锰是植物生长发育的必需微量元素之一,土壤pH值是影响锰有效性的最关键因素。在pH值较高的碱性土壤和钙质土壤,植物可吸收利用的锰减少,导致植物缺锰。而在pH值较低的酸性土壤,锰的有效性增加,植物会吸收过量的锰,造成锰毒害。锰毒害会导致植物出现棕色斑点、坏疽,并发生叶片卷曲等症状,危害植物正常的生长发育,造成减产减收。目前,全球约30%的土壤为酸性土壤。随着化学氮肥的大量施用、酸雨的沉降,土壤酸化进一步加剧。目前,锰毒害已经成为限制作物产量和品质的关键作用因子之一。因此,深入探讨植物吸收、转运和分配锰的分子机制具有重要的意义,特别是植物在碱性土壤中的锰营养效率和酸性土壤中的适应机理研究,对提高作物的产量和品质至关重要。Ca2+是植物生长发育和逆境响应的核心调控因子,是植物学研究领域的热点之一。类钙调磷酸酶B亚基蛋白CBL（Calcineurin B-like protein）作为植物中特有的Ca2+感受器,能够与蛋白激酶CIPK（CBL-interacting protein kinase）形成复杂的调控网络,通过磷酸化修饰下游底物的方式解码和传递Ca2+信号,调控多种矿质元素的吸收与利用。然而,Ca2+信号是如何产生、感知、解码和传递环境中锰浓度变化的研究仍十分薄弱,其分子机制有待进一步探索。针对上述核心科学问题,本论文采用一系列植物生理学、生物化学、分子生物学和细胞生物学等实验技术,发现高锰胁迫激发拟南芥体内Ca2+信号,系统揭示了CBL2/3-CIPK3/9/26分子模块调控拟南芥锰稳态的功能和分子机制,解析了Ca2+信号通过CBL2/3-CIPK/3/9/26和Ca2+依赖蛋白激酶CPK4/5/6/11差异磷酸化修饰液泡膜定位的锰转运体MTP8以精细调控植物锰稳态的生物学过程和“加油/刹车”机制。论文的主要研究结果如下:（1）基于Fluo-4 AM染色和水母发光蛋白Aequorin方法,发现高锰胁迫诱导拟南芥根部胞质内Ca2+浓度升高,激发植物体内Ca2+信号。（2）采用反向遗传学手段筛选拟南芥CBL和CIPK家族成员对高锰胁迫显著敏感或者耐受的突变体,发现cbl2 cbl3双突变体以及与CBL2/3互做的cipk3 cipk9 cipk26三突变体对高锰胁迫明显耐受,表现为主根伸长较长,鲜重显著增加。而CBL2/3过量表达材料对高锰胁迫显著敏感,表现为主根伸长较短,鲜重显著降低,叶绿素含量显著降低,叶片黄化卷曲。进一步研究发现,cbl2 cbl3和cipk3 cipk9 cipk26突变体在高锰胁迫条件下根部锰含量明显升高而地上部锰含量显著降低。遗传学分析发现,CBL2/3位于MTP8的上游。（3）利用双分子荧光互补（BiFC）、萤火虫荧光素酶互补（LCI）、蛋白质体外结合（Pull-down）和蛋白质免疫共沉淀（Co-IP）四种互作手段,发现CIPK3/9/26与MTP8之间存在蛋白互作。体外磷酸化实验表明,CIPK3/9/26主要磷酸化修饰MTP8的第35位丝氨酸。另外,采用生物信息学手段分析了磷酸化位点的保守性,发现MTP8的第35位丝氨酸在双子叶植物中具有一定的保守性。（4）通过酵母转运活性、液泡锰含量测定以及高锰胁迫表型分析等实验,发现CIPK3/9/26介导的MTP8Ser35磷酸化修饰抑制MTP8的转运活性进而参与调控拟南芥锰稳态。进一步通过蛋白质免疫印迹（Western blot）以及烟草蛋白表达实验,发现CIPK3/9/26介导的MTP8Ser35磷酸化修饰不影响MTP8的蛋白稳定性及亚细胞定位。（5）利用体内磷酸化、液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析、原生质体表达以及高锰胁迫表型分析等实验,发现CPKs和CIPKs对MTP8的磷酸化修饰存在时间上的明显差异。CPK4/5/6/11调控高锰胁迫早期的响应,将过量的锰离子隔离到液泡中,以缓解锰离子的毒害作用。而在高锰胁迫的后期,植物为了实现生长和逆境的最佳平衡,CBL2/3招募CIPK3/9/26到液泡膜上并磷酸化修饰MTP8,降低MTP8活性以起到“刹车”的作用。综上所述,本论文发现了高锰胁迫激发植物体内Ca2+信号,揭示了CBL2/3和CIPK3/9/26应答高锰胁迫的功能,阐明了CBL2/3-CIPK3/9/26分子模块通过磷酸化修饰调控液泡膜定位的锰转运体MTP8应答高锰胁迫的分子机制,解析了MTP8的关键磷酸化活性位点,系统阐明了CIPK3/9/26和CPK4/5/6/11差异磷酸化修饰MTP8从而精细调控植物锰稳态的生物学过程和分子机制。研究成果为解决作物在酸性土壤锰毒害问题提供了全新的视角和分子靶标,为利用MTP蛋白家族精准创建有益重金属的超富集作物和有毒重金属的低积累新品种奠定了理论基础和技术支持。