干旱是全球范围内制约作物生长、降低粮食产量的重要影响因子。植物遭遇干旱胁迫时，胞内活性氧（ROS）会快速积累，适量 ROS 可作为信号分子启动植株防御反应，但 ROS 过量累积会直接损伤细胞结构、引发细胞死亡。此前陈坤明教授团队已阐明OsRALF45/46-OsMRLK63-OsRbohs通路正向调控水稻 ROS 生成与抗旱能力（Jing et al., Plant Physiology, 2024, 194: 2679-2696），但植物如何制衡该通路、避免 ROS 过度爆发，相关调控机理一直未能明确。近日，该团队在国际知名期刊Science Advances（IF13.9）发表题为“A rice calmodulin-like protein OsCML27 participates in drought tolerance by fine-tuning OsRbohB-mediated ROS signaling”的最新研究成果，揭示了钙调蛋白OsCML27作为关键 “分子刹车”，通过磷酸化-钙离子双重信号精细调控 OsRbohB 介导的 ROS 生成，完善了水稻干旱响应的ROS调控网络，为全面解析作物抗旱分子机制、开展抗逆分子育种奠定了重要基础。
钙调蛋白（CML）是植物经典钙离子感受器家族，依靠 EF-hand 结构结合钙离子，广泛参与植物生长发育、生物及非生物胁迫应答。以往研究证实 CML 家族可调控植物体内 ROS 积累，但 CML 蛋白能否直接靶向 RBOH 家族氧化酶、精细调控干旱诱导的 ROS 信号通路依然是不清楚的。该研究围绕水稻 OsCML27 展开系统挖掘，结合磷酸化蛋白质组学、遗传学、生物化学、蛋白互作及植物转基因等多项技术，层层解析其生物学功能与分子作用模式。
研究团队首先利用磷酸化蛋白质组学分析发现，干旱胁迫可显著诱导水稻 OsCML27 第 11 位丝氨酸（Ser¹¹）发生磷酸化，且该磷酸化修饰高度依赖类受体激酶 OsMRLK63。通过荧光素酶互补（LCI）、双分子荧光互补（BiFC）、共免疫沉淀（co-IP）、体外激酶实验等一系列体内外实验证实，OsMRLK63 可与 OsCML27 直接互作，并特异性磷酸化其 Ser¹¹ 位点（图1）。该磷酸化修饰不会改变 OsCML27 的亚细胞定位与钙离子结合能力，但能够显著提升 OsCML27 的蛋白稳定性，让其在细胞内维持更高的蛋白丰度。同时序列比对与功能验证表明，水稻 OsCML24、OsCML32 等同源蛋白的保守丝氨酸位点也存在相同调控模式，证明该磷酸化调控机制在植物 CML 家族中具有保守性。
图1. OsCML27与OsMRLK63互作并受其磷酸化调控
为探究 OsCML27 在干旱胁迫中的生理功能，研究人员构建了OsCML27 过表达株系与CRISPR-Cas9 敲除突变体。表型鉴定结果显示：干旱处理后，OsCML27 过表达植株叶片失水速率加快、存活率大幅下降，抗旱能力显著减弱；而 osml27 敲除突变体叶片保水能力更强，抗旱表型略弱于野生型，暗示OsCML27 在水稻干旱应答过程中的复杂调控作用。亚细胞定位结果显示，OsCML27 定位于细胞膜、细胞质和细胞核，且在叶片保卫细胞中优势表达，这也暗示其可通过调控气孔运动参与干旱响应（图2）。
图2. OsCML27遗传材料耐旱表型鉴定
进一步的机制探究表明，OsCML27 可依赖钙离子特异性结合水稻 ROS 合成关键酶 OsRbohB 的 N 端结构域，直接抑制 OsRbohB 的酶活性，减少 ROS 的大量生成。干旱胁迫诱导的胞内钙离子浓度上升，进一步强化了 OsCML27 与 OsRbohB 的互作强度；而 OsMRLK63 介导的磷酸化修饰提升了 OsCML27 蛋白稳定性，进一步放大了对 OsRbohB 的抑制效果。DAB 染色、ROS 荧光检测等实验也证实，OsCML27 能够有效抑制干旱诱导的 ROS 爆发，维持细胞氧化还原稳态。
结合团队前期成果与本次研究结论，研究人员构建了完整的水稻干旱应答调控模块：干旱胁迫下，分泌小肽OsRALF45/46与 OsMRLK63 结合后，OsMRLK63 一方面磷酸化激活 OsRbohB，促进 ROS 生成，启动水稻抗旱防御反应；另一方面磷酸化修饰 OsCML27，提升其蛋白稳定性，高丰度的 OsCML27 在钙离子协助下结合 OsRbohB，发挥 “分子刹车” 作用，限制 ROS 过度累积，避免细胞遭受氧化损伤（图3）。OsMRLK63-OsCML27-OsRbohB通路与此前发现的 OsRALF45/46-OsMRLK63-OsRbohs 通路相互制衡，形成一套精密的 ROS 调控体系，让水稻在干旱环境中实现胁迫响应与细胞保护的动态平衡。
图3. OsCML27作为ROS信号的“刹车分子”防止干旱条件下ROS过量积累
西北农林科技大学生命科学学院陈坤明教授和温晶晶讲师为该论文的通讯作者，已毕业博士研究生、河北省农林科学院昌黎果树研究所助理研究员石鹏涛为第一作者，华中农业大学在读博士生张然、西北农林科技大学在读硕士研究生吴宣颉为共同第一作者。该研究得到了教育部学科突破先导计划（JYB2025XDXM705）、国家自然科学基金（No.31770204和No.31270299）和陕西省重点研发计划（2024NC-ZDCYL-01-07）等项目资助。
编辑：张晴
终审：刘玉峰
