【背景介绍】

钙ca²⁺既是构建生命躯体的“基石”，也是维持生命活动的“信使”。在人体中，99%的钙构成了坚固的骨骼与牙齿；在植物中，钙主要储存在细胞壁胞间层、液泡等“钙库”中。钙与细胞壁果胶结合，可显著增强细胞壁韧性；与细胞膜磷脂头部结合，则有利于提高细胞膜稳定性。因此，农业生产中施用钙肥常作为提升作物逆境耐受性的有效手段。然而，植物究竟通过何种分子机制从土壤环境中高效摄取钙营养，长期以来一直是植物营养学领域的未解之谜。

【研究进展】

2026年1月5日，北京大学现代农学院、基因功能研究与操控全国重点实验室田望研究员课题组在国际植物学权威期刊 Nature Plants 发表题为“Arabidopsis IONIC CURRENT FAMILY A proteins facilitate environmental calcium acquisition essential for stress tolerance”的研究论文（DOI:10.1038/s41477-025-02179-3）。研究团队通过生物信息学分析与电生理实验相结合的策略，鉴定出一类植物特有的蛋白家族。电生理实验表明，该类蛋白在非洲爪蟾卵母细胞中表达时，能激发显著的Ca2+通透性非选择性阳离子电流。基于这一特征，研究人员将其命名为“离子电流家族A”（Ionic Current Family A，简称 ICAs）（图1）。

图1. ICAs家族蛋白介导Ca2+通透性非选择性阳离子电流

遗传学与细胞生物学证据显示，拟南芥中的 ICA1 、ICA2、ICA3和 ICA14 基因主要在根部表皮及皮层细胞表达，且蛋白定位于细胞质膜，提示其可能参与外界钙离子的摄取。常态下，在外源钙浓度正常时，ica1/2/3/4 四突变体与野生型相比，生长发育并无明显差异；胁迫下，当面临高盐、高渗、高温等非生物胁迫，或遭遇细菌（DC3000）、真菌（灰霉菌）等侵染时，ica1/2/3/4突变体表现出更高的敏感性，受损严重（图2）。

图2.ica1/2/3/4对非生物胁迫和生物胁迫耐受性降低

机制研究进一步揭示，突变体对环境胁迫的敏感性源于其根部钙吸收能力的减弱及体内钙含量的显著降低。这证实 AtICA1/2/3/4的核心功能是介导外源钙营养的高效吸收，通过提升植物体内的钙水平，为植物穿上“铁布衫”，从而增强其对环境胁迫的抵抗能力（图3）。

图3. 拟南芥ICAs介导外源钙吸收增强广谱抗逆的工作模式图

【意义与应用前景】

该研究表明，ICAs 蛋白堪称植物界的抗逆“全能选手”：在0.1-10 mM的广泛生理钙浓度范围内，ICAs 负责为植物“补钙”。更重要的是，该机制在不以牺牲植物生长发育为代价的前提下，广泛提升了植物对多种生物及非生物胁迫的耐受性，这是迄今为止，该领域首次发现能同时整合和应对多种环境胁迫的潜在离子通道组分蛋白家族。 ICAs 的发现，为未来培育兼具高钙营养与复合逆境抗性的作物新品种提供了全新的遗传操作靶标和分子设计育种策略。

北京大学现代农学院田望研究员为该论文的通讯作者。北京大学现代农学院博雅博士后任志杰（现西北农林科技大学副教授）、首都师范大学已毕业博士生刘泽宾以及上海交通大学高起飞课题组博士生席亚升为共同第一作者。首都师范大学博士生董雨鑫和高磊也参与了该研究工作。该研究得到首都师范大学李乐攻教授、侯聪聪副教授大力支持，双电极电压钳实验等在首都师范大学电生理平台完成；加州大学伯克利分校Sheng Luan教授、上海交通大学高起飞副教授对该研究给予了重要指导和帮助。感谢清华大学陈浩东教授提供CRISPR/Cas9载体、首都师范大学王海龙教授提供细胞培养平台。

该研究得到国家重点研发计划（2021YFA1300702）、国家自然科学基金（32270326、31930010、32270265）、北京大学博雅博士后等项目资助。