蛋白质激酶在拟南芥根系对磷酸盐饥饿和缺铁反应中的重要性的重新评价

摘要

磷(P)和铁(Fe)是植物生长所必需的矿物质营养素，缺乏这些元素会改变许多发育程序。我们之前的全基因组共表达分析预测，蛋白激酶(PK)在磷酸盐(Pi)缺乏诱导的拟南芥根毛重塑中起着关键作用。在本研究中，我们重新挖掘了RNA-seq数据，分析了PKs在缺磷和缺铁条件下的潜在功能。我们的结果表明，在转录水平上，33个pkk被鉴定为表达改变，在蛋白水平上，18个基因的子集被检测到唯一匹配的多肽。18种相应蛋白质中的一些也被发现参与了对多种非生物胁迫的反应。讨论了PKs在营养胁迫反应中的重要性。

磷(P)是植物代谢产物和大分子的重要组成部分。然而，土壤中的无机磷酸盐(Pi，可被植物吸收的可溶性磷的主要形式)通常含量很低，因此磷是一个生长限制因素。蛋白激酶(Protein kinases, PK)在感知磷素有效性和调节植物的特异性反应中起着重要作用。全基因组共表达分析发现了173个拟南芥根中编码蛋白激酶的pi反应基因[1]。173个PK在pi缺陷条件下进行差异表达，基于MACCU工具箱的共表达分析构建假定的功能模块[2]。最大的子模块PKPP1由21个PK基因(1个PP基因)组成，基因本体分析显示这些基因主要参与根毛的发育和生长。基于208个根表皮核心基因和PKPP1基因的进一步共表达分析，发现46个鱼类基因可能与拟南芥根磷饥饿下的PKs有关[3.]。通过对拟南芥根系PK基因的全基因组水平分析，强调了蛋白激酶在pi反应中的价值，也为逆向遗传方法的进一步研究提供了有用的指导。

铁(Fe)也是阻碍植物生长发育的最常见因素之一，因为它倾向于形成低溶解度的配合物。Lan等人利用iTRAQ分析了铁缺乏诱导的拟南芥根系蛋白质谱的变化[4]。然而，铁缺乏时蛋白质谱的变化与先前报道的转录水平变化不一致。由于从培养基中去除Pi时，铁是植物中积累量最高的金属之一，因此在全基因组水平上分析了拟南芥根中受缺铁和缺磷调控的重叠基因[5，6]。分析表明，拟南芥根中共有579个重叠基因对缺铁和缺磷都有反应。在本研究中，我们重新分析了蛋白质激酶与拟南芥根系磷酸盐/铁稳态的关系，旨在揭示蛋白质激酶在根系响应非生物胁迫调控中的特异性和一般性作用(图1）.

结果与讨论

通过对173个磷反应的PK基因和579个同时对缺铁和缺磷反应的重叠基因进行比较，发现有33个PK基因在缺铁和缺磷条件下均有差异表达。然而，只有一个基因At2g29000，在33个PK基因中，属于由21个PK基因组成的PKPP1子模块[1]。此外，该模块中的基因被认为参与了缺磷条件下根毛的发育和生长过程[1]。此外，对拟南芥根中磷酸盐和钾/硝酸盐数据重叠基因的全基因组调查显示，这21个PK基因在PKPP1模块中没有不同的表达。综上所述，这些结果表明，这21个PK基因在磷饥饿而不是其他营养缺乏下被特异性调控，并且与磷缺乏诱导的根毛重塑有关。

在33个PK基因中，18个同源蛋白在蛋白水平上至少有一个唯一匹配的肽，这表明这些蛋白激酶在响应非生物胁迫时具有生物功能。接下来，在钾/硝态氮处理的拟南芥根芯片数据集中检测这33个重叠PK基因的转录变化。除了一个基因CIPK23 (At1g30270)，是钾转运蛋白AKT1的正调控因子，可直接磷酸化AKT1 [7]，其他32个PK基因在之前的两篇报道中均未在缺钾条件下的根系中检测到，33个PK基因中只有5个在硝酸盐限制条件下的基因表达发生了变化[8-10]。这些结果表明，这33个重叠的PK基因可能主要参与拟南芥根系中Pi和Fe的稳态，磷和铁之间的串扰可能比其他基因更紧密。

综上所述，本研究的重新分析大大缩小了蛋白激酶在根重塑中的后续研究范围，鉴定出可能参与Pi和fe反应的PK基因值得进一步研究。

参考文献

1. Lan P，等。全基因组共表达分析预测蛋白激酶是磷酸盐缺乏诱导的拟南芥根毛重塑的重要调节因子。BMC Genomics, 2013;14:210。
2. 林卫东，等。拟南芥根基因的共表达聚类预测早期磷酸盐缺乏信号的功能模块。植物科学进展。2011;
3. Bruex A，等。拟南芥根表皮细胞分化的基因调控网络。PLoS Genet, 2012;8:e1002446。
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