OsCK2磷酸化OsSIZ1调控水稻磷饥饿响应与防御反应的分子机制

本研究揭示了水稻蛋白激酶OsCK2通过磷酸化SUMO E3连接酶OsSIZ1（S607/S609位点）调控磷（Pi）稳态与防御反应的双重机制。在磷充足条件下，OsCK2介导的磷酸化增强OsSIZ1稳定性，抑制磷吸收基因（如OsPT2/OsPAP21b）和二萜植保素合成基因（OsCPS2/OsCYP99A3等）表达；而磷饥饿时，OsSIZ1去磷酸化导致其降解，激活上述通路。创新性发现非磷酸化OsSIZ1AA过表达可同步提升磷利用效率和多重病原抗性（稻瘟病菌/纹枯病菌/白叶枯病菌），为作物抗逆育种提供新靶点。

　　

1 引言

磷（Pi）是水稻生长发育的关键营养元素，但全球磷肥利用率不足30%，且磷矿资源面临枯竭。水稻通过SUMO E3连接酶OsSIZ1调控磷稳态，但其活性响应磷供应的分子机制未知。蛋白激酶CK2作为保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，其异源四聚体（OsCK2α3/OsCK2β3）此前被证实通过磷酸化磷转运体OsPHT1和泛素连接酶OsPHO2调控磷分配，但核内功能尚未阐明。

2.1 OsCK2β3与OsSIZ1突变导致磷积累

CRISPR-Cas9构建的Osck2β3和Ossiz1突变体在磷充足条件下均表现出根/茎磷含量升高（1.5-2.5倍），但磷饥饿时与野生型无差异。qRT-PCR显示二者共同诱导磷饥饿诱导基因OsPT2/OsPAP21b表达，而OsIPS1不受影响。值得注意的是，Ossiz1突变体根毛长度在磷饥饿时显著增加，暗示OsSIZ1负调控根系形态重塑。

2.2 OsCK2与OsSIZ1互作机制

酵母双杂交和GST pull-down证实OsCK2β3通过N端结构域（含SAP-PHD-PINIT-SP-RING）结合OsSIZ1，双分子荧光互补（BiFC）显示互作发生于细胞核。共免疫沉淀进一步验证OsCK2α3需依赖OsCK2β3才能与OsSIZ1形成复合体。

2.3 关键磷酸化位点鉴定

质谱分析与体外激酶实验锁定OsSIZ1第二SIM域中保守的S⁶⁰⁷/S⁶⁰⁹为OsCK2靶点。截短肽段（GST-OsSIZ1-pep）实验表明双位点突变（S607A/S609A）完全消除磷酸化信号，单点突变则部分削弱。

2.4 非磷酸化OsSIZ1^AA的功能优势

Ubiquitin启动子驱动的OsSIZ1^AA-Flag过表达株系在磷充足时茎磷含量提升40%且无生长抑制，而野生型OsSIZ1过表达导致矮化。细胞降解实验显示OsSIZ1^AA在磷充足条件下降解速率加快，解释其"功能获得"表型。

2.5 转录组揭示防御通路激活

RNA-seq发现Osck2β3与Ossiz1突变体共同上调466个基因（占Osck2β3差异基因75%），GO分析富集于二萜植保素（如momilactone合成基因OsCPS4/OsKSL4）和病程相关蛋白（OsPR10b/OsCht8）。磷饥饿同样诱导这些基因，提示OsCK2-OsSIZ1模块耦合磷信号与防御响应。

2.6 广谱抗病性验证

OsSIZ1^AA-Flag株系对稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）病斑长度减少62%，纹枯病菌（Rhizoctonia solani）和白叶枯病菌（Xoo）抗性同步增强。qPCR证实其组成性激活植保素合成通路，而野生型OsSIZ1过表达无此效应。

3 讨论

本研究首次阐明OsCK2通过核内磷酸化OsSIZ1实现磷信号与防御反应的协同调控：磷充足时，磷酸化OsSIZ1抑制磷吸收和植保素合成；磷匮乏时，OsSIZ1去磷酸化降解，解除对下游通路的抑制。创新性开发的OsSIZ1^AA变体突破传统磷高效品种的"生长-抗性"权衡，为绿色农业提供新策略。