2022年9月8日，植物学领域的国际权威学术期刊The Plant Cell在线发表了中科院分子植物科学卓越创新中心植物分子遗传国家重点实验室王永飞研究组题为“Multiple cyclic nucleotide-gated channels function as ABA-activated Ca²⁺ channels required for ABA-induced stomatal closure in Arabidopsis”的研究论文。该研究发现，由CNGC5、6、9和12等为主要组分的多个CNGC家族成员以功能冗余形式共同组成ABA激活的质膜Ca²⁺通道；该Ca²⁺通道响应ABA刺激，通过调控细胞质Ca²⁺信号的动态而调控气孔的开放和关闭运动。该研究将推动植物学领域深入解析Ca²⁺信号的形成和动态调控机制。

　　Ca²⁺作为信号分子在所有的真核生物中广泛存在，并参与多种重要生物学过程。其中，质膜Ca²⁺通道被认为是负责细胞质Ca²⁺信号产生和编码的主要功能蛋白。但我们对负责上游生物和非生物刺激特异性Ca²⁺信号产生和调控的质膜Ca²⁺通道还所知甚少，从而阻碍我们对Ca²⁺信号形成和动态调控机理的解析和理解。

　　气孔是植物吸收CO₂、释放光合作用产生的氧气和通过蒸腾作用散失水分的主要渠道。植物感知和响应环境刺激，通过调节气孔的开度大小，直接控制植物吸收CO₂和蒸腾水分散失的速率和节奏，对植物的生长发育和耐受逆境胁迫的能力具有重要影响。几十年来的大量研究表明，植物受到干旱胁迫时会导致体内植物激素ABA的积累，ABA可以在短时间内激活气孔保卫细胞质膜Ca²⁺通道，引发胞外Ca²⁺内流，并产生ABA特异性的细胞质Ca²⁺振荡。这种ABA特异性的细胞质Ca²⁺震荡是ABA信号的乘载和传递方式，其进一步通过引起下游反应而驱动气孔的关闭和抑制气孔的开放（图1）。鉴于气孔的重要生物学功能和Ca²⁺信号在气孔运动调控中的重要作用，气孔就成为研究植物细胞内Ca²⁺信号的理想体系。其中，鉴定出ABA激活的气孔保卫细胞质膜Ca²⁺通道及其编码基因就成为解析ABA特异性Ca²⁺信号形成和调控机制的关键突破口，也必将推动植物细胞Ca²⁺信号领域的进展。

　　针对上述科学问题，本研究首先发现，以CNGC2、CNGC5、CNGC6、CNGC9 和CNGC12为主的多个CNGC家族成员在拟南芥气孔保卫细胞中表达，并由此推测多个CNGC成员以功能冗余的方式动态形成气孔保卫细胞质膜Ca²⁺通道，负责Ca²⁺信号的产生和调控。研究团队据此构建了显性抑制（dominant negative）拟南芥转基因株系CNGC6-DN1、CNGC6-DN2和CNGC6-DEL，并在这些株系中观察到了ABA不能有效驱动气孔关闭和抑制光诱导的气孔开放的表型，其离体叶片的失水萎蔫速度明显快于野生型。

　　为了明确主效CNGC基因，研究团队进一步构建了功能敲除的双突变体cngc5/6、三突变体cngc5/6/9和四突变体cngc5/6/9/12，并在四突变体基础上构建了多个功能回复株系。研究发现，只有四突变体cngc5/6/9/12具有类似于显性抑制转基因植株的表型，即其离体叶片失水萎蔫更快，气孔无法在ABA诱导下有效关闭等；同时这四个CNGC基因的任何一个在四突变体背景下的回复表达都可以有效回复叶片失水和气孔运动表型（图2）。研究团队进一步利用电生理技术和活体细胞的Ca²⁺信号实时捡测等技术分析证实，CNGC5、6、9和12共同组成一类ABA激活的质膜Ca²⁺通道，这四个CNGC的功能缺失导致气孔保卫细胞质Ca²⁺信号的紊乱，从而抑制ABA对气孔的调控作用。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心助理研究员谭艳秋博士及在读博士研究生杨阳同学为该论文的共同第一作者，王永飞研究员为本论文的通讯作者。本研究得到了中国科学院先导专项和国家自然科学基金等项目的资助。

　　论文链接：https://doi.org/10.1093/plcell/koac274

图1. 质膜Ca²⁺通道和细胞质Ca²⁺信号是ABA信号网络中的关键功能组分（Kong, et al, 2020）

图2. CNGC5、6、9和12是ABA诱导气孔关闭所必须的功能蛋白