解析钙离子依赖的蛋白激酶在硝态氮信号传导中的分子调控机理

Nitrogen is an essential element for plant growth. For most crops, nitrate is the major nitrogen form. Nitrate is not only a nutrient, but also a signal molecule. Plants are able to sense nitrate, and in response to induce gene expression, modulate root architecture and regulate leaf expansion. However, it is still not clear the molecular mechanisms of nitrate signaling. In our previous study, we found that calcium participates in nitrate signaling. We further identified that Calcium-dependent Protein kinases (CPK) are involved in regulating nitrate signaling. Based on these results, we propose to dissect the molecular mechanism of CPK in nitrate signaling. We will analyze a putative target, NLP7, to identify its phosphorylation sites and explore additional CPK target proteins, and then study the molecular role of these sites in nitrate signaling. Besides, we will resolve the molecular relation between the nitrate sensor, CHL1 and CPK. Moreover, we will elucidate the molecular mechanism of CPK in nitrate-promoted lateral root growth. This study not only can insight into understanding the molecular mechanism of nitrate signaling, but also provides a theoretical basis for enhancing crop yields via improving nitrogen use efficiency in the future.

氮是植物生长的基本元素, 对大部分农作物而言,硝态氮是最主要的的氮素形态。硝态氮除了作为一个重要的营养素, 同时也是個信号分子。植物会感受到硝态氮而调控相关基因表达，调节根的发育和叶片生长。然而，对于植物感受到硝态氮後其硝信号的调控机制至今还不清楚。我们前期研究发现钙离子信号参与了硝态氮的信号传导并进一步发现钙离子依赖的蛋白激酶(CPK)参与其中。在此基础上，我们将深入研究CPK调控硝态氮信号传递的分子机制。首先, 我们将确定CPK靶蛋白NLP7的磷酸化位点及寻找硝态氮信号通路其他下游靶蛋白，并深入探讨这些磷酸化位点在硝态氮信号传导中的作用机理。此外，我们也将明确CPK与硝态氮感受蛋白CHL1的关系。更进一步的, 我们将探讨CPK调控硝态氮诱导侧根生长的分子机制。该研究不只可深入了解硝态氮的信号传导调控机理, 同时对未来增进农作物氮高效利用提供了理论依据。

氮元素的获取与否是决定农作物产量的主要限制因子。硝态氮为主要的氮来源形式，其除了作为一个巨量元素外同时也是个信号传导分子。植物能感受硝态氮而快速诱导基因表达，调控根系发展以及叶片生长。然而，对于植物如何感受硝态氮以及其中的讯号传导物质所知甚少。在此项研究中接续前期研究发现第三亚群钙离子依存蛋白激脢(CPK10,30,32)参与硝态氮信号传导结果，揭露其调控的分子机制是透过磷酸化一个已知参与硝态氮信号传导的转录因子NLP7，借由生物信息分析、体外磷酸化实验以及质谱仪分析的结果更进一步找到第205位点的丝安酸会被CPK10,30,32磷酸化。植物能感受到硝态氮而诱导细胞体内钙离子浓度变化，CPK10,30,32会感受到钙离子变化而磷酸化NLP7进入细胞核内调控基因表达，进而诱导根系发展以及叶片生长。接着，我们利用酵母双杂系统寻找CPK10的互作蛋白以及使用新发展的Ultra Deep Phosphoproteomics 技术分析磷酸化胜汰并比较氯化钾或硝酸钾之间磷酸化变化。我们利用蓝光受体CRY1作为候选蛋白进行研究。研究结果表明CRY1上 第506位点的丝安酸能感受硝态氮磷酸化，并且CRY1参与硝态氮延缓植物开花的功能。这个研究提供了许多首次应用在植物的新技术与工具并为以后提高农作物氮素利用及产量提升提供了理论依据。