作者：梁朋雪、张娟
水稻是世界上重要的粮食作物，全球气候变化导致的异常低温对水稻生产产生了不利影响，因此培育出对异常温度具有耐受性的新品种是解决这一问题的重要途径。感受低温触发信号网络是改良耐冷性状的重要基础。本研究结果确定了一种冷感知机制，它同时传递冷诱导的蛋白质构象变化，增强激酶活性，并产生Ca2+信号，以促进水稻的耐冷性。
2022年11月7日，中国科学院植物研究所植物分子生理学重点实验室种康院士团队在The EMBO Journal在线发表了题为“Cold-induced calreticulin OsCRT3 conformational changes promote OsCIPK7 binding and temperature sensing in rice”的研究论文。该研究组与中科院物理所翁羽翔课题组及其他合作者利用分子遗传学、生理生化和生物物理学等多学科交叉融合策略，研究发现了一种水稻钙网蛋白OsCRT3（Oryza sativa Calreticulin 3）可以与OsCIPK7（CBL-Interacting Protein Kinase 7）相互作用（图1）。通过互作蛋白构象的变化感知低温物理信号，可以使其转换成细胞内的生化网络信号，这是动植物中首次报道的通过蛋白构象改变来感知温度变化并产生防御反应的研究。
图1 水稻OsCRT3-OsCIPK7-OsCBL7/8对低温响应的工作模型
该研究前期发现水稻OsCRT3是位于染色体1上的单拷贝基因，编码一个已知的钙调蛋白同源基因。为了从遗传学上分析OsCRT3的功能，作者获得了OsCRT3 -1 T-DNA插入突变体。分子遗传实验结果显示OsCRT3的T-DNA插入突变体oscrt3-1低温耐受性降低，而超表达株系低温耐受性增强，表明OsCRT3正调控水稻低温耐受性。钙网蛋白OsCRT3定位于内质网，调控低温下细胞质的钙离子信号，在oscrt3-1中，静息状态下的胞质钙离子浓度低于野生型，低温刺激下钙离子浓度的上升幅度也低于野生型。
图2 OsCRT3与OsCIPK7相互作用
作者首先以OsCRT3为诱饵的酵母双杂交试验确定了15个潜在的相互作用蛋白，包括一个假定的钙调神经磷酸酶b样蛋白相互作用蛋白激酶OsCIPK7。再通过Pull-dawn等证实了OsCRT3和OsCIPK7之间的相互作用。而实验结果也显示OsCIPK7与钙调神经磷酸酶b样蛋白OsCBL7/OsCBL8特异性相互作用。FTIR和SPR实验表明OsCIPK7与质膜上的OsCBL7/OsCBL8相互作用，而OsCRT3减弱了OsCIPK7与OsCBL7/OsCBL8的相互作用（图2）。
图3 OsCRT3构象变化增强了与OsCIPK7的结合亲和力
FTIR（傅里叶红外变换）数据表明，OsCRT3的二级结构在响应低温时发生变化，改变的OsCRT3-OsCIPK7构像可能感知寒冷以促进耐受性。SPR（表面等离子共振）实验数据显示低温下OsCRT3和OsCIPK7两种蛋白的特异互作增强。数据表明，改变OsCRT3-OsCIPK7的二级结构增强了它们的物理相互作用，从而激活了OsCIPK7激酶的活性，以应对寒冷。在低温下内质网定位的OsCRT3调控细胞质Ca2+浓度上升，随后，OsCBL7/OsCBL8感知Ca2+信号，并专门与质膜上的OsCIPK7相互作用，激活下游的信号转导途径，从而提高了水稻耐寒性（图3）。综上所述，该研究首次发现了一种温度感知新机制，它通过蛋白质构象变化来感知温度信号，并能够将信号传递到下游，以引发相应的反应。为水稻抵御耐寒性提供了良好的理论基础，也为育种策略提供了重要的见解，具有重要的意义。
中国科学院植物研究所种康院士课题组的博士后郭晓玉博士和张大健博士为该论文的共同第一作者，种康院士为该论文的通讯作者，中科院物理所的翁羽翔研究员、德国明斯特大学的Jörg Kudla教授、中国农业大学的任东涛教授等人该项研究的合作者。该工作得到了NSFC基础科学中心项目、科技部重点研发计划、中国博士后科学基金和中科院特别研究助理资助项目等项目的资助
原文链接：https://doi.org/10.15252/embj.2021110518
