New Phytol | 南京农业大学郑录庆团队揭示OsWRKY18稳定OsbZIP48协同调控水稻锌稳态的分子机制

研究背景

锌（Zn）是植物生长发育所必需的微量元素，作为多种酶的辅因子参与光合作用、蛋白质合成和逆境响应。然而，全球约50%的可耕地存在缺锌问题，这不仅严重限制了作物的产量，还降低了籽粒的营养品质。在植物应对缺锌的调控网络中，F组碱性亮氨酸拉链（F-bZIP）转录因子（如拟南芥中的bZIP19/23）被公认为核心的“锌传感器”。在水稻中，OsbZIP48已被证实能直接激活OsZIP4和OsZIP8等锌转运蛋白基因的表达。尽管F-bZIP在转录水平上的功能已较为明确，但在缺锌胁迫下，这些核心蛋白是如何在翻译后水平被精确调控以维持稳态的，目前仍是一个科学谜团。

论文概要

南京农业大学生命科学学院的郑录庆团队在植物科学主流期刊New Phytologist上发表了题为“OsWRKY18 attenuates proteasomal degradation of OsbZIP48 to orchestrate zinc homeostasis in rice”的论文，揭示了WRKY转录因子OsWRKY18作为OsbZIP48的关键翻译后调节因子的分子机制。研究发现，缺锌诱导表达的OsWRKY18能通过与OsbZIP48直接物理互作，屏蔽其泛素化修饰，从而减缓蛋白酶体途径的降解。这种蛋白水平的稳定作用强化了锌转运基因的转录激活，进而促进锌从根部向地上部的转运。该研究为理解植物微量元素稳态的翻译后调控提供了重要见解。

主要研究结果介绍

OsWRKY18响应缺锌胁迫的表达及定位特征

研究人员通过转录组数据筛选发现，OsWRKY18在缺锌（-Zn）条件下显著诱导表达。RT-qPCR时间序列分析显示，在持续缺锌处理9天后，其表达量达到峰值（图1）。组织特异性分析和GUS染色证明，OsWRKY18主要在分蘖期的根和叶片中表达，且其启动子活性受缺锌强烈激活（图1e）。亚细胞定位实验证实，OsWRKY18定位于细胞核和细胞质中（图1f）。

OsWRKY18缺失导致水稻耐低锌能力及转运效率下降

利用CRISPR/Cas9技术构建的oswrky18敲除突变体在正常锌水平下发育正常，但在低锌条件下表现出显著的生长抑制，包括株高降低、生物量减少以及新叶抽出延迟（图2）。元素分析显示，突变体根部积累了更多的锌，而地上部的锌含量显著降低（图3）。短时同位素Zn示踪实验进一步证实，OsWRKY18并不影响根系的锌吸收能力，但对其从根向地上部的转运至关重要（图3g）。

OsWRKY18与核心转录因子OsbZIP48发生物理互作

鉴于oswrky18与osbzip48突变体表型的高度相似性，研究人员推测两者存在功能关联。酵母双杂交（Y2H）结果显示，OsWRKY18能特异性结合OsbZIP48的N端区域（图4a）。体外Pull-down实验和活体内的荧光素酶互补影像（LCI）实验进一步确认了这种相互作用（图4b, 4c）。此外，OsWRKY18还能与OsbZIP48的同源蛋白OsbZIP50互作。

OsWRKY18通过减缓泛素介导的降解增强OsbZIP48稳定性

蛋白分析发现，在oswrky18突变体中，尽管OsbZIP48的转录水平保持不变（图6h），但其蛋白丰度却显著降低。相反，在烟草和水稻中过表达OsWRKY18能显著增加OsbZIP48蛋白的积累（图5）。

进一步的机制研究表明，OsbZIP48主要通过26S蛋白酶体途径降解。OsWRKY18与OsbZIP48的结合显著降低了后者的泛素化水平（图6j），从而像一面“盾牌”一样保护OsbZIP48免受蛋白酶体的攻击。在缺锌条件下，OsWRKY18的诱导表达确保了OsbZIP48蛋白的强力积累，特别是在细胞核中的聚集（图6a)。

OsWRKY18协同增强锌转运基因的转录激活

通过双荧光素酶报告系统实验，研究人员发现OsWRKY18自身并不能直接激活OsZIP4或OsZIP8的启动子，但当它与OsbZIP48共同表达时，能显著提升OsbZIP48对这些目标基因的转录激活效率（图7）。在oswrky18突变体中，缺锌诱导的OsZIP4、OsZIP8和OsZIP10的表达量均显著低于野生型（图8），这解释了为何OsWRKY18功能的缺失会导致锌转运障碍。

过表达OsWRKY18提升水稻的耐低锌潜力

为验证应用前景，研究人员创制了OsWRKY18过表达系。实验结果显示，在极低锌浓度下，过表达株系的生长状况、株高及生物量显著优于野生型（图9）。这与其体内较高水平的OsbZIP48蛋白及更旺盛的锌转运活性密切相关，提示OsWRKY18是改良水稻锌肥利用效率的潜在遗传靶点。

全文总结与展望

本研究构建了一个精细的水稻锌稳态调控模型（图10）：在正常锌环境下，OsbZIP48蛋白维持在较低水平以防止锌中毒；当环境缺锌时，植物不仅维持OsbZIP48的基础转录，还诱导产生OsWRKY18蛋白。OsWRKY18通过与OsbZIP48物理结合，阻断其泛素化并抑制蛋白降解，从而快速提高OsbZIP48的蛋白丰度。这种翻译后水平的“稳定化作用”确保了水稻能迅速启动锌吸收和转运系统，增强对贫瘠土壤的适应性。

这一发现的重要科学意义在于，它解释了为何有些核心转录因子在转录水平不响应逆境，却能在蛋白水平实现动态调节。未来研究可进一步探讨OsWRKY18是否还参与其他微量营养元素的稳态平衡，以及如何利用该模块通过分子设计育种培育高产、富锌的水稻新品种。

研究团队与资助

该研究由南京农业大学生命科学学院郑录庆团队完成。Binbin Du为本文第一作者，郑录庆教授为通讯作者。研究得到了国家重点研发计划（2021YFF1000400）和国家自然科学基金（32570308, 12411530084, 32172668）等项目的资助。

DOI链接：https://doi.org/10.1111/nph.71290