Nature Commun. | 植株应对氮缺乏的“新武器”——可移动多肽CEPDL2

氮（N）是植物必需的大量元素之一。土壤中的硝酸盐是植物摄取N元素的主要来源。受土壤类型、气候条件等各种因素的影响，土壤中可利用的硝酸盐在植物根际空间上的分布不均一，时间上的分布也往往有起伏。而植物可通过外界可利用硝酸盐的水平、自身的N状态等因素协调根系对N的吸收效率以满足其生长和发育的需要。在该研究领域，日本古屋大学的Yoshikatsu Matsubayashi （松林嘉克）教授团队做出了一些重要的发现，例如：小肽激素CEP 及其受体CEPR、茎-根系的可移动多肽CEPD1/2等组分在拟南芥应对外界N缺乏过程中具有不可或缺的作用。相关成果分别发表在2014年的Science 和2017年的Nature Plants上（图1）【1, 2】。

图1. Matsubayashi教授团队已发表N吸收相关代表作

上述发现的主要内容可以简要概括如下：外源N缺乏会诱导根系产生15个氨基酸的多肽激素CEP（图2-I），并通过木质部被运输到茎中，随后被LRR受体激酶CEPR1识别（图2-II），诱导合成新的约100个氨基酸大小的多肽CEPD1和CEPD2（图2-III），它们可通过韧皮部被运输至根系中（图2-IV），大幅度诱导负责硝酸盐吸收与转运相关的蛋白质的高丰度表达（图2-V），从而提高植物吸收硝酸盐的效率，满足植物生长发育的需要。

图2. 小肽CEP、受体CEPR1及可移动多肽CEPD1介导的植物系统获取N的模式图

在以上发现的基础上，该团队近期又发现CEPD1/2的同源基因CEPDL2也在地上部分感知N缺乏后驱动根系提高N吸收能力这一过程中具有重要功能。相关成果以题为Shoot-to-root mobile CEPD-like 2 integrates shoot nitrogen status to systemically regulate nitrate uptake in Arabidopsis 的论文发表在Nature Communications 上。

该研究发现CEPD1/2存在同源蛋白CEPD-like 1/2 （CEPDL1/2）。研究人员为验证这两个蛋白是否参与调控N的吸收，分别获得了超量表达株系CEPDL1ox和CEPDL2ox，进一步分析表明仅在过表达CEPDL2植株中检测到了硝酸盐吸收相关基因NRT2.1的表达丰度的大幅度增加，这与超表达CEPD1/2的结果类似，表明CEPDL2可能也参与特定条件下对N吸收的调控。

进一步分析表明，CEPDL2在叶片的韧皮部特异表达，而在根系中的表达量非常低；除NRT2.1外，CEPDL2ox植株中NRT1.5，NRT2.2，NRT2.4，NRT3.1等基因的表达量也出现了显著的增加，表明CEPDL2可能同时调控硝酸盐的高亲和吸收和根系向地上部分的转运。

与CEPD1/2不同的是，N缺乏诱导CEPDL2的表达并不依赖地上部分小肽激素CEP的受体CEPR1，表明该基因的上调表达可能是受根系或地上部分N缺乏的直接诱导。为排除根系的干扰，研究人员将地上部分取下直接通过下胚轴进行缺N处理，发现CEPDL2的表达量依然上调，表明该基因是受地上部分N缺乏直接诱导的，并与地上部分的N含量呈一定程度上的负相关关系，与植物自身的生长阶段也有一定的关联。

图3. 三周龄CEPDL2突变体在N充足条件下的生长受到抑制

在N缺乏和充足条件下，敲除CEPDL2均导致植株特定生长阶段的生物量出现显著降低（图3），而在cepd1cepd2双突变体基础上再敲除CEPDL2则进一步抑制了植株的正常生长（图4），与之相对应的是植株N吸收和向地上部分转运相关基因表达量的降低，并最终导致N吸收能力和N含量的下降。

通过对转基因植株中CEPDL2-GFP融合蛋白的检测与嫁接实验发现，与CEPD1/2 一样，CEPDL2也是一个可从茎中迁移到根系中的信号物质。

图4. 17日龄cepd1,2双突变体及cepd1,2 cepdl2三突变体在中等N浓度下的植株大小

结合以前的研究成果，拟南芥应对不同N源的系统调节机制如下（图5）：

1. 当外界硝酸盐充足时，CEP、CEPDL2 和CEPD1/2 路径的活性保持在基本水平，就足以保证根系能够获得足够N以满足地上部分的需求；

2. 当外界硝酸盐处于充足或中等水平而根系吸收的N不能满足地上部分所需时，CEPDL2路径会被激活以促进根系对N的吸收，而CEP和CEPD1/2的活性仍处于基础水平；

3. 当外界硝酸盐极度缺乏时，CEP、CEPDL2 和CEPD1/2 路径的活性均出现了大幅升高。

图5. 拟南芥应对不同N源的系统调节机制

值得注意的是，为适应外界有限的N源，植物地上部分的尺寸会减小，导致叶片韧皮部细胞产生的运输至根系的信号水平出现相应的下降，因此，CEPDL2 和CEPD1/2通路的活性受环境中可利用的N源、植物本身的N状态以及地上与地下部分比例等因素的严谨调控。

参考文献：

1. Tabata, R. et al. Perception of root-derived peptides by shoot LRR-RKs mediates systemic N-demand signaling. Science 346, 343–346 (2014).

2. Ohkubo, Y., Tanaka, M., Tabata, R., Ogawa-Ohnishi, M. & Matsubayashi, Y. Shoot-to-root mobile polypeptides involved in systemic regulation of nitrogen acquisition. Nat. Plants 3, 17029 (2017).

论文链接：

https://www./articles/s41467-020-14440-8