高等植物根毛是典型的极性生长细胞，是植物从土壤中吸收水分和离子营养的主要器官。根毛顶端存在一个细胞质自由Ca2+浓度（[Ca2+]cyt）梯度，该[Ca2+]cyt梯度的存在和震荡编码根毛极性生长的调控信号，从而控制根毛的极性生长和方向。而根毛顶端质膜Ca2+通道通过介导细胞外Ca2+的内流，为根毛顶端Ca2+信号的产生提供Ca2+源，而且其离子通道蛋白活性的动态变化还直接决定Ca2+信号的升高和震荡模式。因此，该细胞质膜Ca2+通道就成为根毛顶端Ca2+信号的发生器和编码器，并因此成为我们解析Ca2+信号调控根毛极性生长和方向的分子机理的关键。但几十年来，该质膜Ca2+通道的编码基因一直不清楚。

　　研究发现，这三个CNGC都是典型的质膜内向Ca2+通道，仅允许Ca2+等二价阳离子进入根毛，不允许Na+和K+等单价阳离子的通过。这三个CNGC蛋白中的任何一个的功能缺失都不能明显影响根毛的生长。但这三个CNGC的共同功能缺失突变体(shrh1)的根毛生长受到严重抑制，部分根毛还具有分叉和加粗的表型，且这些根毛表型可以被这三个CNGC基因中的任何一个的表达所完全回复。该结果说明，这三个CNGC是以功能冗余的方式共同作用。

　　通过进一步的研究，发现CNGC5, CNGC6和CNGC9通过介导和动态调控细胞外Ca2+内流，在根毛顶端Ca2+信号的产生和震荡调控中发挥关键作用，从而控制根毛的生长。已知CNGC14是一个只在特定条件下参与根毛生长的质膜Ca2+通道蛋白，其突变体cngc14-1 仅在被其根毛被埋入固体培养基时表现出根毛变短表型；而当其根毛暴露在空气中时，没有任何根毛有关的表型。

　　王永飞研究组的深入分析发现，CNGC5、CNGC6和CNGC9与CNGC14存在明显的功能差异。不管拟南芥根毛被埋在固体培养基中，还是暴露在空气中，根毛的极性生长都需要CNGC5、CNGC6和CNGC9的存在，即CNGC5、CNGC6和CNGC9对根毛生长的调控不受环境的影响，是拟南芥根毛组成型极性生长所必须的质膜Ca2+通道。研究者推测，这三个CNGC与CNGC14一起，通过形成异源四聚体的方式共同组成有功能的根毛质膜Ca2+通道，而CNGC5、CNGC6和CNGC9发挥主导性作用。该研究为进一步解析Ca2+信号，乃至根毛生长调控的整个信号调控网络奠定了基础。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心王永飞研究员为论文通讯作者，研究生谭艳秋为论文第一作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（B类）和国家自然科学基金的资助。

　　全文链接：https://doi.org/10.1016/j.xplc.2019.100001

　　Molecular Plant微信公众号对该研究进行了公开报道，并配发了国际知名植物Ca2+信号专家对该研究的点评（https://mp.weixin.qq.com/s/YbpKmBObt3sR_lj7zOAvmw）。

      该论文被Falculty1000给予Very Good和两颗星的好评和推荐。

　　四个CNGC基因在拟南芥根毛中优势表达（A），且三突变体cngc5-1cngc6-2cngc9-1（被命名为shrh1）具有显著的根毛变短（B）和分叉的表型 （C），该表型可以被这三个CNGC基因的任何一个的表达所完全回复（B和C）。

　　专家点评

　　田望，李乐攻（首都师范大学）

　　钙离子是植物生长发育所必需的营养元素，同时也是一种广泛存在的“第二信使”，它参与了几乎所有外界环境或细胞本身的信号传递。越来越多的实验证据表明，不同的环境或发育信号激发的胞内钙信号在频率、振幅和持续时间等方面是不一样的，因此这种特异性的钙信号被称为钙指纹（Ca2+ signatures）。大体上说，钙指纹是由信号感受分子、钙离子跨膜转运蛋白等组分精妙地协同编码而工作。

　　20多年前，人们已发现植物细胞极性生长过程中，花粉管和根毛的尖端生长，胞内钙离子具有明显的浓度梯度（尖端浓度高）且呈周期性波动（Ca2+oscillation），这种波动性的钙离子梯度对于细胞尖端的生长以及生长方向的调控是必需的。已有报道发现细胞质膜定位的钙离子通道和调节分子（CNGC18/8-CaM2/3）组成钙波动反馈编码器调控花粉管尖端的钙离子浓度波动，以维持花粉管的正常极性生长[1]。但是，目前与根毛组成性生长密切相关的钙离子通道还不太清楚。

　　王永飞课题组系统研究了根部表达的“环核苷酸门控阳离子通道（CNGCs）”家族成员，发现cngc5-1 cngc6-2 cngc9-1三突变体（命名为shrh1）的根毛在任何培养条件下比野生型显著变短；当在HEK293T细胞中异源表达时，CNGC5，CNGC6和CNGC9都有钙离子通道活性，钙成像实验也显示shrh1的根毛中钙浓度梯度和波动都显著减弱，说明CNGC5，CNGC6和CNGC9是组成性根毛生长必需的钙离子通道，可能都与生长素信号调节的根毛生长相关。已有研究报道当根进入培养基中生长时CNGC14是维持根毛钙信号和正常生长所必需的重要分子[2]

　　最近，Brost等人（2019）报道CNGC6和CNGC9可能也与根毛的产生和生长相关[3]。但王永飞课题组的研究部分更正了Brost 等人的研究结果，发现了与根毛组成性生长有关的钙通道，为极性细胞生长发育的分子机理研究提供了新的认识。根毛生长发育时钙波动维持是一个很重要的问题，已鉴定的与根毛表型变化有关的CNGCs为以后钙波动编码器的研究提供了良好的候选分子。

　　最近，在植物中鉴定了两个参与重要生理过程的钙编码器：一个负责维持花粉管正常生长的钙波动[1]，另一个参与植物的病理PTI反应[4]，这两个钙编码器有CNGC和钙调素（Calmodulin）组成，研究表明CNGCs之间可以形成异源多聚体通道且活性受钙调素（Calmodulin）调节。CNGC5，CNGC6，CNGC9和CNGC14之间是否也通过类似的机制编码产生精妙的钙波动以控制根毛的产生和生长将是一个值得深入探究的问题。

参考文献： 

[1] Pan, Y., Chai, X., Gao, Q., Zhou, L., Zhang, S., Li, L., and Luan, S. Dynamic interactions of plant CNGC subunits and calmodulins drive oscillatory Ca2+ channel activities. Dev. Cell 48, 710-725 (2019).

[2] Zhang, S., Pan, Y., Tian, W., Dong, M., Zhu, H., Luan, S., and Li, L. (2017). Arabidopsis CNGC14 mediates calcium influx required for tip growth in root hairs. Mol. Plant 10: 1004-1006.

[3] Brost, C., Studtrucker, T., Reimann, R., Denninger, P., Czekalla, J., Krebs, M., Fabry, B., Schumacher, K., Grossmann, G., and Dietrich, P. (2019). Multiple cyclic nucleotide-gated channels coordinate calcium oscillations and polar growth of root hairs. Plant J. 99: 910-913.

[4]Tian, W., Hou, C., Ren, Z., Wang, C., Zhao, F., Dahlbeck, D., Hu, S., Zhang, L., Niu, Q., Li, L., Staskawicz, B.J., and Luan, S. (2019) A calmodulin-gated calcium channel links pathogen patterns to plant immunity. Nature 2019, 572: 131-135.