2024年2月3日，《植物细胞》期刊（The Plant Cell）在线发表了太阳集团tcy8722唐定中教授课题组题为CAMTA3 repressor destabilization triggers TIR-domain protein TN2-mediated autoimmunity in the Arabidopsis exo70B1 mutant（拟南芥CAMTA3的不稳定激活了TN2介导的exo70B1的自发免疫）的研究论文。该项研究深入揭示了钙依赖蛋白激酶CPK5通过磷酸化CAMTA3第964位丝氨酸导致其蛋白积累减少，从而减弱其对下游抗性相关基因转录抑制作用的新机制。
受病原菌侵染时，植物细胞内钙离子浓度会快速上升，钙信号作为第二信使是植物免疫反应早期重要信号之一。植物钙依赖蛋白激酶CDPKs/CPKs（Calcium-dependent Protein Kinases）可以感知胞内钙信号变化，变为激活状态，通过磷酸化特定底物传递信号到下游，在植物免疫中发挥重要作用。实验室前期研究发现拟南芥钙依赖蛋白激酶CPK5与非典型NLR蛋白TN2（TIR-NBS2）相互作用稳定其活性状态，参与调控胞吐复合体成员EXO70B1突变导致的自发免疫(Zhao et al., 2015; Liu et al., 2017)。但是CPK5-TN2互作如何传递免疫信号到下游激活抗性并不是很清楚。
钙调素结合转录因子CAMTAs可以与钙调素（CaM）结合，感知细胞内钙离子浓度变化，是另一类重要的钙信号传递者，在植物响应多种信号途径中发挥重要作用。在拟南芥中存在6个CAMTA蛋白成员，其中CAMTA3可以直接结合多个重要免疫因子的启动子，例如：EDS1、SARD1、CBP60g等，负调控其基因表达参与植物抗病。CAMTA3功能缺失突变camta3引起自发免疫激活表型，而其功能获得突变camta3-3D造成感病增强表型 (Du et al. 2009; Nie et al. 2012)。尽管CAMTA3参与调控植物免疫已有一些报道，但其本身蛋白的分子调控机制并不清楚，有待进一步研究。
唐定中教授课题组通过全蛋白质组质谱比较了野生型Col-0与突变体cpk5蛋白磷酸化差异，发现CAMTA3 S964位点的磷酸化发生了改变，暗示CAMTA3可能作为CPK5的底物参与CPK5介导的免疫反应。该研究首先通过体内体外实验证明CPK5磷酸化CAMTA3的S964位点，并且CPK5对CAMTA3的磷酸化导致其蛋白的不稳定（图1）。
图1. CPK5磷酸化CAMTA3 S964位点导致其蛋白不稳定
为进一步阐明CPK5磷酸化CAMTA3的意义，作者通过遗传学表型分析发现CPK5过量表达（CPK5-OE）激活的细胞死亡和增强的白粉菌抗性以及相关抗性基因的上调都被CAMTA3功能获得突变camta3-3D所抑制（图2）。exo70B1表现出和CPK5-OE类似的表型，为了研究CAMTA3在此途径中的功能，作者还将camta3-3D突变引入exo70B1背景下，同样camta3-3D也影响exo70B1介导的细胞死亡以及增强的白粉菌抗性。说明CAMTA3在CPK5-TN2-exo70B1激活的免疫途径中发挥作用。
图2. camta3-3D 突变抑制了CPK5-OE介导的抗性
此外，作者还构建了cpk5-2 camta3-1双突变体，通过表型分析发现相对camta3-1单突变体激活的细胞死亡和对白粉菌的抗性，cpk5-2 camta3-1双突变体表现出更少的细胞死亡和更弱的对白粉菌的抗性，同样，PR1, TN2, EDS1等相关基因的表达也呈现出更低水平；但相对cpk5-2单突变体呈现的感病性，cpk5-2 camta3-1双突变体则更抗病。这些结果说明camta3激活的抗性部分依赖CPK5, 或者cpk5-2的感病性是由于保持了CAMTA3抑制的结果。
基于以上结果，作者提出TN2-CPK5-CAMTA3免疫模块参与调控exo70B1介导植物抗性的工作模型（图3）：在正常情况下，TN2与EXO70B1互作检测其状态，此时CPK5处于静息或者未激活状态，当受到病原菌侵染时，病原菌效应因子攻击胞吐运输重要成员EXO70B1，导致其降解。这种降解或者在exo70B1突变体中EXO70B1的缺失，可导致TN2从EXO70B1-TN2复合体中解离，解离的TN2与CPK5相互作用并维持激活的CPK5的活性稳定；激活的CPK5可以磷酸化多个底物成员介导完成下游免疫途径，其中CPK5磷酸化CAMTA3导致其蛋白不稳定，从而解除了其对下游调控基因的抑制作用，引起了下游免疫反应的激活。此项研究进一步解析了TN2-CPK5-exo70B1免疫途径的分子机理，进一步阐明了CAMTA3蛋白水平的调控，为抗病应用提供一定的理论支持。
图3. TN2-CPK5-CAMTA3免疫模块参与调控exo70B1介导的植物抗性的工作模型
该项研究得到国家自然科学基金、太阳集团tcy8722未来技术学院 海峡联合研究院植物免疫研究中心启动经费的资助。太阳集团tcy8722植物免疫研究中心刘娜副教授，德国莱布尼茨植物生物化学研究所Xiyuan Jiang以及太阳集团tcy8722植物免疫研究中心博士生钟桂涛为该论文的共同第一作者，太阳集团tcy8722植物免疫研究中心唐定中教授和德国莱布尼茨植物生物化学研究所Justin Lee, Tina Romeis教授为该论文的共同通讯作者。
论文链接：
https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koae036/7600413