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低温胁迫严重影响植物生长与发育。为快速感知并有效应对冷害，植物通过钙离子通道（如CNGC、MCA1/2）与钙转运蛋白（如ANN1/4）启动胞质钙（Ca²⁺）信号 (Mori et al., 2018; Liu et al., 2020; Wang et al., 2021)，并由钙依赖的蛋白激酶（如CPK28）等钙传感器解码以调控下游应答过程 (Ding et al., 2022)。值得注意的是，钙信号的激活需高度瞬时和可控，以避免Ca²⁺ 过载对细胞造成毒性。因此，钙离子通道活性的精细调控对植物响应低温胁迫至关重要。然而，目前对植物在低温下如何动态调节钙离子通道活性的机制仍知之甚少。

近日，我院丁杨林/杨淑华团队在Developmental Cell在线发表题为“Coordinated control of calcium signaling by CPK3 and CaM2 via CNGCs in response to cold stress in Arabidopsis”的研究论文，揭示了CPK3-CNGC-CaM2模块在低温诱导钙信号中的核心调控作用。

  研究发现，CNGC5与CNGC6在植物低温诱导的钙信号中发挥关键作用，其活性受到CPK3和CaM2的双重调控：CPK3能被低温胁迫快速激活，进而激活CNGC5/6引发Ca²⁺ 内流；随后，Ca²⁺-CaM2负向调控CNGC通道活性，终止信号传导，从而维持胞质Ca²⁺ 浓度稳态（图1）。值得一提的是，研究通过改进低温处理方法，模拟自然降温过程，更细致地捕捉到了植物响应低温胁迫时的钙信号动态。

   综上，该研究通过整合分子生物学、电生理学及生物化学等多学科技术手段，系统探究了低温胁迫环境下植物如何通过一系列精密的调控机制动态调控钙信号的分子机理，为揭示植物抗寒分子机制、培育耐低温作物品种提供了重要的理论依据和潜在靶点。

图1. CPK3-CNGC-CaM模块调控植物低温诱导的钙信号的分子模型

该研究由中国农业大学植物抗逆高效全国重点实验室完成。明宇航博士和彭悦博士为共同第一作者，丁杨林教授为通讯作者。刘强波博士、傅迪毅博士、王西博士、博士研究生林启红、游鹏及张晓燕副教授参与了该项研究工作。该研究得到了杨淑华教授、巩志忠教授、王毅教授、宋文教授的大力支持和指导。研究得到了国家自然科学基金、拼多多-中国农业大学科研基金等项目的经费支持。

参考文献

Ding, Y.L., Yang, H., Wu, S.F., Fu, D.Y., Li, M.Z., Gong, Z.Z., and Yang, S.H. (2022). CPK28-NLP7 module integrates cold-induced Ca²⁺ signal and transcriptional reprogramming in Arabidopsis. Science Advances 8, eabn7901.

Liu, Q.B., Ding, Y.L., Shi, Y.T., Ma, L., Wang, Y., Song, C.P., Wilkins, K.A., Davies, J.M., Knight, H., Knight, M.R., Gong, Z.Z., Guo, Y., and Yang, S.H. (2020). The calcium transporter ANNEXIN1 mediates cold-induced calcium signaling and freezing tolerance in plants. EMBO J. 40, e104559.

Mori, K., Renhu, N., Naito, M., Nakamura, A., Shiba, H., Yamamoto, T., Suzaki, T., Iida, H., and Miura, K. (2018). Ca²⁺-permeable mechanosensitive channels MCA1 and MCA2 mediate cold-induced cytosolic Ca²⁺ increase and cold tolerance in Arabidopsis. Sci. Rep. 8, 550.

Wang, J., Ren, Y., Liu, X., Luo, S., Zhang, X., Liu, X., Lin, Q., Zhu, S., Wan, H., Yang, Y., Zhang, Y., Lei, B., Zhou, C., Pan, T., Wang, Y., Wu, M., Jing, R., Xu, Y., Han, M., Wu, F., Lei, C., Guo, X., Cheng, Z., Zheng, X., Wang, Y., Zhao, Z., Jiang, L., Zhang, X., Wang, Y.F., Wang, H., and Wan, J. (2021). Transcriptional activation and phosphorylation of OsCNGC9 confer enhanced chilling tolerance in rice. Mol. Plant 14, 315-329.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.06.020