Tonoplast-associated calcium signaling regulates manganese homeostasis in Arabidopsis

生物 拟南芥 平衡 液泡 细胞生物学 突变体 运输机 信号转导 钙代谢 拟南芥 激酶 毒性 生物化学 基因 化学 细胞质 有机化学
作者
Zhenqian Zhang,Dali Fu,Zhihui Sun,Chuanfeng Ju,Cuicui Miao,Zhangqing Wang,Dixiang Xie,Liang Ma,Zhizhong Gong,Cun Wang
出处
期刊:Molecular Plant [Elsevier BV]
卷期号:14 (5): 805-819 被引量:49
标识
DOI:10.1016/j.molp.2021.03.003
摘要

Manganese (Mn) is an essential micronutrient in plants. However, excessive Mn absorption in acidic and waterlogged soils can lead to Mn toxicity. Despite their essential roles in Mn homeostasis, transcriptional and post-transcriptional modifications of Mn transporters remain poorly understood. Here, we demonstrated that high-Mn stress induces an obvious Ca2+ signature in Arabidopsis. We identified four calcium-dependent protein kinases, CPK4/5/6/11, that interact with the tonoplast-localized Mn and iron (Fe) transporter MTP8 in vitro and in vivo. The cpk4/5/6/11 quadruple mutant displayed a dramatic high-Mn-sensitive phenotype similar to that of the mtp8 mutant. CPKs phosphorylated the N-terminal domain of MTP8 primarily at the Ser31 and Ser32 residues. Transport assays combined with multiple physiological experiments on phospho-dead variant MTP8S31/32A and phospho-mimetic variant MTP8S31/32D plants under different Mn and Fe conditions suggested that Ser31 and Ser32 are crucial for MTP8 function. In addition, genetic analysis showed that CPKs functioned upstream of MTP8. In summary, we identified a tonoplast-associated calcium signaling cascade that orchestrates Mn homeostasis and links Mn toxicity, Ca2+ signaling, and Mn transporters. These findings provide new insight into Mn homeostasis mechanisms and Ca2+ signaling pathways in plants, providing potential targets for engineering heavy metal toxicity-tolerant plants.
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