硝酸盐饥饿通过长距离CEP1-CEPR2信号级联抑制气孔开张的分子机制

《Cell Reports》：Nitrate starvation inhibits stomatal opening via the long-distance CEP1-CEPR2 signaling cascade

本研究针对植物碳氮代谢协同调控中气孔运动受氮饥饿抑制的机制不明问题，通过多物种实验证实硝酸盐缺乏可激活根系CEP1肽经木质部转运至叶片，与保卫细胞受体CEPR2结合后通过BIK1-RBOHD模块诱导H2O2积累，从而抑制光诱导气孔开张。该发现揭示了植物协调地下氮信号与地上光合作用的新通路，为作物养分高效利用提供理论依据。

　　

在绿色植物的生命活动中，碳和氮两大代谢过程的协调如同交响乐团的合奏，需要精准的配合才能实现最优生长。然而土壤中氮素分布不均常常打破这种平衡——当根系遭遇氮饥饿时，地上部分的光合作用会显著下降，但地下氮信号如何调控地上气孔运动的分子机制始终成谜。

山东大学白明义/范敏团队在《Cell Reports》发表的研究发现，硝酸盐饥饿会触发根系产生小肽CEP1，这些肽段通过木质部长途运输到叶片，与保卫细胞表面的受体CEPR2结合后，激活BIK1激酶并诱导活性氧积累，最终抑制光诱导的气孔开张。这一新机制揭示了植物通过肽激素信号协调地下氮状况与地上光合作用的精巧策略。

关键技术方法包括：利用拟南芥、大豆、烟草和小麦等多物种 hydroponic 培养体系进行硝酸盐饥饿处理；通过嫁接实验和保卫细胞特异性表达验证长距离信号传导；采用H₂DCFDA荧光染色检测H₂O₂动态变化；运用体外激酶实验和质谱分析鉴定CEPR2对BIK1的磷酸化位点；基于双分子荧光互补和酵母双杂交验证蛋白互作。

硝酸盐饥饿抑制光合效率和气孔开张

研究团队发现将拟南芥从含硝酸盐培养基转移至无氮环境24小时后，光合速率和气孔导度显著下降，蔗糖含量降低。这种现象在小麦、大豆和烟草中同样存在，说明氮饥饿抑制光合作用是跨物种的保守响应。进一步观察发现，氮饥饿12小时即开始抑制光诱导气孔开张，24小时后完全抑制。

CEPR2是硝酸盐饥饿介导气孔开张抑制的关键受体

外源施加CEP1肽能模拟氮饥饿效应抑制气孔开张，而cepr2突变体对此完全不敏感。嫁接实验表明当接穗为cepr2突变体时，即使砧木为野生型，氮饥饿也无法抑制气孔开张，证明CEPR2在叶片保卫细胞中的功能不可或缺。保卫细胞特异性表达CEPR2可恢复cepr2突变体的气孔响应能力。

长距离CEP1-CEPR2信号级联介导气孔开张抑制

根系在氮饥饿下快速诱导CEP1等基因表达，产生的肽信号经木质部传输至地上部分。受体CEPR2在保卫细胞特异性表达，通过蛋白互作实验证实其与下游组分BIK1直接相互作用。

CEPR2介导硝酸盐饥饿诱导的保卫细胞过氧化氢积累

氮饥饿和CEP1处理均引起保卫细胞H₂O₂积累，且这一过程依赖CEPR2。在rbohD/F双突变体中，氮饥饿无法诱导H₂O₂产生，表明RBOHD/RBOHF是H₂O₂产生的关键酶。外源H₂O₂处理能抑制野生型气孔开张，并能恢复cepr2突变体对氮饥饿的响应。

CEPR2与BIK1互作并磷酸化

BiFC、Pull-down和酵母双杂交实验证实CEPR2激酶域与BIK1直接互作。体外激酶实验显示CEPR2可磷酸化BIK1，质谱鉴定出T386和T64为关键磷酸化位点。在植物体内，CEP1处理能增强BIK1磷酸化，而cepr2突变体中此效应消失。

BIK1是硝酸盐饥饿抑制气孔开张的必要组分

bik1突变体中，氮饥饿和CEP1处理均不能诱导H₂O₂积累，也无法抑制光诱导气孔开张，证明BIK1在CEPR2下游发挥关键作用。

该研究系统解析了硝酸盐饥饿通过CEP1-CEPR2-BIK1信号通路调控气孔运动的分子机制，不仅揭示了植物协调碳氮代谢的新途径，还为理解植物如何整合养分信号与环境适应提供了新视角。特别值得注意的是，CEPR2在不同应激条件下可能通过选择不同下游底物实现信号特化——在正常生长时抑制ABA信号促进生长，而在氮饥饿时激活H₂O₂信号抑制气孔开张。这种精巧的调控机制使植物能够根据实际需求灵活调整生理状态，为作物养分高效利用育种提供了潜在靶点。