钙离子(Ca2+)是植物细胞内重要的第二信使。由植物细胞表面模式识别受体激活的PTI免疫反应和植物细胞内NLR蛋白激活的ETI免疫反应都引起明显的Ca2+内流，从而启动细胞内钙信号转导。在植物中，钙依赖蛋白激酶calcium-dependent protein kinases (CPKs/CDPKs)包含羧基端的Ca2+结合基序和氨基端的激酶结构域。因此，CPKs既是Ca2+感受器，也是Ca2+解码器，通过其钙依赖激酶活性磷酸化底物，激活抗病反应。所以，揭示CPKs在水稻稻瘟病抗性中的功能对于提高水稻抗病育种具有重要的理论意义和实践价值。
近日，77779193永利官网唐定中教授团队在《美国科学院院刊》PNAS上发表题为“Loss of calcium-dependent protein kinases OsCPK5 and OsCPK13 leads to NLR-dependent resistance in rice”（水稻钙依赖蛋白激酶OsCPK5和OsCPK13的缺失导致NLR依赖的抗性）的研究论文。该研究揭示水稻钙依赖蛋白激酶OsCPK5和OsCPK13具有Ca2+和病原菌诱导的激酶活性，正调控稻瘟病抗性。并且，OsCPK5和OsCPK13均与NLR蛋白OsCARP1 (OsCPK5/13-ASSOCIATING RESISTENCE PROTEIN 1)互作，二者同时缺失激活OsCARP1介导稻瘟病抗性。
唐定中教授团队早期的研究揭示拟南芥AtCPK5与非典型NLR抗病蛋白TIR-NBS 2 (TN2)协作，在植物PTI和ETI信号中发挥关键作用(Liu et al., 2017; liu et al., 2024)。但是，水稻CPKs如何参与抗病反应还尚不清楚。首先，通过进化树分析和蛋白序列同源性比对，该研究发现水稻钙依赖蛋白激酶OsCPK5和OsCPK13与拟南芥AtCPK5同源关系最近。体外蛋白激酶实验显示OsCPK5和OsCPK13表现出很强的Ca2+依赖的激酶活性。并且，二者的激酶活性在水稻体内也受稻瘟菌侵染的诱导，暗示OsCPK5和OsCPK13在免疫信号转导中具有关键作用。该研究随后构建了oscpk5和oscpk13突变体，发现单突变体表现减弱的稻瘟病抗性，而过表达材料OE-OsCPK5和OE-OsCPK13则表现出增强的抗病表型(图1)，表明OsCPK5和OsCPK13正调控水稻稻瘟病抗性。
图1. OsCPK5和OsCPK13正调控水稻稻瘟病抗性
随后，该研究构建了oscpk5/13双突变体，发现双突变体中早期免疫反应(包括活性氧ROS迸发和胼胝质沉积)均显著降低，并且oscpk5/13双突变体的胼胝质沉积较oscpk5和oscpk13单突变体更少，表明OsCPK5和OsCPK13功能上存在加性效应。该结果与OsCPK5和OsCPK13存在相互作用，且可以相互磷酸化相一致。然而，有趣的是，与oscpk5和oscpk13单突变体不同，oscpk5/13双突变体表现出增强的稻瘟病抗病表型。进一步的研究发现，OsCPK5和OsCPK13与NLR抗病蛋白OsCARP1相互作用，且抑制OsCARP1诱导的烟草细胞死亡。同时，oscpk5/13双突变体增强的抗病表型依赖OsCARP1 (图2)。
图2. NLR抗病蛋白OsCARP1激活oscpk5/13中增强的抗病性
综上所述，该研究揭示水稻钙依赖蛋白激酶OsCPK5和OsCPK13相互协作，正调控水稻稻瘟病抗病，而鉴于二者功能的重要性，水稻进化出NLR抗病蛋白OsCARP1监控OsCPK5和OsCPK13。在OsCPK5和OsCPK13具有功能时，OsCARP1被抑制，而当OsCPK5和OsCPK13同时缺失时，OsCARP1将激活更强烈的ETI抗性，抑制水稻稻瘟病侵染。该研究鉴定到新的NLR抗病蛋白，并且首次揭示CPKs可以被NLR蛋白所监控，为水稻抗病育种提供潜在的基因资源和理论支持。
77779193永利官网植物免疫中心博士后王占春博士为该论文的第一作者，唐定中教授和王伟教授为该论文的共同通讯作者。德国莱布尼茨植物生物化学研究所博士后Anja Liese博士、Justin Lee研究员及Tina Romeis教授为该研究提供了重要的技术支持和帮助。该研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、福建省自然科学基金、中德合作德国研究与发展基金及德国联邦研究与发展基金等项目的资助。