《aBIOTECH》：SnRK1 in stress adaptation and growth regulation: Insights from Arabidopsis to crops
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为了生存和适应度，生物体必须在波动的环境条件下优化能量利用和代谢适应。蔗糖非发酵1（Sucrose non-fermenting 1, SNF1）相关激酶1（SNF1-Related Kinase 1, SnRK1）蛋白复合物作为植物能量代谢的中枢调节因子，近
为了生存和适应度，生物体必须在波动的环境条件下优化能量利用和代谢适应。蔗糖非发酵1（Sucrose non-fermenting 1, SNF1）相关激酶1（SNF1-Related Kinase 1, SnRK1）蛋白复合物作为植物能量代谢的中枢调节因子，近期的研究表明它也是维持干细胞活性所必需的。本综述总结了调控SnRK1活性的多层次调节机制，并描述了其在抗逆性和生长促进中作用的最新研究进展。研究人员整合了模式植物拟南芥和主要农作物中的研究进展，突出了保守机制和物种特异性的差异。这些信息将有助于在智能作物育种中利用SnRK1的遗传资源。
1. 引言
生物体必须高效利用资源和能量以生存和繁殖。在真核细胞中进化出以保守蛋白激酶复合物家族为核心的能量感知系统，包括酵母的SNF1、哺乳动物的AMP激活激酶（AMP-activated kinase, AMPK）和植物的SnRK1。SnRK1是由α、β和βγ亚基组成的异源三聚体复合物，在植物、动物和真菌中其亚基组成是保守的。在拟南芥中，该复合物包含催化α亚基（KIN10、KIN11或KIN12）、调节β亚基（KINβ1、KINβ2或KINβ3）以及βγ亚基（KINβγ）。除了在能量胁迫中发挥作用外，SnRK1在植物应对生物和非生物胁迫中也起着关键作用。此外，研究还表明SnRK1能促进分生组织活性以维持器官发生，这突显了其在平衡胁迫耐受性和发育中的作用。因此，利用SnRK1遗传资源是维持作物稳定高产的一个有前景的策略。
2. SnRK1活性的调节
与酵母SNF1和哺乳动物AMPK不同，植物SnRK1不受AMP/ATP比率的调节。植物进化出了独特的机制来调节SnRK1活性。例如，SnRK1的亚细胞定位控制着其活性。在默认状态下SnRK1具有活性，其催化亚基KIN10缺乏自抑制域。调节亚基KINβ1和KINβ2包含肉豆蔻酰化位点并与膜结合，将KIN10拴在细胞质结构上。在胁迫下，KIN10转移至细胞核内，并在不受β亚基限制的情况下磷酸化转录因子。
多种调节因子控制着KIN10的核定位。胁迫诱导产生的过氧化氢（H2O2）通过破坏KIN10与KINβ2的相互作用促进KIN10在细胞核内积累。油菜素内酯信号的负调节因子BIN2在六个不同残基上磷酸化KINβ2，抑制其膜结合能力。脱落酸（Abscisic acid, ABA）处理会触发KIN10从细胞核输出，导致细胞质中雷帕霉素靶蛋白激酶的抑制。海藻糖-6-磷酸合酶直接限制KIN10的核定位和激酶活性。核孔组分HOS1介导黑暗诱导的KIN10核易位。
这种胁迫触发的SnRK1核积累现象在作物中是保守的。在水稻中，早期种子吸胀时的糖饥饿驱动OsSnRK1A定位至细胞核。在玉米中，细胞壁相关激酶ZmWAK直接磷酸化ZmSnRK1α2，破坏其与ZmSnRK1β1的相互作用并触发核易位。
磷酸化在调节SnRK1活性中也起着关键作用。催化亚基KIN10包含一个保守的T环磷酸化位点（Thr175），SnRK1激活激酶1（SnRK1-activating kinase 1, SnAK1）和SnAK2催化该位点的磷酸化。ABA信号抑制2C型蛋白磷酸酶以激活SnRK1，解除对Thr175的去磷酸化。此外，线粒体中细胞色素c缺乏引起的能量胁迫会增强Thr175磷酸化。在豆科植物中，受体激酶DMI2直接磷酸化MtSnRK1α4上相应的Thr175残基，这对根瘤形成至关重要。各种糖磷酸盐调节Thr175磷酸化，其中海藻糖-6-磷酸通过直接结合KIN10并阻断其与SnAK1/2的相互作用来抑制其催化活性。
植物还通过调节复合物亚基的丰度来调节SnRK1活性。KIN10蛋白丰度根据植物营养状态动态调节。在缺氮条件下KIN10积累，但在重新供氮后迅速降解。E3 SUMO连接酶SIZ1催化SnRK1复合物的SUMO化并促进活性KIN10通过26S蛋白酶体降解。E3泛素连接酶HOS1直接泛素化KIN10。在小麦中，干旱诱导的TaCEP15肽与受体TaCEPRL结合触发TaSnRK1α的降解。在水稻中，E2泛素结合酶OsUBC12促进OsSnRK1.1降解以限制冷条件下的种子萌发。
为了监测植物体内动态和组织特异性的SnRK1活性，研究人员开发了报告系统。将包含SnRK1特异性磷酸化位点的短肽与绿色荧光蛋白融合。SPARK技术也被用于植物中，内源SnRK1磷酸化触发相分离并形成可见的凝聚物，从而标记特定组织中的SnRK1活性。
3. SnRK1作为能量胁迫下的中枢代谢调节因子
在延长黑暗或低氧等条件下，植物会面临能量胁迫。SnRK1通过两种机制协调下游反应：直接磷酸化改变代谢酶活性，以及催化亚基转移至细胞核磷酸化转录因子，引发转录重编程以优化资源利用。
当碳储备耗尽时，SnRK1通过多种机制维持碳水化合物可用性。它直接磷酸化并抑制蔗糖磷酸合酶，并通过bZIP转录因子抑制蔗糖转运蛋白基因SUC1的表达。SnRK1还调节糖异生，磷酸化果糖-2,6-二磷酸酶以促进14-3-3蛋白结合并抑制其活性，从而降低果糖-2,6-二磷酸水平，解除对胞质果糖-1,6-二磷酸酶的变构抑制，维持糖异生中间体池。此外，SnRK1转录激活淀粉降解基因，如β-淀粉酶9（β-AMYLASE 9, BAM9）。
在能量受限条件下，SnRK1抑制耗碳生物过程以节约碳资源。例如，SnRK1磷酸化3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase, HMGR）降低其酶活性，抑制固醇生物合成。它还通过促进苯丙氨酸解氨酶的泛素化和降解，限制碳流进入木质素合成。
为补偿能量胁迫下的碳水化合物缺乏，植物通过SnRK1增强蛋白质降解和游离氨基酸利用。KIN10促进自噬并直接磷酸化自噬相关蛋白以启动自噬体形成和闭合。SnRK1激活支链氨基酸的分解代谢，转录上调整个代谢级联反应中的关键成分，并通过电子转移黄素蛋白产生乙酰辅酶A以维持线粒体能量供应。
SnRK1还诱导天冬酰胺合酶1的表达以促进天冬酰胺合成，同时诱导阳离子氨基酸转运蛋白CAT6的表达，促进氨基酸输出和器官间分配。在水稻中，黑暗诱导的能量匮乏促进OsSnRK1A进入细胞核，磷酸化组蛋白去甲基化酶JMJ705，降低全基因组H3K27me3水平，从而激活能量动员酶基因的表达。
4. SnRK1抑制氮同化和信号传导
维持碳氮平衡对植物生长至关重要。光照不足耗尽碳储备并激活SnRK1，从而抑制氮代谢。SnRK1磷酸化硝酸还原酶，促进14-3-3蛋白结合并抑制其酶活性，限制硝酸盐向氨基酸的代谢流。
硝酸盐信号依赖于感应器NRT1.1，进而激活钙依赖性蛋白激酶磷酸化NIN-LIKE PROTEIN 7（NLP7）以激活基因表达。SnRK1抑制硝酸盐刺激的生长。KIN10直接磷酸化NLP7，促进其细胞质滞留和降解。氮状态也反向调节SnRK1活性。重新供氮会通过HOS1介导的泛素化触发KIN10的快速降解，从而促进氮诱导的基因表达和侧根发育。
5. SnRK1增强植物对生物和非生物胁迫的抗性
SnRK1在淹水、盐胁迫和高光等非生物胁迫中也发挥作用。KIN10磷酸化翻译起始因子eIFiso4G，增强胁迫响应基因的翻译，提高淹水后存活率。KIN10还磷酸化剪接体蛋白SRRM1L，调节NFYA10 pre-mRNA的选择性剪接，赋予耐盐性。在高光胁迫下，KIN10促进MBW复合物解组装、PAP1降解和TTG1核输出，从而抑制花青素积累。
在作物中，小麦的TaSnRK1α通过磷酸化TaPAP6L-2B促进茉莉酸积累以增强耐冷性。水稻的OsSnRK1A磷酸化OsDSK2a促使其降解，导致Ellongated Uppermost Internode(EUI)积累并降低赤霉素水平以限制生长和增强耐盐性。
在病原体防御中，SnRK1磷酸化双生病毒复制起始蛋白和致病决定因子AL2/C2，赋予广谱病毒抗性。在小麦中，TaSnRK1α提高赤霉病抗性。大麦中SnRK1磷酸化并降解WRKY3改善白粉病抗性。水稻OsUbc13介导的K63连接多聚泛素化增强OsSnRK1A对稻瘟病和白叶枯病的抗性。玉米中ZmSnRK1α2磷酸化并降解ZmWRKY53减少病原体营养供应。
6. SnRK1维持植物干细胞活性并促进器官发生
SnRK1对植物器官发生不可或缺。它维持分生组织活性并促进幼苗建立、气孔形成和开花延迟。SnRK1驱动由储存的三酰甘油和蛋白质进行糖异生以为幼苗生长提供动力。它磷酸化并激活bZIP63以促进细胞质丙酮酸正磷酸双激酶表达进行蛋白质动员，并促进磷酸烯醇丙酮酸羧激酶1表达进行油脂动员。在水稻中，OsSnRK1A促进种子萌发，但冷胁迫通过诱导OsSnRK1.1降解限制此过程。
KIN10在根尖分生组织中定位于细胞核，限制其在细胞质中可抑制根系生长。在能量胁迫下，SnRK1磷酸化E2Fa并触发其降解，从而阻碍主根伸长。相反，SnRK1抑制拟南芥侧根起始和伸长，但突发黑暗激活的SnRK1通过bZIP63诱导ARF19表达促进侧根起始。
SnRK1在气孔性状塑造中发挥作用。KIN10与SPEECHLESS（SPCH）相互作用并磷酸化其N末端残基，增强SPCH稳定性和气孔分化。在保卫细胞中，KIN10磷酸化bZIP30，上调BAM1和AMY3表达，促进淀粉降解和气孔 opening。
SnRK1通过磷酸化转录因子IDD8抑制其活性从而延迟开花。ABA和海藻糖-6-磷酸信号也参与了这一调控过程。在作物中，SnRK1对籽粒发育具有物种特异性影响。在水稻和玉米中，SnRK1负调控籽粒大小和灌浆；而在小麦中，TaSnRK1α1正调控籽粒长度。在豆科植物中，SnRK1被用于共生根瘤发生，MtSnRK1α4的激活增加苹果酸供应以支持根瘤菌。
7. 结论与展望
SnRK1是保守的能量调节因子，具有促进抗逆性和支持生长的双重功能。跨物种比较表明，包括T环磷酸化、核质分配和T6P介导的抑制在内的核心调控层在植物中是保守的，但在特定作物背景下其生理输出存在显著差异。未来的研究应关注SnRK1复合物结构变异及其底物募集特异性，以阐明代谢需求如何驱动不同物种间SnRK1的自然变异，为智能作物设计与改良提供育种目标信息。
