【背景介紹】
鈣ca2?既是構(gòu)建生命軀體的“基石”，也是維持生命活動(dòng)的“信使”。在人體中，99%的鈣構(gòu)成了堅(jiān)固的骨骼與牙齒；在植物中，鈣主要儲(chǔ)存在細(xì)胞壁胞間層、液泡等“鈣庫(kù)”中。鈣與細(xì)胞壁果膠結(jié)合，可顯著增強(qiáng)細(xì)胞壁韌性；與細(xì)胞膜磷脂頭部結(jié)合，則有利于提高細(xì)胞膜穩(wěn)定性。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用鈣肥常作為提升作物逆境耐受性的有效手段。然而，植物究竟通過(guò)何種分子機(jī)制從土壤環(huán)境中高效攝取鈣營(yíng)養(yǎng)，長(zhǎng)期以來(lái)一直是植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)領(lǐng)域的未解之謎。
【研究進(jìn)展】
2026年1月5日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、基因功能研究與操控全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室田望研究員課題組在國(guó)際植物學(xué)權(quán)威期刊 Nature Plants 發(fā)表題為“Arabidopsis IONIC CURRENT FAMILY A proteins facilitate environmental calcium acquisition essential for stress tolerance”的研究論文（DOI:10.1038/s41477-025-02179-3）。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)生物信息學(xué)分析與電生理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的策略，鑒定出一類(lèi)植物特有的蛋白家族。電生理實(shí)驗(yàn)表明，該類(lèi)蛋白在非洲爪蟾卵母細(xì)胞中表達(dá)時(shí)，能激發(fā)顯著的Ca2+通透性非選擇性陽(yáng)離子電流。基于這一特征，研究人員將其命名為“離子電流家族A”（Ionic Current Family A，簡(jiǎn)稱 ICAs）（圖1）。
圖1. ICAs家族蛋白介導(dǎo)Ca2+通透性非選擇性陽(yáng)離子電流
遺傳學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)證據(jù)顯示，擬南芥中的 ICA1 、ICA2、ICA3和 ICA14 基因主要在根部表皮及皮層細(xì)胞表達(dá)，且蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)膜，提示其可能參與外界鈣離子的攝取。常態(tài)下，在外源鈣濃度正常時(shí)，ica1/2/3/4 四突變體與野生型相比，生長(zhǎng)發(fā)育并無(wú)明顯差異；脅迫下，當(dāng)面臨高鹽、高滲、高溫等非生物脅迫，或遭遇細(xì)菌（DC3000）、真菌（灰霉菌）等侵染時(shí)，ica1/2/3/4突變體表現(xiàn)出更高的敏感性，受損嚴(yán)重（圖2）。
圖2.ica1/2/3/4對(duì)非生物脅迫和生物脅迫耐受性降低
機(jī)制研究進(jìn)一步揭示，突變體對(duì)環(huán)境脅迫的敏感性源于其根部鈣吸收能力的減弱及體內(nèi)鈣含量的顯著降低。這證實(shí) AtICA1/2/3/4的核心功能是介導(dǎo)外源鈣營(yíng)養(yǎng)的高效吸收，通過(guò)提升植物體內(nèi)的鈣水平，為植物穿上“鐵布衫”，從而增強(qiáng)其對(duì)環(huán)境脅迫的抵抗能力（圖3）。
圖3. 擬南芥ICAs介導(dǎo)外源鈣吸收增強(qiáng)廣譜抗逆的工作模式圖
【意義與應(yīng)用前景】
該研究表明，ICAs 蛋白堪稱植物界的抗逆“全能選手”：在0.1-10 mM的廣泛生理鈣濃度范圍內(nèi)，ICAs 負(fù)責(zé)為植物“補(bǔ)鈣”。更重要的是，該機(jī)制在不以犧牲植物生長(zhǎng)發(fā)育為代價(jià)的前提下，廣泛提升了植物對(duì)多種生物及非生物脅迫的耐受性，這是迄今為止，該領(lǐng)域首次發(fā)現(xiàn)能同時(shí)整合和應(yīng)對(duì)多種環(huán)境脅迫的潛在離子通道組分蛋白家族。 ICAs 的發(fā)現(xiàn)，為未來(lái)培育兼具高鈣營(yíng)養(yǎng)與復(fù)合逆境抗性的作物新品種提供了全新的遺傳操作靶標(biāo)和分子設(shè)計(jì)育種策略。
北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院田望研究員為該論文的通訊作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博雅博士后任志杰（現(xiàn)西北農(nóng)林科技大學(xué)副教授）、首都師范大學(xué)已畢業(yè)博士生劉澤賓以及上海交通大學(xué)高起飛課題組博士生席亞升為共同第一作者。首都師范大學(xué)博士生董雨鑫和高磊也參與了該研究工作。該研究得到首都師范大學(xué)李樂(lè)攻教授、侯聰聰副教授大力支持，雙電極電壓鉗實(shí)驗(yàn)等在首都師范大學(xué)電生理平臺(tái)完成；加州大學(xué)伯克利分校Sheng Luan教授、上海交通大學(xué)高起飛副教授對(duì)該研究給予了重要指導(dǎo)和幫助。感謝清華大學(xué)陳浩東教授提供CRISPR/Cas9載體、首都師范大學(xué)王海龍教授提供細(xì)胞培養(yǎng)平臺(tái)。
該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFA1300702）、國(guó)家自然科學(xué)基金（32270326、31930010、32270265）、北京大學(xué)博雅博士后等項(xiàng)目資助。