前期工作揭示，STOP1在转录后水平受到多层次精细调控，包括泛素化、SUMO化、磷酸化及氧化等翻译后修饰，同时其活性还受mRNA转运复合物和STAR1蛋白的调控
该研究旨在解析Ca2+信号在STOP1蛋白功能和植物抗铝毒调控过程中的作用。利用超敏感Ca2+报告蛋白GCaMP6f-mCherry，研究者观察到铝毒在短时间内快速诱导根尖区域（特别是过渡区）产生Ca2+信号，并形成双相峰模式，包括一个主峰和一个较缓和、持续时间更长的次峰。
为鉴定解码该Ca2+信号的组分，作者采用磷酸化组学方法分析了对照和铝胁迫条件下的差异磷酸化蛋白，成功鉴定出包括CPK28激酶在内的多个Ca2+感受器。表型分析结果显示，只有cpk28突变体表现出对铝毒的敏感性。mRNA表达分析表明，cpk28突变体中STOP1下游基因的表达显著下调，进一步的蛋白含量分析显示突变体中STOP1蛋白积累明显减少。过表达CPK28则能促进STOP1蛋白积累并增强植物的抗铝毒能力。这些结果提示CPK28通过调控STOP1积累来增强植物的抗铝毒能力。
蛋白互作实验证实CPK28能与STOP1直接相互作用，且互作发生在质膜上。通过LC-MS/MS和一系列生化、遗传实验，研究证明CPK28主要通过磷酸化STOP1的S163位点，抑制STOP1与F-box蛋白RAE1的互作，从而促进STOP1蛋白积累，增强植物的抗铝毒能力。
鉴于CPK28与STOP1在质膜上的互作，作者进一步考察了cpk28突变对STOP1亚细胞定位的影响。结果显示，cpk28突变体中更多STOP1蛋白积累在细胞质中，表明CPK28介导的STOP1磷酸化能够促进其入核。前期研究已证实MEKK1-MKK1/2-MPK4激酶途径通过磷酸化STOP1的T386、S448、Ser486三个位点促进其蛋白积累。因此，研究者探讨了MAPK和CPK途径对STOP1功能的协同调控关系。当所有4个磷酸位点均被突变时，STOP1蛋白积累和植物抗铝毒能力进一步降低，说明CPK28介导的S163磷酸化与MPK4介导的T386、S448、Ser486磷酸化协同调控STOP1蛋白积累和植物抗铝毒能力。
综上所述，该研究阐明了铝毒通过特异诱导根尖Ca2+信号激活CPK28激酶，进而促进CPK28对STOP1 S163位点的磷酸化，最终通过促进STOP1入核并抑制其与F-box蛋白RAE1的互作来增强STOP1其蛋白积累和植物抗铝毒能力的分子机制。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心毕业博士生马应堂、博士生郑海亮为论文的共同第一作者，黄朝锋研究员是该论文的通讯作者。德国明斯特大学Ina Schmitz-Thom、Jörg Kudla教授，以及黄朝锋研究组的王佳文、周芳林、李重阳、张雅玲，分子植物卓越中心的程奕秋、Daisuke Miki等研究人员也参与了该研究。该研究获得了中国科学院、国家自然科学基金面上项目和植物性状形成与塑造全国重点实验室等机构的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60427-8
图1 CPK28介导的Ca2+信号调控STOP1亚细胞定位及蛋白积累的模型示意图
