【背景介紹】

鈣ca2?既是構建生命軀體的“基石”，也是維持生命活動的“信使”。在人體中，99%的鈣構成了堅固的骨骼與牙齒；在植物中，鈣主要儲存在細胞壁胞間層、液泡等“鈣庫”中。鈣與細胞壁果膠結合，可顯著增強細胞壁韌性；與細胞膜磷脂頭部結合，則有利于提高細胞膜穩定性。因此，農業生產中施用鈣肥常作為提升作物逆境耐受性的有效手段。然而，植物究竟通過何種分子機制從土壤環境中高效攝取鈣營養，長期以來一直是植物營養學領域的未解之謎。

【研究進展】

2026年1月5日，北京大學現代農學院、基因功能研究與操控全國重點實驗室田望研究員課題組在國際植物學權威期刊 Nature Plants 發表題為“Arabidopsis IONIC CURRENT FAMILY A proteins facilitate environmental calcium acquisition essential for stress tolerance”的研究論文（DOI:10.1038/s41477-025-02179-3）。研究團隊通過生物信息學分析與電生理實驗相結合的策略，鑒定出一類植物特有的蛋白家族。電生理實驗表明，該類蛋白在非洲爪蟾卵母細胞中表達時，能激發顯著的Ca2+通透性非選擇性陽離子電流。基于這一特征，研究人員將其命名為“離子電流家族A”（Ionic Current Family A，簡稱 ICAs）（圖1）。

圖1. ICAs家族蛋白介導Ca2+通透性非選擇性陽離子電流

遺傳學與細胞生物學證據顯示，擬南芥中的 ICA1 、ICA2、ICA3和 ICA14 基因主要在根部表皮及皮層細胞表達，且蛋白定位于細胞質膜，提示其可能參與外界鈣離子的攝取。常態下，在外源鈣濃度正常時，ica1/2/3/4 四突變體與野生型相比，生長發育并無明顯差異；脅迫下，當面臨高鹽、高滲、高溫等非生物脅迫，或遭遇細菌（DC3000）、真菌（灰霉菌）等侵染時，ica1/2/3/4突變體表現出更高的敏感性，受損嚴重（圖2）。

圖2.ica1/2/3/4對非生物脅迫和生物脅迫耐受性降低

機制研究進一步揭示，突變體對環境脅迫的敏感性源于其根部鈣吸收能力的減弱及體內鈣含量的顯著降低。這證實 AtICA1/2/3/4的核心功能是介導外源鈣營養的高效吸收，通過提升植物體內的鈣水平，為植物穿上“鐵布衫”，從而增強其對環境脅迫的抵抗能力（圖3）。

圖3. 擬南芥ICAs介導外源鈣吸收增強廣譜抗逆的工作模式圖

【意義與應用前景】

該研究表明，ICAs 蛋白堪稱植物界的抗逆“全能選手”：在0.1-10 mM的廣泛生理鈣濃度范圍內，ICAs 負責為植物“補鈣”。更重要的是，該機制在不以犧牲植物生長發育為代價的前提下，廣泛提升了植物對多種生物及非生物脅迫的耐受性，這是迄今為止，該領域首次發現能同時整合和應對多種環境脅迫的潛在離子通道組分蛋白家族。 ICAs 的發現，為未來培育兼具高鈣營養與復合逆境抗性的作物新品種提供了全新的遺傳操作靶標和分子設計育種策略。

北京大學現代農學院田望研究員為該論文的通訊作者。北京大學現代農學院博雅博士后任志杰（現西北農林科技大學副教授）、首都師范大學已畢業博士生劉澤賓以及上海交通大學高起飛課題組博士生席亞升為共同第一作者。首都師范大學博士生董雨鑫和高磊也參與了該研究工作。該研究得到首都師范大學李樂攻教授、侯聰聰副教授大力支持，雙電極電壓鉗實驗等在首都師范大學電生理平臺完成；加州大學伯克利分校Sheng Luan教授、上海交通大學高起飛副教授對該研究給予了重要指導和幫助。感謝清華大學陳浩東教授提供CRISPR/Cas9載體、首都師范大學王海龍教授提供細胞培養平臺。

該研究得到國家重點研發計劃（2021YFA1300702）、國家自然科學基金（32270326、31930010、32270265）、北京大學博雅博士后等項目資助。