调节植物气孔开闭通道蛋白SLAC1的分子机制

In plants, stoma is the essential passage for gas and water exchange with the environment. Stomatal opening and closure are closely related to the physiological processes like photosynthesis, respiration, transpiration and so on. It is also involved in the normal growth and development and resistance to stress-conditions. The anion channel on the guard cells which form the stoma, SLAC1, plays an essential role in regulating the opening and closure of stoma. Phosphorylation of SLAC1 by OST1 or CPKs leads to the opening of SLAC1, release of the anions and the depolarization of the cell membrane, which opens the outward-rectifying potassium channels. As a result of water and ion efflux, the stoma is closed. While SLAC1 plays such an important role in stoma regulation, up till now, its structural information is still missing. In this project, we plan to focus on the structural studies, in combination with biochemical and biophysical techniques, to reveal the architecture of SLAC1 and its regulation by phosphorylation. Based on these results, we hope to provide a framework to further understand the molecular mechanism of SLAC1 in stomatal movements of plants.

气孔是植物与外界环境进行水气交换的重要门户与通道。气孔的开闭运动与植物的光合作用、呼吸作用和蒸腾作用等生理过程密切相关，会影响植物正常的生长发育和抗逆反应。位于保卫细胞上的阴离子通道SLAC1蛋白在气孔的开闭运动中发挥着重要作用。SLAC1蛋白被磷酸激酶OST1或CPKs磷酸化后，会导致通道的打开，释放出阴离子，从而引起膜的去极化。之后外向整流钾离子通道打开，水与离子大量外流，进而引起气孔关闭。到目前为止，植物SLAC1蛋白仍缺乏详细的三维结构信息，限制了我们对气孔运动分子机制的理解。因此，我们计划利用结构生物学、生物化学和生物物理等手段，揭示植物SLAC1蛋白的结构以及其受磷酸化调控的分子机制。以此为基础进一步探究SLAC1在植物气孔开闭中发挥的作用。

气孔是植物与外界环境进行水气交换的重要门户与通道，帮助植物感应多种外界环境信号如温度、光照、水分以及二氧化碳浓度、臭氧等，从而使植物适应外界环境。此外，气孔也是病原微生物的入侵通道，参与植物的免疫应答。气孔的开闭运动与植物的光合作用、呼吸作用、蒸腾作用以及对水分的利用密切相关，更会影响植物正常的生长发育以及形态特征。因此，对于植物气孔感知外界信号机制的理解对于抗旱、粮食产量有着重要意义。位于气孔细胞的缓慢型阴离子通道SLAC1蛋白主要介导胁迫诱导的阴离子外排，从而在气孔关闭中发挥关键作用。已有研究表明，SLAC1胞内的N端和C端结构域有多个磷酸化位点，可受多种激酶磷酸化激活，而具体的激活机制尚不清楚。本项目针对拟南芥中气孔开闭相关阴离子通道SLAC1蛋白进行研究，成功解析了拟南芥SLAC1（S59A）处于关闭状态的2.7Å分辨率的结构。与之前已有的细菌同源物HiTehA和二穗短柄草中的SLAC1结构相比，这个结构首次展示出了N端和C端组成的胞质结构域，形成了一个塞子状结构堵住了阴离子通道孔，并与跨膜结构域（TMD）相互作用。同时借助电生理实验手段，发现破坏胞内塞子和跨膜结构域之间的相互作用会触发SLAC1的激活。结合结构和电生理信息，我们提出了蛋白激酶激活SLAC1的分子机制——inhibition-release模型：SLAC1的N端和C端磷酸化导致胞质结构域的结构重排，引发其与跨膜结构域的分离，使得塞子结构释放从而解除对阴离子孔的抑制。此外，胞质结构域的释放还导致跨膜结构的重排，使孔道膨胀，允许阴离子通过。该项研究为我们进一步理解SLAC1通道激活机制和植物气孔开闭的分子机理奠定了重要基础。