Mol. Plant｜植物信号网络前沿交叉研究中心兰文智课题组揭示植物胞内的磷感知与稳态平衡机制

磷是植物生长和发育所必需的大量元素之一，它几乎参与到了植物代谢的各个方面，如磷脂膜的形成，ATP的合成，DNA和RNA的合成，磷酸化引起的信号传导等等。在农业上，磷是作物稳产的关键因素。磷的缺乏会导致作物生长矮小，结实率低，产量大幅下降；相反，磷过高会引起作物烧苗，使作物不能正常生长。然而，磷肥施用、水土流失、植物吸收、微生物代谢等因素导致土壤中有效磷（无机磷）在不停的大幅波动。因此，植物进化出多种多样的调控机制来应对环境中磷的波动以维持自身体内的磷稳态。从分子水平探究和理解这些调控机制对农业可持续发展至关重要。

液泡是植物细胞中最大的磷库，在植物适应磷波动的过程中起到了举足轻重的作用。当环境中的磷充足时，液泡会大量地吸收并储存多余的磷；当磷缺乏时，液泡会释放出储存的磷供植物生长。前期的研究表明磷酸转运体VPT1（又称PHT5;1）是植物液泡膜上最主要的磷酸转运体。VPT1的缺失会破坏植物体内的磷稳态并大幅提高植物对环境中磷波动的敏感性。然而，VPT1如何响应环境中磷的变化并调控转运活性的机制尚不清楚。近日，植物信号网络前沿交叉研究中心兰文智课题组的研究成果“ASPX domain vacuolar transporter links phosphate sensingtohomeostasis inArabidopsis”在《分子植物》发表，深度解析了VPT1活性调控的分子机理。

以往的研究发现，只有将植物培养在磷充足的环境中VPT1才能产生较大的液泡磷电流。因此，推测VPT1的活性与细胞内磷浓度有着密切的关系。近期研究表明磷信号分子InsPs的浓度与细胞内磷的浓度成正比（Wildetal.,2016;Dongetal.,2019），而VPT1含有磷信号感受器SPX结构域，由此推测VPT1的活性受到磷信号分子的调控。研究人员通过突变SPX结构域上重要的磷信号结合位点（PBC位点）从而获得的VPT1_PBC蛋白，并发现该蛋白的磷酸转运活性极低。为了详细地解析VPT1活性调控的分子机制，课题组对VPT1的蛋白结构进行预测分析，结果显示VPT1的N末端非跨膜区（8个串联的α螺旋，图1A）是一个柔性区域，其位置的变化产生了VPT1蛋白的两种构象，分别为激活状态（VPT1con.1）和失活状态（VPT1con.2）（图1B）。由此推测VPT1N端非跨膜区为转运体的调节域，一方面该调节域可以阻塞磷进出的通道从而导致VPT1自身转运活性的抑制（VPT1con.2），因此切除整个调节域的VPT1（图1B中的DN蛋白）活性得到了大幅地增强（图1C,D）；另一方面，该调节域中的SPX结构域应该是响应高磷条件激活VPT1的关键所在。实验证明，在磷充足的条件下，植物细胞内产生的磷信号分子（IP₈）会介导VPT1蛋白中SPX/MFS结构域之间的互作，进而打开通道并激活VPT1的转运活性，将细胞质内过多的磷储存于液泡（图2A）。而缺磷条件下IP₈合成受到抑制，使得SPX与MFS不能有效互作，此时VPT1处于活性自抑制的状态（图2B）。当PBC位点突变时，VPT1不能与IP₈结合，使得VPT1始终处于自抑制的状态（图2C）；与之相反，当切除整个自抑制域时，VPT1展现出强烈而持续的磷酸转运活性（图2E）。此外，当SPX结构域中的K126位点突变时，SPX/MFS结构域之间的互作不受磷信号分子的调控（图2F），因此VPT1也表现出持续的磷酸转运活性。由此可知，SPX结构域中的PBC和K126位点在调节VPT1活性中起到关键作用。该模型揭示了液泡感知磷水平变化来调控细胞磷稳态的分子机理，为设计作物的磷高效利用提供了理论基础。

图1切除N末端自抑制域激活VPT1

图2VPT1活性调控的分子模型

该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金会、美国国家科学基金会和西北农林科技大学未来农业研究院的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.09.005

参考文献：

Dong,J.,Ma,G.,Sui,L.,Wei,M.,Satheesh,V.,Zhang,R.,Ge,S.,Li,J.,Zhang,T.E.,Wittwer,C.,etal.(2019).InositolPyrophosphateInsP8ActsasanIntracellularPhosphateSignalinArabidopsis.Mol.Plant12:1463-1473.

Liu,J.,Yang,L.,Luan,M.,Wang,Y.,Zhang,C.,Zhang,B.,Shi,J.,Zhao,F.G.,Lan,W.,andLuan,S.(2015)AvacuolarphosphatetransporteressentialforphosphatehomeostasisinArabidopsis.Proc.Natl.Acad.USA112:E6571-6578.

编辑：杨军

终审：郁飞