水稻液泡钙传感器OsCBL10在苗期盐胁迫应答中的负调控机制解析

《Plant Physiology and Biochemistry》：OsCBL10 negatively regulates salt tolerance at seedling stage in rice

本研究聚焦于水稻盐胁迫应答的关键负调控因子。为解决土壤盐渍化制约全球水稻生产的严峻问题，研究人员深入探讨了液泡膜定位的钙离子传感器OsCBL10在苗期耐盐性中的功能。通过CRISPR-Cas9基因敲除和过表达技术，研究发现OsCBL10缺失突变体（cbl10-1/2）在100 mM NaCl胁迫下表现出更高的存活率、更优的Na+/K+稳态和更强的ROS清除能力，而过表达株系（OE1/2）则呈现盐超敏表型。该研究揭示了OsCBL10通过抑制SOS信号通路和抗氧化途径负向调控水稻耐盐性的新机制，为培育耐盐水稻品种提供了重要理论依据和基因靶点。

　　

土壤盐渍化是制约全球农业生产，尤其是水稻这一主要粮食作物产量的重大环境胁迫因素。面对日益严峻的盐碱地问题，揭示植物自身的耐盐机制，从而培育出耐盐作物品种，已成为农业生物技术领域迫在眉睫的研究方向。在植物应对盐胁迫的复杂网络中，钙离子（Ca²⁺）作为通用的第二信使，其浓度波动是解码外界胁迫信号、启动适应性反应的核心环节。这些由盐胁迫引发的钙信号需要被特定的传感器蛋白识别，其中，植物特有的钙调磷酸酶B类似蛋白（CBL）家族与其互作蛋白激酶（CIPK）形成的CBL-CIPK复合物，被认为是解码钙信号、调控离子转运和活性氧（ROS）平衡的关键模块。尽管拟南芥等模式植物中的CBL蛋白功能已有较多研究，但作为重要粮食作物的水稻，其CBL家族成员的功能，特别是OsCBL10在盐胁迫应答中的具体角色，仍存在认知空白，这限制了我们全面理解水稻钙介导的耐盐机制。

为了填补这一空白，来自湖南师范大学生命科学学院的邝雪梅、刘若锋、金磊、王胜平、高淑峰、邱懿兰等研究人员在《Plant Physiology and Biochemistry》上发表了他们的最新研究成果。他们系统探究了OsCBL10在水稻苗期耐盐性中的功能与作用机制。研究人员综合运用了基因表达分析、组织化学GUS染色、亚细胞定位、CRISPR-Cas9基因编辑、生理指标测定（离子含量、H₂O₂含量、抗氧化酶活性）以及实时定量PCR（qRT-PCR）等关键技术方法。所有实验均以粳稻品种日本晴（Nipponbare）为野生型背景材料，并在此基础上构建了转基因株系。

3.1. 删除OsCBL10可增强水稻的耐盐性

研究人员首先利用CRISPR-Cas9技术成功获得了两个独立的OsCBL10功能缺失突变体（cbl10-1和cbl10-2）。表型分析发现，在正常条件下，突变体与野生型（WT）生长无差异；但在100 mM NaCl盐胁迫下，突变体表现出显著增强的耐盐性，其存活率约为野生型的2倍，苗长增加了20-25%，而根长无显著差异。相反，OsCBL10过表达株系（OE1和OE2）则对盐胁迫表现出超敏感性，存活率和生物量显著降低。这一正反实验证据共同表明，OsCBL10是水稻耐盐性的一个负调控因子。

3.2. OsCBL10的表达模式分析和亚细胞定位

研究人员进一步解析了OsCBL10的表达特征。组织特异性表达分析显示，OsCBL10在水稻孕穗期的花药中表达量最高，其次是穗和根，叶片中表达最低。GUS组织化学染色结果与此一致。更重要的是，盐胁迫处理能显著诱导OsCBL10的转录，且这种诱导在幼苗的地上部分（shoot）比根部更为强烈。亚细胞定位实验通过将OsCBL10与绿色荧光蛋白（GFP）融合，并与液泡膜标记蛋白AtTPK1-RFP共转染水稻原生质体，共聚焦显微镜观察发现两者的荧光信号完全重叠，证实OsCBL10定位于液泡膜（tonoplast）上。

3.3. 敲除OsCBL10导致Na⁺/K⁺比率降低

为了探究OsCBL10负调控耐盐性的机制，研究人员比较了野生型和突变体在离子稳态方面的差异。在100 mM甘露醇（模拟渗透胁迫）处理下，基因型间无表型差异，说明cbl10突变体的耐盐优势源于离子特异性响应而非单纯的渗透调节。离子含量测定结果显示，盐胁迫下，cbl10突变体地上部同时积累了更多的Na⁺和K⁺，而根部则表现为Na⁺含量降低、K⁺含量升高，最终导致突变体地上部和根部的Na⁺/K⁺比率均显著低于野生型。过表达株系则表现出相反的趋势，Na⁺/K⁺比率急剧升高。这表明OsCBL10通过破坏Na⁺/K⁺平衡来负向调控耐盐性。

3.4. 敲除OsCBL10增强ROS平衡并重编程盐响应基因表达

盐胁迫会引发活性氧（ROS）爆发。研究发现，盐胁迫下，cbl10突变体中的H₂O₂积累量显著低于野生型，而超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）的活性则显著高于野生型，表明突变体具有更强的ROS清除能力。同时，qRT-PCR分析发现，与野生型相比，突变体中盐胁迫响应基因OsSOS1（质膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白）、OsNHX1（液泡膜Na⁺/H⁺逆向转运蛋白）和OsMIOX（肌醇加氧酶）的转录水平显著上调，而OsAPX8（抗坏血酸过氧化物酶）的表达则下调。这些结果说明，OsCBL10的正常功能会抑制Na⁺外排、液泡区室化以及ROS解毒相关基因的表达，其功能缺失则解除了这种抑制，从而激活了耐盐通路。

综上所述，本研究首次明确揭示了水稻液泡钙传感器OsCBL10在苗期盐胁迫应答中扮演“刹车”角色的新功能。OsCBL10通过抑制SOS信号通路（如OsSOS1）和抗氧化途径，负向调控离子的稳态平衡和ROS的清除。敲除OsCBL10能够增强Na⁺的外排和K⁺的保持，降低氧化损伤，从而显著提高水稻幼苗的耐盐性。这一发现不仅拓宽了对水稻CBL蛋白功能多样性的认识，更重要的是，OsCBL10作为一个负调控因子，其功能缺失能带来耐盐性的提升，这为通过基因编辑等精准育种技术靶向修饰该基因，培育在不牺牲产量的前提下具有更强盐胁迫适应性的水稻新品种提供了极具价值的分子靶标，对于应对全球土壤盐渍化挑战、保障粮食安全具有重要的理论和实践意义。值得注意的是，研究也发现OsCBL10缺失会影响正常生长条件下的生殖发育（如花粉育性降低），提示其在发育和胁迫应答中可能存在功能权衡，这为未来设计更精准的遗传改良策略指明了方向。