钙依赖性蛋白激酶CPK28通过磷酸化STOP1调控植物铝胁迫抗性的分子机制

本研究揭示了植物响应铝(Al)胁迫的新机制：钙信号通过CPK28激酶磷酸化转录因子STOP1的Ser163位点，促进其核定位并抑制降解，从而增强ALMT1等抗铝基因表达。该发现阐明了Ca2+ -CPK28-STOP1信号轴在植物适应酸性土壤铝毒中的核心作用，为作物抗逆育种提供了新靶点。

　　

植物与铝胁迫的生存博弈
在占全球耕地30%的酸性土壤中，铝(Al)毒是限制作物生长的首要障碍。当土壤pH值低于5时，Al³⁺
离子会迅速破坏植物根尖细胞结构，而植物则进化出分泌有机酸（如苹果酸）的解毒机制。这一过程的核心调控者——转录因子STOP1（SENSITIVE TO PROTON RHIZOTOXICITY 1）如同交响乐指挥，协调着ALMT1等抗铝基因的表达。然而，科学家们长期困惑：植物如何感知铝胁迫并将信号精准传递给STOP1？

钙信号的秘密语言
中国科学院的研究团队通过超灵敏钙离子传感器GCaMP6f-mCherry，首次捕捉到铝胁迫下拟南芥根尖的时空特异性Ca²⁺
信号：20μM AlCl₃
处理6分钟后，伸长区皮层细胞率先爆发双相钙振荡（初始峰值0.71ΔR/R₀
），形成独特的"铝感知微环境"。这一发现发表于《Nature Communications》，揭示了植物解读铝胁迫的"摩斯密码"。

关键技术突破
研究采用活体钙成像追踪Al³⁺
诱导的Ca²⁺
动态，通过磷酸化蛋白质组学筛选到CPK28激酶；利用CRISPR/Cas9构建cpk28突变体，结合酵母双杂交、分裂荧光素酶（LUC）互补和免疫共沉淀（Co-IP）验证CPK28-STOP1互作；体外激酶实验和质谱鉴定磷酸化位点；通过核质分离和pIMAGO技术分析蛋白定位与修饰。

从信号感知到基因激活
Al exposure induces spatio-temporally defined Ca²⁺
signals in roots
延时成像显示Al³⁺
特异性激活根分生区（MZ）和伸长区（EZ）的双相钙信号，而La³⁺
（钙通道阻滞剂）处理证实该信号是CPK28激活的前提。

CPK28 positively regulates Al resistance and STOP1 accumulation
cpk28突变体对50μM Al敏感度增加2.3倍，STOP1蛋白水平下降42%，ALMT1表达减少68%。相反，CPK28过表达使STOP1积累增加1.8倍，苹果酸分泌量提升2.1倍。

CPK28 phosphorylates STOP1 at Ser163
质谱鉴定出Ser163/Ser296/Ser399三个磷酸化位点，体外激酶实验显示Ser163突变使STOP1磷酸化减少76%。STOP1^S163A
株系核定位比例降低57%，而磷酸模拟突变体STOP1^S163D
则使ALMT1启动子活性增强3.2倍。

Phosphorylation inhibits RAE1-mediated degradation
Co-IP实验揭示STOP1^S163D
与F-box蛋白RAE1^ΔF
的互作强度减弱65%，蛋白酶体抑制剂MG132可恢复cpk28中STOP1水平。rae1 rah1双突变能完全挽救cpk28的铝敏感表型。

双重保险的调控智慧
该研究首次阐明Ca²⁺
-CPK28与MEKK1-MPK4通路协同调控STOP1的分子机制：CPK28负责Ser163磷酸化（快速响应），MPK4作用于Thr386/Ser448/Ser486（持续调控）。当四个位点均突变（STOP1^4A
）时，植物完全丧失铝胁迫响应能力。这种"双信号校验"模式既保证了胁迫响应的及时性，又避免了免疫反应过度激活的代价。

农业应用的曙光
该发现为改良作物铝抗性提供了精准靶点：通过基因编辑将STOP1 Ser163改造为磷酸模拟型（Asp），可望使作物在保持正常免疫力的同时，获得酸性土壤的高产潜力。研究建立的Ca²⁺
信号-激酶-转录因子级联调控模型，为理解植物适应非生物胁迫的共性机制提供了新范式。