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  植物已进化出精密机制以适应环境变化，其中根向重力性在营养与水分获取中起关键作用。

  9月23日，我院张静和南京农业大学张群共同通讯在PNAS（IF=9.4）在线发表题为“Antagonistic SnRK2 and PID kinases' action on auxin transport–mediated root gravitropism”的研究论文。该研究揭示SnRK2激酶（SnRK2.2与SnRK2.3）通过直接磷酸化生长素转运蛋白PIN2第259位丝氨酸（S259），成为根向重力性的核心调控因子。

  作者证明SnRK2介导的磷酸化同时调节PIN2的极性定位与转运活性。重要的是，SnRK2与AGCVIII激酶PID形成拮抗关系——后者通过磷酸化PIN2不同位点（S258）发挥作用，由此建立的调控平衡对根系适应性生长至关重要。结构模拟与磷酸化实验进一步表明，SnRK2介导的S259磷酸化会空间阻碍PID对S258的接近，为二者的拮抗关系提供了机制依据。这些发现揭示了一种新型调控机制，植物通过该机制精确调控根系发育程序以适应环境刺激，凸显了多层激酶介导的调控在植物适应性进化中的重要意义。

   植物已进化出复杂机制以应对环境因素的波动。根系向重力性反应是其关键适应机制之一，使根系能够深入土壤以获取必需的水分和营养。根系向重力性由生长素极性运输介导，该过程通过PIN-FORMED（PIN）输出蛋白实现。尽管磷酸化修饰可调控PIN蛋白功能，但所涉及的激酶及其作用机制尚未完全阐明，提示目前已知的调控组分可能仅为其中部分。

   通过筛选拟南芥激酶缺陷突变体，作者发现蔗糖非发酵-1（SNF1）相关蛋白激酶2（SnRK2）的双突变体（snrk2.2 snrk2.3、snrk2.2 snrk2.6及snrk2.3 snrk2.6）表现出向重力性反应缺陷。SnRK2激酶是脱落酸信号转导通路中已被充分研究的组分，并在根系向水性反应中发挥明确作用。鉴于根系向水性与向重力性反应在机制上存在本质差异，作者进一步探究SnRK2在调控根系向重力性中的特异性功能。

   根系向重力性依赖于生长素的不对称分布。在snrk2.2 snrk2.3突变体中，重力刺激后的生长素重新分布受阻，同时地上部向根系及根系向地上部的生长素运输均减弱。考虑到生长素运输与向重力性反应均由PIN生长素转运蛋白（尤其是PIN2）介导——该蛋白在表皮细胞中呈现顶端（向地上部）定位，而在幼嫩皮层细胞中呈现基部（向根尖）极化——作者检测了突变体中PIN2的分布。值得注意的是，snrk2.2 snrk2.3根系中皮层细胞的PIN2基部定位与表皮细胞的顶端定位均显著减少。这些结果表明SnRK2为PIN2极性定位所必需，进而调控生长素运输及生长素分布驱动的根系向重力性。

SnRK2s与PID活性相互作用并抑制其活性（图片源自PNAS）

为验证SnRK2是否直接与PIN2互作，作者在共表达SnRK2.2/2.3-GFP与Flag标签标记的PIN2亲水环（PIN2HL）的拟南芥原生质体中进行了免疫共沉淀（Co-IP）实验。两种SnRK2均特异性与PIN2HL共沉淀。该互作进一步通过萤火虫荧光素酶互补成像（LCI）及体外Pull-down实验验证。在植物体内，对Super::SnRK2.3-Flag根系进行抗Flag免疫共沉淀产物的液相色谱-串联质谱（LC–MS/MS）分析鉴定出PIN2多肽，证实SnRK2在体外及体内均与PIN2发生物理结合。

鉴于PIN蛋白极性受激酶介导的磷酸化调控，作者检测了PIN2是否为SnRK2的作用底物。体外磷酸化实验显示SnRK2.2/2.3具有自磷酸化活性，并可高效磷酸化PIN2HL。凝胶内激酶实验证实SnRK2在正常生长条件下具有激酶活性。LC–MS/MS分析鉴定出四个潜在磷酸化位点（S210/S259/S331/S409），作者将其突变为不可磷酸化的丙氨酸残基：S259A、S210A/S331A/S409A（S3A）或S210A/S259A/S331A/S409A。GST-PIN2HLS259A与GST-PIN2HLS4A的磷酸化水平显著降低，表明S259为主要作用位点。值得注意的是，与PIN2S259S相比，PIN2S259A在pin2突变体中加剧了根系向重力性缺陷表型，并损害了皮层细胞的基部定位。结合其表皮细胞顶端极性定位的紊乱，这些结果证明S259磷酸化对于PIN2正确极性定位及其功能至关重要。

为探究SnRK2是否直接激活PIN2介导的生长素外排，作者在非洲爪蟾卵母细胞及烟草BY-2细胞中进行了运输实验。单独表达PIN2未显示生长素外排活性，而与SnRK2.2/2.3共表达可显著增强卵母细胞中的运输活性。该激活作用同时依赖激酶活性与PIN2磷酸化，因为激酶失活的SnRK2与野生型PIN2组合，或野生型SnRK2与磷酸化缺陷的PIN2S259A组合，均无法促进生长素外排。与此一致，共表达PIN2与SnRK2.2/2.3的BY-2细胞中³H-IAA积累量减少。综上，SnRK2可作为PIN2介导的生长素外排激活因子发挥作用。

原文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2512274122