镁离子调控烟草幼苗生长的分子机制：基于蛋白质组与磷酸化蛋白质组的多维解析

本研究针对烟草生产中镁(Mg)营养调控机制不清的问题，采用4D-DIA定量蛋白质组和磷酸化蛋白质组技术，系统解析了烟草根系和地上部对低(2.5 μM)、中(250 μM)、高(2.5×103 μM)浓度Mg的响应特征。发现淀粉蔗糖代谢、光合作用、核糖体和剪接体通路是关键响应途径，鉴定到MRS2家族转运蛋白及WRKY、HY5等转录因子的动态修饰，揭示了Mg通过调控离子稳态和信号转导影响烟草生长的分子机制，为优质烟草栽培提供理论依据。

　　

镁是植物生长不可或缺的中量元素，在叶绿素合成、光合作用和碳水化合物代谢中发挥核心作用。然而在农业生产中，镁肥的施用常被忽视，尤其在南方酸性土壤地区，镁的淋溶流失导致烟草等经济作物出现典型的叶脉间黄化症状，严重影响产量和品质。更复杂的是，镁与氮、磷、钾等营养元素的互作机制尚未阐明，过量镁同样会破坏离子平衡。这些知识空白使得精准调控镁营养成为烟草栽培的技术难点。

广东省农业科学院作物研究所的研究团队在《Infection, Disease》发表的最新研究中，创新性地整合了四维数据非依赖采集(4D-DIA)蛋白质组和磷酸化蛋白质组技术，构建了烟草幼苗在梯度镁浓度(2.5-2500 μM)下的分子响应图谱。研究采用K326烟草品种，设置7天处理周期，通过高精度质谱检测根系和地上部组织的蛋白表达与磷酸化修饰变化，结合生物信息学分析和生理表型验证，系统解析了镁胁迫的应答网络。

关键代谢通路响应特征

在蛋白质组层面，高镁显著激活根系中淀粉和蔗糖代谢通路，α-淀粉酶、蔗糖合成酶(SUS)等14种酶表达上调；而低镁导致地上部光合系统II(PSII)组分psbO、psbP等蛋白表达降低，与叶绿素含量下降的表型一致。磷酸化组分析发现，核糖体通路在根系出现62个差异磷酸化位点，包括核糖体蛋白S6(RS6)的调控位点；地上部剪接体通路中U2AF2、CDC5L等剪接因子的磷酸化修饰呈现浓度依赖性变化，暗示RNA加工在镁信号转导中的重要作用。

离子稳态调控网络

研究鉴定到5类镁转运蛋白(MRS2-1/3/5、NIPA3等)在磷酸化水平的动态响应，其中MRS2-1在根系低镁时Ser⁸⁸位点磷酸化水平显著升高。值得注意的是，ABC转运蛋白及氮磷钾相关转运体如NRT2.4硝酸盐转运体、PHO1磷酸转运体等同步发生修饰变化，揭示了镁与多元素互作的分子基础。钙转运ATP酶(ACA8/ECA4)的差异表达进一步证实了Mg²⁺-Ca²⁺拮抗的调控节点。

信号转导与转录调控

蛋白激酶网络分析显示，钙依赖蛋白激酶(CDPKs)、受体样激酶(RLKs)和MAPK3在低镁胁迫下发生特异性磷酸化。转录因子如WRKY32的Thr¹⁵²磷酸化、HY5的Ser¹⁰²修饰等事件，与VIP1、MYC2等调控因子的表达变化共同构成转录级联响应。这些发现为解析镁信号从感知到基因表达的传递路径提供了新线索。

这项研究首次绘制了烟草镁响应的多组学调控图谱，阐明淀粉代谢重编程和RNA加工修饰是适应镁胁迫的关键策略。发现的MRS2转运蛋白修饰模式及WRKY-MAPK调控模块，不仅为作物营养精准调控提供分子标记，其揭示的镁与多元素协同转运机制，对开发复合肥料配方具有重要指导价值。该成果对解决我国烟草主产区普遍存在的镁缺乏问题，提升烟叶品质和产业效益具有现实意义。