玉米作為全球廣泛種植的重要糧食作物，其產量受到諸多環境因素的顯著影響，其中干旱是最為關鍵的制約因素之一。相關研究表明，在關鍵生育期遭遇中度干旱，玉米產量可能會降低20%-40%，而重度干旱情況下，減產幅度甚至可能超過50%。干旱對玉米產量的負面影響不僅關乎農民的經濟收益，更對全球糧食安全構成嚴峻挑戰 (Yang et al., 2023, Gong et al., 2020)。深入了解干旱對玉米產量的影響機制，對于制定科學有效的抗旱栽培措施、保障玉米穩定高產具有重要意義。

近日，中國農業大學植物抗逆高效全國重點實驗室/河北大學生命科學學院鞏志忠教授課題組在PNAS發表了題目為“ZmGCT1/2 negatively regulate drought tolerance in maize by inhibiting ZmSLAC1 to maintain guard cell turgor”的研究論文。該研究發現在正常生長條件下，蛋白激酶ZmGCT1與離子通道ZmSLAC1相互作用，定位在細胞質膜上。ZmGCT1磷酸化ZmSLAC1倒數第二位Thr，抑制ZmSLAC1的離子通道活性, 同時ZmGCT1磷酸化并抑制ZmSnRK2s的激酶活性。在干旱條件下, ABA激活的ZmSnRK2s磷酸化ZmGCT1，降低了ZmGCT1在質膜定位，促使氣孔關閉，以此響應干旱脅迫。

該研究通過篩選玉米轉基因過表達株系，發現編碼RAF(rapidly accelerated fibrosarcoma, RAF) 類蛋白激酶的ZmGCT1（Guard Cell Turgor Maintaining 1) 轉基因過表達株系表現出干旱敏感表型，通過CRISPR/Cas9技術獲得的zmgct1功能缺失突變體表現出耐旱表型。功能獲得性突變體zmgct1-9D對干旱敏感，具有與ZmGCT1過表達株系相似的干旱敏感表型。玉米中ZmGCT2與ZmGCT1最同源，ZmGCT2過表達株系具有干旱敏感表型，zmgct2突變體更加耐旱，表明ZmGCT1/2負調控玉米響應干旱 (圖1)。

圖 1 ZmGCT1磷酸化并抑制ZmSnRK2.10和ZmSLAC1負調控玉米響應干旱脅迫

ZmGCT1與擬南芥中的RAF19/HT1 (high leaf temperature 1) 最同源，HT1是擬南芥中關鍵的CO2響應調控組分 (Hashimoto et al., 2006, Takahashi et al., 2022)。實驗結果表明，ZmGCT1/2負調控ABA誘導的氣孔關閉，zmgct1 zmgct2雙突變體的氣孔在適宜條件下無法正常打開，喪失對外界刺激的響應。ZmGCT1/2過表達株系的氣孔導度對CO2濃度變化的響應與野生型類似，但zmgct1-9D的氣孔導度顯著高于野生型。表明該突變具有強烈的顯性負效應，進一步證明HT1和ZmGCT1/2在擬南芥和玉米的CO2響應中具有保守功能。

ZmGCT1的激酶活性受到ABA處理和脫水處理的抑制。ZmGCT1主要定位在細胞質膜上，ABA處理后，ZmGCT1離開細胞質膜轉移到細胞質中 (圖1)。經鑒定，zmgct1-9D功能獲得型突變體缺失第76至84位9個氨基酸，其中第80位Thr突變為模擬磷酸化形式的Asp (T80D) 和Glu (T80E) 后，ZmGCT1T80D/E-GFP主要定位在細胞質中；當突變為模擬非磷酸化形式的Ala (T80A) 后，ZmGCT1T80A-GFP主要定位在細胞質膜上，不受ABA誘導離開細胞質膜，與zmgct1-9D-GFP的亞細胞定位相似。

ABA信號轉導的核心組分蛋白激酶SUCROSE NONFERMENTING 1-RELATED PROTEIN KINASE 2s (SnRK2s) 正調控干旱脅迫響應。玉米中，ZmSnRK2.8/9/10與擬南芥SnRK2.6/open stomata 1 (OST1) 最同源，實驗結果表明，ZmGCT1磷酸化ZmSnRK2.10的第292位Thr，抑制ZmSnRK2.10的激酶活性 (圖1)。ZmSnRK2.8/9磷酸化ZmGCT1的第80位Thr，影響ZmGCT1的亞細胞定位。

干旱脅迫響應過程中，陰離子通道slow anion channel 1 (SLAC1) 被激活，促進氣孔關閉。爪蟾卵母細胞電生理實驗結果表明，ZmGCT1抑制持續激活的ZmSLAC1T520D (Guo et al., 2023) 的離子通道活性，該過程依賴于ZmGCT1的激酶活性。ZmGCT1與ZmSLAC1相互作用并磷酸化ZmSLAC1的倒數第二位Thr (T573)，該位點在單子葉植物中保守。模擬磷酸化形式的ZmSLAC1T520DT573D的離子通道活性顯著低于ZmSLAC1T520DT573A和ZmSLAC1T520D。同時，ZmGCT1也能夠抑制ZmOST1/ZmSnRK2.8對ZmSLAC1 (Wu et al., 2019) 的激活 (圖1)。

通過雜交獲得zmgct1 zmslac1雙突變體和zmgct1 zmsnrk2.10雙突變體，均具有干旱敏感表型，與zmslac1單突變體 (Li et al., 2022) 和zmsnrk2.10單突變體的干旱敏感表型相近。表明ZmGCT1在ZmSLAC1和ZmSnRK2.10的上游調控玉米響應干旱脅迫。

綜上所述，該研究提出以下工作模型，即在正常生長條件下，ZmGCT1與ZmSLAC1相互作用，ZmGCT1定位在細胞質膜上，磷酸化ZmSLAC1第573位Thr，抑制ZmSLAC1的離子通道活性。在干旱條件下，ABA積累，與ABA受體、蛋白磷酸酶PP2Cs形成三元復合體，解除對ZmSnRK2s的抑制，ZmSnRK2s磷酸化并激活ZmSLAC1，同時磷酸化ZmGCT1的第80位Thr，ZmGCT1離開細胞質膜，促進氣孔關閉，植物進行干旱脅迫響應 (圖2)。

圖 2 ZmGCT1負調控玉米響應干旱脅迫的工作模型

該研究所用的玉米種質由中國農業大學功能基因組與分子育種研究中心提供。已畢業博士馮貞凱(現為河南師范大學講師)、在讀博士李慧穎、已畢業博士孫志慧(現為廣州大學博士后) 為該論文的共同第一作者，中國農業大學鞏志忠教授為通訊作者。中國農業大學楊淑華教授、齊俊生教授、王瑜副教授、程金魁老師、已畢業博士華德平(現為天津大學副教授) 參與該項研究工作。該研究得到國家自然科學基金和北京市重點研發項目的資助。

參考文獻：

Z. R. Yang, F. Qin, The battle of crops against drought: Genetic dissection and improvement. J. Integr. Plant Biol. 65, 496–525 (2023).

Z. Z. Gong et al., Plant abiotic stress response and nutrient use efficiency. Sci. China Life Sci. 63, 635–674 (2020)

M. Hashimoto et al., Arabidopsis HT1 kinase controls stomatal movements in response to CO2. Nat. Cell Biol. 8, U391–U352 (2006)

Y. Takahashi et al., Stomatal CO2/bicarbonate sensor consists of two interacting protein kinases, Raf-like HT1 and non-kinase-activity activity requiring MPK12/MPK4. Sci Adv. 8, eabq6161 (2022)

Y. Guo et al., The clade F PP2C phosphatase ZmPP84 negatively regulates drought tolerance by repressing stomatal closure in maize. New Phytol.237, 1728-1744 (2023).

Q. Q. Wu et al., ZmOST1 mediates abscisic acid regulation of guard cell ion channels and drought stress responses. J. Integr. Plant Biol. 61, 478–491 (2019).

X. D. Li, Y. Q. Gao, W. H. Wu, L. M. Chen, Y. Wang, Two calcium-dependent protein kinases enhance maize drought tolerance by activating anion channel ZmSLAC1 in guard cells. Plant Biotechnol. J.20, 143-157 (2022).

論文鏈接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2423037122