植物质膜H+-ATPase活性“自抑制”状态维持及解除的分子机制

The regulation of plasma membrane H+-ATPase (PM H+-ATPase) activity is very important for plant growth and development and adaptation to stress. Saline-alkali stress can activate plant PM H+-ATPase activity, but under non-stress (normal) conditions, its activity is low and in an "autoinhibition" state. However, "autoinhibition" phenomenon has been discovered nearly 30 years, but its molecules regulatory mechanism is not clear yet. Our preliminary results indicated that a calcium-binding protein SCaBP3 interacts with the C-terminus of PM H+-ATPase AHA2 and inhibits its activity, and that SCaBP3 promotes the molecular interaction between the C-terminus of AHA2 and its intracytoplasmic macrocycles. Further, scabp3 mutant displays a resistant phenotype to saline-alkali stress. We speculate that SCaBP3 plays an important role in the maintaining "autoinhibition" state of PM H+-ATPase activity and the response of saline-alkali stress in plants. Therefore, this application intends to use genetic, physiological, and biochemical methods to further study the molecular mechanism of SCaBP3 involved in the regulation of PM H+-ATPase activity. We attempt to elucidate the molecular mechanism of "autoinhibition" state of PM H+-ATPase activity under normal conditions and the mechanism of release of its "autoinhibition" state under saline-alkali stress.

质膜H+-ATPase活性调节对于植物生长发育以及逆境胁迫适应十分重要。盐碱等逆境可以激活植物质膜H+-ATPase的活性，但是在非胁迫（正常）条件下其活性较低，处于“自抑制”状态。“自抑制”这一现象从发现至今已将近30年，但是其分子调控机制并不清楚。我们初步的实验发现，一个钙结合蛋白SCaBP3能够与质膜H+-ATPase AHA2 C端相互作用并抑制其活性，并且SCaBP3能够促进AHA2自身C端与胞质内大环的互作，同时，scabp3突变体具有耐受盐碱胁迫的表型。我们推测SCaBP3在植物质膜H+-ATPase活性“自抑制”状态的维持及盐碱胁迫响应中起了重要的作用。因此，本项目拟通过遗传、生理和生化等手段深入研究SCaBP3参与的质膜H+-ATPase活性调控的分子机制，阐明正常条件下质膜H+-ATPase活性“自抑制”状态维持的分子机制，以及盐碱胁迫下其“自抑制”状态解除的分子机制。

盐碱等逆境胁迫是限制植物生长和作物产量的主要因素之一。质膜H+-ATPase作为细胞内重要的初级转运体，不仅为植物生长发育过程中各种生命活动提供了基本的能量保障，同时它们也是植物非生物逆境胁迫应答过程中重要的调控因子。其活性调控在植物生长发育以及逆境胁迫适应过程中都起着十分重要的作用。但是在本项目立项之初，其“自抑制”状态维持的分子调控机制并不清楚。我们以前的研究也发现，在正常条件下，拟南芥质膜H+-ATPase活性维持在较低的水平，盐或盐碱处理下其活性显著升高（Yang et al., 2010；Han et al., 2017），表明盐/盐碱处理能解除或部分解除其“自抑制”状态。因此，解析正常条件下质膜H+-ATPase活性“自抑制”状态维持及盐碱等逆境胁迫条件下“自抑制”状态解除的分子机制，可以加深人们对植物质膜H+-ATPase活性调控机理的认识，并且为通过分子改良提高植物的抗逆性提供重要的理论基础。本项目利用生物化学、分子生物学和遗传学手段揭示了Ca2+蛋白传感器SCaBP3一方面通过与质膜H+-ATPase AHA2 C末端RI结构域的互作，促进了AHA2 C末端与AHA2中央环区的分子内互作，从而促进H+-ATPase活性的“自抑制”；另一方面，SCaBP3与PKS5激酶直接互作，稳定PKS5与H+-ATPase的互作，进而促进PKS5对H+-ATPase活性的磷酸化抑制作用。SCaBP3/CBL7功能缺失植株对碱胁迫的耐受性增强，这与质膜H+-ATPase的活性增加相关。互作分析，体内重组和质膜H+-ATPase活性测定结果都与遗传结果相一致。并且，烟草和酵母重组实验也表明，SCaBP3可以通过增强H+-ATPase AHA2自身分子内和AHA2与PKS5的分子间互作， 进而保持正常条件下质膜H+-ATPase的活性的“自抑制”作用。在碱胁迫下，植物细胞内升高的钙信号被蛋白传感器SCaBP3识别，SCaBP3与AHA2解离，以增强质膜H+-ATPase的活性。综上所述，本项目的深入开展，揭示了一种Ca2+传感器/激酶/质膜H+-ATPase信号模块，其作为拟南芥耐碱性的中心组分，可实现胁迫响应调整和质膜质子通量的精确调控。相关研究成果发表在国际知名学术期刊The Plant Cell (Yang et al.,2019)上。并且入选高被引论文。