Nature Commun | 不依赖ABA信号通路，新型钾离子通道抑制剂提升植物抗旱性

干旱是威胁全球粮食安全最严峻的非生物胁迫之一。气孔是调控叶片气体交换与水分蒸腾的核心结构，通过诱导气孔关闭减少水分散失，是提升植物干旱抗性的关键策略。在众多气孔关闭调控通路中，脱落酸（ABA）介导的信号通路研究最为透彻，也是当前抗旱应用的核心靶点，但 ABA 施用往往伴随种子萌发抑制、生长发育迟缓等多重副作用，极大限制了其在农业生产中的应用。因此，开发靶向性强、生理副作用更低的气孔调控手段，是植物逆境生物学与农业技术领域亟待突破的重要方向。

近日，来自日本东北大学（Tohoku University）的研究团队在Nature Communications在线发表了题为Synthetic ion channel inhibitors enhance plant drought tolerance的研究论文。该研究以保卫细胞质膜电压依赖型内向钾离子（K⁺）通道为靶点，通过化学筛选结合理性结构优化，开发出两种新型合成小分子抑制剂NS5806与UA49。研究证实，二者能够通过一条完全独立于 ABA 的全新通路高效诱导气孔关闭，在显著提升拟南芥干旱存活率的同时，未对植物生长发育产生明显毒副作用，为作物抗旱化学调控与新型生物刺激素开发开辟了新路径。

保卫细胞的膨压变化是气孔运动的直接驱动力，K⁺通道 KAT1 介导的 K⁺内流是气孔开放的关键。此前遗传学研究已证实，KAT1 功能缺失可有效抑制光诱导的气孔开放，但长期以来一直缺乏高效、特异的化学调控工具。为获得靶向 KAT1 的抑制剂，研究团队利用非洲爪蟾卵母细胞异源表达系统，对包含 135 种化合物的商业化库进行筛选，发现 NS5806 对 KAT1 通道具有显著抑制活性，抑制效率达 55%，且对保卫细胞中其他 K⁺通道（KAT2、AKT1、AKT2、GORK）抑制作用较弱，具备一定的靶点选择性。在此基础上，研究人员通过理性设计对 NS5806 的功能基团进行修饰，通过替换卤族元素增强其吸电子特性，最终获得衍生物 UA49，其对 KAT1 的抑制效率提升至 79%，活性得到显著增强。随后的拟南芥保卫细胞原生质体膜片钳实验进一步验证，两种化合物均可有效抑制保卫细胞质膜内向 K⁺电流，且对质膜 Ca²⁺通透通道无直接调控作用，明确了其作用靶点为内向 K⁺通道。

在植物活体水平的干旱胁迫实验中，NS5806 与 UA49 展现出优异的抗旱保护效果。进一步生理实验表明，两种化合物具备双向调控气孔运动的能力，既可以在光照条件下诱导已开放的气孔快速关闭，也能够有效抑制黑暗转光照过程中的气孔开放。值得一提的是，与 ABA 显著抑制种子萌发和主根伸长的副作用不同，NS5806与UA49处理未对这两个关键生长发育过程产生负面影响，也未表现出明显的细胞毒性，体现出更高的田间应用安全性。

为明确NS5806/UA49调控气孔关闭的信号通路属性，研究人员从细胞骨架、转录组与遗传突变体多个层面，与经典 ABA 通路进行了系统对比。研究发现，尽管两种化合物与ABA类似，均可抑制质膜 H⁺-ATPase 的磷酸化水平，但在细胞骨架调控上存在显著差异。NS5806与UA49处理5分钟内即可诱导保卫细胞肌动蛋白丝发生成束化，而ABA处理无此效应；二者对微管骨架均无显著影响。转录组分析结果同样印证了两个通路的差异性，ABA 处理可诱导上千个基因表达上调，而NS5806与UA49仅引起百余个基因表达上调，且仅部分与ABA响应基因重叠，说明其对植物转录组的扰动远小于ABA。遗传突变体验证提供了最直接的证据：在ABA受体六突变体、OST1激酶突变体以及 Ca²⁺依赖蛋白激酶cpk3cpk6双突变体中，NS5806与UA49 均能正常诱导气孔关闭，证明其作用完全不依赖经典 ABA 信号通路的核心组分。但在阴离子通道SLAC1缺失突变体中，化合物诱导的气孔关闭效应完全消失，且SLAC1的激活不依赖ABA通路特有的Ser59与Ser120磷酸化位点，提示化合物通过不同于ABA的激酶家族激活SLAC1。此外，胞质Ca²⁺螯合剂BAPTA-AM可显著削弱化合物诱导的气孔关闭，说明该通路的执行部分依赖胞质Ca²⁺信号。

既然Ca²⁺参与了气孔关闭过程，而化合物又不直接作用于钙通道，那么胞质 Ca²⁺升高的来源与机制是什么？研究人员借助活细胞荧光成像技术，深入解析了这一信号偶联机制。研究发现，NS5806与UA49处理可快速诱导保卫细胞胞质Ca²⁺浓度持续升高，且升高状态可维持30分钟以上，这一持续型钙信号特征，与ABA或病原菌相关分子模式flg22诱导的瞬时、振荡式Ca²⁺信号模式截然不同。使用EGTA 螯合胞外质外体中的Ca²⁺后，化合物诱导的胞质Ca²⁺升高完全消失，同时内质网中的 Ca²⁺水平也伴随上升，证明胞外是胞质 Ca²⁺升高的主要来源。最关键的证据来自内向 K⁺通道功能缺失的kincless突变体，在该突变体的保卫细胞中，NS5806与UA49完全无法诱导胞质Ca²⁺升高，同时气孔关闭效应也显著受损，直接证明了化合物引发的Ca²⁺信号完全依赖于内向K⁺通道的抑制。

基于上述结果，研究团队提出了全新的信号调控模型：NS5806/UA49 抑制内向 K⁺通道后，导致保卫细胞质膜发生超极化，进而激活质膜上的电压依赖型 Ca²⁺内流通道，引发胞外Ca²⁺持续内流，最终通过激活SLAC1阴离子通道等下游效应器驱动气孔关闭。这一机制与动物细胞中 K⁺通道与Ca²⁺通道通过膜电位实现功能偶联的模式高度相似，首次在植物保卫细胞中明确了 K⁺通道活性与 Ca²⁺信号动态之间的直接调控关联。

综上所述，该研究开发了两种可高效提升植物抗旱性的新型化学小分子，并揭示了一条独立于ABA的气孔关闭调控新通路，证实了通过化学靶向调控K⁺通道实现植物抗旱的可行性。与传统ABA类抗旱调节剂相比，靶向K⁺通道的抑制剂作用更具专一性，对植物整体生长发育的副作用更低，有望开发成为新型生物刺激素，用于提高作物的耐旱性。同时，NS5806与UA49也可作为分子探针，为深入解析气孔运动的复杂信号网络、探究植物细胞中不同离子通道间的功能偶联机制提供新的研究工具。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-75894-w