植物激素脱落酸（ABA）在调控植物生长、繁殖及逆境适应方面扮演重要角色。虽然有多种证据表明ABA与Ca2+信号之间在叶片、根部和保卫细胞中有紧密联系，但直接观察到ABA引起的胞质内Ca2+浓度波动的现象主要限于保卫细胞，而对于其他植物部位或细胞类型中ABA是否能引发Ca2+浓度变化仍存争议。
近日，西北农林科技大学生命科学学院、未来农业研究院刘坤祥教授领衔的植物氮素营养团队和哈佛医学院Jen Sheen课题组的研究成果《ABA-activated low-nanomolar Ca2+-CPK signalling controls root cap cycle plasticity and stress adaptation》在国际著名学术期刊Nature Plants在线发表。这项研究中，研究者们设计了一种能够检测低纳摩尔浓度变化的基因编码钙离子指示剂，从而能够直观地显示并量化ABA在不同植物组织和细胞类型中引发的Ca2+信号活动。研究发现，ABA不仅能够影响植物根冠细胞的生长和脱落过程，而且在植物遭受盐害时，ABA还能通过Ca2+-CPK10/30/32信号路径调控根冠细胞的发育，揭示了植物如何通过这一机制应对盐害的新途径。
在这项研究中，研究人员开发并应用了一种具有纳米级别灵敏度和宽动态范围的遗传编码比率型钙离子指示剂（CRS），成功实现了对ABA在不同植物组织和细胞类型中诱导的Ca2+浓度变化的可视化。通过这些具特定亚细胞定位的CRS，研究者能够观察到从细胞膜开始，经细胞质到达细胞核的一系列具有时空特异性的Ca2+信号波动。研究还证实，ABA通过其受体PYR/PYLs以及SNRK2.2,2.3,2.6的介导，触发了细胞内低纳摩尔浓度的Ca2+变化。此外，研究指出，根冠作为感知环境变化和启动多种趋性反应的重要结构，在维持干细胞生态位和调控根向生长中扮演关键角色。面对盐害等非生物压力，根冠细胞通过增加内部钙水平作为早期响应，这一过程对于根冠的有效更新及其对环境挑战的应对至关重要。
进一步的研究发现，盐害不仅抑制了根冠细胞的生长和脱落，还在根尖细胞中诱导了ABA的积累，进而引发了低纳摩尔级别的Ca2+浓度变化，激活了CPK10,30,32蛋白激酶，最终影响了决定细胞命运的关键转录因子活性及与根冠成熟和脱落相关酶的表达。此研究揭示了盐害条件下ABA-Ca2+-CPK信号路径如何参与并调节根冠周期的灵活性，帮助植物更好地适应不利环境。
该研究主要由西北农林科技大学刘坤祥教授课题组完成。生命学院博士后林子炜为论文第一作者，博士研究生张锐媛，已毕业硕士郭莹、李一鸣以及哈佛大学遗传学系Yue Wu研究员参与此项研究。刘坤祥教授及哈佛大学医学院Jen Sheen教授为论文共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和西北农林科技大学前沿交叉创新团队计划资助。
