类受体蛋白激酶GHR1介导气孔运动的分子机理

Stomatal movement is regulated by complex molecular mechanisms. Studying the regulation mechanism of stomatal movement will have a significant impact on improving plant drought stress and breeding drought tolerant crops. The plasma membrane localized receptor-like protein kinase GHR1 belongs to the non-RD protein kinase with low activity, which is able to phosphorylate the slow-type anion channel protein SLAC1, but is inhibited by a clade A type PP2C ABI2. GHR1 works downstream of H2O2 and upstream of Ca2+ to modulate stomatal movement. In darkness, ghr1 mutant has bigger stomatal apertures than the wild type, suggesting that GHR1 is also involved in light regulated stomatal movement. Our previous studies identified three receptor-like protein kinases, two cytosolic protein kinases, one H+-ATPase and one CNGC calcium channel protein that interacts with GHR1 in different assays. Our preliminary data indicate that these proteins likely work together with GHR1 to modulate stomatal movement. Further analyzing the biological functions of these proteins and their connections with GHR1 will provide us more information about how GHR1 perceives and transduces the extracellular signals and what molecular mechanisms of GHR1 to regulate stomatal movement.

气孔运动受复杂的分子机制调控。研究气孔运动的调控机理，对改善植物抗旱性、培育抗旱新品种有重要理论意义。定位于质膜上的类受体激酶GHR1，属于non-RD类激酶，具有较弱的激酶活性，可以直接磷酸化慢性阴离子通道SALC1，但可以被ABA信号途径中的负调控因子A类PP2C中的ABI2抑制；同时发现，GHR1位于胞外H2O2的下游，而位于钙离子的上游，参与气孔运动的调控。ghr1突变体在暗下气孔开度较野生型的大，说明GHR1也参与了光调控的气孔运动。前期研究发现了三个与GHR1互作的类受体激酶，两个胞质激酶蛋白以及一个H+-APTase和一个CNGC钙离子通道蛋白。初步试验表明，这些蛋白可能和GHR1一起，共同调控气孔运动。对这些蛋白的功能解析、以及它们与GHR1相互关系的分析，会帮助我们进一步明确类受体蛋白激酶GHR1如何传递胞外信号、介导气孔运动的分子机理。

本项目以实验室早期克隆的编码类受体激酶GHR1基因为基础，开展研究。先期的研究初步发现GHR1蛋白与多个蛋白存在互作关系。进一步的遗传研究发现，GHR1主要参与调控保卫细胞质膜上的阴离子通道SLAC1的活性，并且与BAK1在同一通路上。但BAK1在调控气孔运动中，还直接磷酸化并激活质膜上质子泵H+-ATPase AHA2，促进胞质碱化等过程，促进气孔关闭，这与传统上已知的AHA2促进光诱导的气孔开放不同。虽然BAK1和另一个重要ABA信号通路激酶OST1都促进气孔关闭，但BAK1能磷酸化并抑制OST1的活性，这也纠正了过去已发表的、两者的活性叠加、促进气孔关闭的结论；对另一个初步鉴定的GHR1的可能互作激酶RAF22研究发现，两者没有直接的物理互作，但该基因突变后，气孔运动对干旱和ABA敏感，有明显的抗旱表型；进一步研究表明，RAF22和ABI1可以通过磷酸化和去磷酸化，在正常的生长条件下，可以相互促进彼此的活性，从而维持植物的生长；而在干旱下，被ABA激活的OST1，可以磷酸化RAF22第81位的丝氨酸，从而抑制其活性，使植物能够更有效地平衡生长发育与抗旱的关系。我们也对另一个GHR1可能互作的两个类受体激酶LRR1和KIN7进行了功能解析，解释了干旱下PUB11泛素连接酶调控LRR1/KIN7降解的分子机制。