毛竹钙依赖性蛋白激酶PeCDPK32调控木质素生物合成的分子机制与功能解析

本研究系统鉴定了毛竹(Phyllostachys edulis)中50个钙依赖性蛋白激酶(CDPK)基因家族成员，通过多组学分析揭示了PeCDPK32通过调控过氧化物酶PePRX2活性促进木质素合成的分子机制，为竹材品质改良提供了新靶点。研究采用酵母双杂交筛选出50个互作蛋白，发现PeCDPK32与PeCML4/PePRX2形成钙信号传导级联，通过免疫沉淀质谱鉴定出Ser-85/Ser-104自磷酸化位点，为理解非木材植物细胞壁形成机制提供了重要理论依据。

　　

在植物王国的快速生长竞赛中，毛竹以每天近1米的生长速度摘得桂冠，这种惊人的生长能力与其独特的次生细胞壁结构密切相关。作为最重要的可再生生物质资源之一，竹材的机械性能主要取决于木质素的沉积程度，而钙离子(Ca²⁺)作为"植物生理活动的万能信使"，如何通过钙依赖性蛋白激酶(CDPK)调控这一过程，一直是科学家们亟待破解的谜题。中国林业科学研究院亚热带林业研究所的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表的研究，首次绘制了毛竹CDPK基因家族的完整图谱，并揭示了PeCDPK32调控木质素合成的分子开关机制。

研究人员采用全基因组扫描鉴定出50个PeCDPK基因，通过系统发育树构建将其分为4个亚家族。结合转录组分析和qRT-PCR验证，发现PeCDPK32表达与竹笋木质化进程呈显著正相关。利用酵母双杂交技术筛选出50个互作蛋白，其中钙调素样蛋白PeCML4和木质素合成关键酶PePRX2与PeCDPK32存在强相互作用。借助荧光互补实验和亚细胞定位技术，证实三者共定位于内质网。在烟草中瞬时过表达PeCDPK32可使PePRX2酶活性提升2倍，而毛竹愈伤组织的稳定转化实验则直接观察到木质素沉积增强。免疫沉淀质谱技术鉴定出PeCDPK32的Ser-85和Ser-104自磷酸化位点，揭示了其活性调控的结构基础。

研究结果部分显示：

1. 基本特征分析：50个PeCDPK蛋白长度424-648个氨基酸，分子量47.97-72.36kDa，等电点5.14-8.65，主要定位于叶绿体、线粒体和细胞核。
2. 系统进化分析：PeCDPKs与单子叶植物(水稻、二穗短柄草)的亲缘关系近于双子叶植物(拟南芥、毛果杨)，亚家族I成员最多(19个)。
3. 基因结构与染色体分布：PeCDPK17/38/40含11个内含子最多，而PeCDPK4仅含2个；基因在15号和21号染色体形成串联重复簇(PeCDPK32/33和PeCDPK42/43)。
4. 钙结合预测：AlphaFold3预测9个成员具有强钙结合能力(pTM>0.5)，EF-hand结构域形成典型的"螺旋-环-螺旋"钙离子配位结构。
5. 顺式元件分析：启动子区富含ABA、MeJA响应元件，PeCDPK32含10个MeJA元件和2个ABRE，暗示其参与激素信号整合。
6. 共线性分析：毛竹与水稻存在82对直系同源基因，远多于与拟南芥的4对，Ka/Ks<1显示纯化选择压力。
7. 表达模式：PeCDPK32在6-8米高竹笋基部节间高表达，与木质化梯度一致；qPCR证实其在高度木质化的S4节段表达量是S1的3.5倍。
8. 蛋白互作网络：酵母双杂交筛选出PeCCR1、PePRX2等木质素合成酶，荧光互补验证PeCDPK32-PePRX2/PeCML4互作。
9. 功能验证：PeCDPK32过表达使毛竹愈伤组织木质素沉积增加40%，透射电镜显示其与PePRX2共定位于内质网腔。

这项研究构建了"Ca²⁺-PeCML4-PeCDPK32-PePRX2"信号传导级联模型：在竹笋木质化过程中，钙离子结合PeCML4后激活PeCDPK32激酶活性，后者通过增强PePRX2的过氧化物酶功能，促进木质素单体的聚合。发现的Ser-85/Ser-104自磷酸化位点为人工调控激酶活性提供了分子靶标。该成果不仅填补了单子叶植物CDPK调控细胞壁形成的理论空白，更为竹材密度、抗弯强度等经济性状的分子设计育种开辟了新途径。随着全球对可持续材料需求的增长，这项研究对开发"以竹代塑"的环保材料具有重要应用价值。