山东大学白明义/韩超团队阐明BR调控SnRK1激酶活性介导气孔发育的分子机制

近日，山东大学生命科学学院白明义/韩超团队在Molecular Plant杂志在线发表了题为“Dampened Nuclear Localization of SnRK1 by Brassinosteroid Signaling Inhibits Stomatal Development in Arabidopsis”的研究论文。该研究揭示了油菜素内酯（BR）信号通过精细调控SnRK1复合体在叶表皮细胞的亚细胞定位，在气孔拟分生组织细胞向气孔分化的命运转变过程中发挥的关键调控作用。山东大学生命科学学院博士研究生姚连梅为论文第一作者，山东大学生命科学学院白明义教授与韩超副教授为论文共同通讯作者。

气孔作为植物与外界环境进行气体交换和水分调节的核心结构，其发育过程直接影响植物光合作用效率与水分利用。叶片表皮分生组织细胞通过干细胞自我更新与定向分化，建立精确的气孔分布模式。这一过程对多细胞植物器官建成及环境适应具有重要生物学意义。研究团队前期研究发现，SnRK1复合体激酶亚基KIN10特异性地在气孔拟分生组织细胞（M细胞）核内积累，通过磷酸化气孔发育关键调控因子SPCH增强其蛋白稳定性，进而促进气孔发育（Han et al.,Nat Commun., 2020; Han et al.,New Phytol., 2021; Shi et al.,Nat Commun., 2022）。然而，KIN10在M细胞中特异性核定位的分子调控机制仍待阐明。

为解析KIN10在M细胞中特异细胞核定位对气孔发育的影响，该研究首先创建了不同亚细胞定位模式的KIN10转基因株系，并进行了系统的气孔表型分析。结果显示表达野生型KIN10和细胞核定位的nlsKIN10都能恢复kin10kin11双突变体的气孔发育缺陷，而表达细胞质定位的myrKIN10无功能，表明KIN10的核定位对其调控气孔发育至关重要。基于SnRK1复合体的调控亚基KINβ2调控KIN10亚细胞定位的特性，进一步分析了KINβ2在植物叶表皮细胞的定位模式。结果显示KINβ2在M细胞中呈细胞质分布，而在气孔系细胞（SLGC细胞）中定位在细胞质膜。kinβ2突变体表型出气孔指数增加表型，但在M细胞中特异表达质膜定位的myrKINβ2比表达野生型KINβ2更显著抑制气孔形成，表明KINβ2在M细胞的细胞膜定位对其调控气孔发育的功能具有重要作用。

在此基础上，该研究通过定量分析比较在BR信号转导突变体bri1-116以及bin2-1中M细胞与SLGCs细胞内KINβ2的亚细胞定位。结果发现在bri1-116和bin2-1突变体中，SLGC细胞中KINβ2的细胞膜定位减弱，而BR处理增强SLGCs中KINβ2的细胞膜定位。进一步实验显示BR信号通路的关键负调控因子BIN2与KINβ2相互作用，并磷酸化KINβ2降低其膜定位能力及与KIN10的相互作用强度。遗传学分析显示，BR信号通过BIN2- KINβ2模块调控KIN10的核定位，进而影响气孔发育。

BIN2调节SnRK1复合物的亚细胞定位和气孔发育的工作模型

总之，这些研究揭示了BR信号通路通过精准调控植物能量代谢核心枢纽SnRK1复合体的亚细胞空间分布，在气孔分生组织细胞命运决定及气孔发育进程中发挥核心调控作用。该发现不仅建立了气孔模式形成的新机制模型，更为解析植物发育过程中能量信号与激素信号的整合调控提供了关键理论框架。

山东大学博士研究生刘淑瑞，甘禹鑫，石稳博士，樊敏副教授，比利时鲁汶大学Filip Rolland教授参与了该项研究工作。该工作获国家自然科学基金、山东省良种工程、山东省优秀青年基金、山东省泰山学者青年专家建设经费和山东大学青年交叉创新群体项目资助。