钙依赖性蛋白激酶CPK21/23通过磷酸化STOP1调控ALMT1依赖的铝抗性机制

本研究揭示了植物响应铝(Al)毒害的关键信号通路。研究人员发现钙依赖性蛋白激酶CPK21和CPK23通过Ca2+ 依赖性方式在细胞质和细胞核中磷酸化转录因子STOP1，抑制其与降解因子RAE1的互作，从而稳定STOP1蛋白并激活铝抗性基因ALMT1的表达，促进苹果酸外排以缓解铝毒害。该研究阐明了Al-Ca2+ -CPK-STOP1信号级联的分子机制，为作物抗铝育种提供新靶点。

　　

土壤酸化导致的铝毒害是限制全球农业生产的重大难题。当土壤pH低于5.5时，三价铝离子(Al³⁺
)大量溶出，迅速抑制植物根系生长。虽然已知转录因子STOP1调控铝抗性基因ALMT1的表达，但Al³⁺
信号如何通过钙信号传导至STOP1的机制仍不清楚。山东大学的研究团队在《Nature Communications》发表的研究，揭示了钙依赖性蛋白激酶CPK21和CPK23作为关键信号枢纽，通过Ca²⁺
依赖性磷酸化修饰STOP1，激活ALMT1介导的苹果酸外排机制。

研究采用酵母双杂交筛选、磷酸化蛋白质组学、CRISPR/Cas9基因编辑等技术，结合活细胞成像和遗传互补实验。通过构建CPK组成型激活突变体(CPK^ac
)，利用原生质体瞬时表达系统分析ALMT1启动子活性；采用Phos-tag凝胶电泳和质谱鉴定STOP1磷酸化位点；通过细胞分级分离明确蛋白亚定位。

CPK21/23促进STOP1介导的ALMT1表达

研究发现CPK21/23特异性激活STOP1依赖的ALMT1启动子活性，其缺失突变体(cpk21/23)表现出ALMT1表达下降和铝敏感表型。遗传互补实验证实CPK21/23功能冗余，双突变体铝敏感性显著增强。

调控苹果酸外排限制铝积累

cpk21/23突变体根尖铝积累增加，而过表达株系ALMT1表达和苹果酸外排显著增强。与almt1突变体的杂交实验证实ALMT1是CPK21/23发挥抗铝功能的必需元件。

Al激活CPK21/23的分子机制

Al³⁺
在0.5-6小时内快速诱导CPK21/23蛋白积累和激酶活性，这种激活具有Al特异性且不响应低pH胁迫。激酶活性位点突变体(CPK21^D204A
/CPK23^D193A
)丧失抗铝功能，证实磷酸化修饰的关键作用。

时空特异的STOP1磷酸化调控

活细胞成像显示Al³⁺
促使CPK21/23在质膜、细胞质和核内共定位。质谱鉴定出STOP1的Thr31、Ser163和Thr316为关键磷酸化位点，这些位点的磷酸化模拟突变(STOP1^{T31D/S163D/T316D}
)可稳定蛋白并增强抗铝性。

Ca²⁺

依赖的信号传导
EGTA处理抑制CPK21/23的Al诱导积累，而组成型激活突变体(CPK^ac
)能绕过Ca²⁺
需求。该级联最终通过抑制STOP1-RAE1互作维持STOP1稳定性。

该研究首次阐明Al-Ca²⁺
-CPK21/23-STOP1信号轴的时空调控机制，突破性地发现STOP1在细胞质和核内的双重磷酸化修饰对其功能的关键影响。这不仅完善了植物逆境信号转导理论，更为分子设计抗铝作物提供了精准靶标。