生科院寿惠霞课题组研究揭示水稻细胞内磷酸盐浓度感知和稳态调控...

　　

磷是生物体内ATP、磷脂和核酸等重要生物大分子的组分，参与多种重要生物途径，是植物生长发育必须的大量营养元素。液泡储存了植物细胞中95%以上的磷，对于控制细胞磷稳态具有重要作用。SPX-MFS家族是植物细胞中磷酸盐（Pi）输入液泡的转运蛋白，在磷充足条件下通过向液泡内转运Pi，进而在液泡中贮藏Pi，维持胞质中Pi浓度的稳定。在低Pi条件下，植物下调SPX-MFS的功能以减少Pi向液泡内的转运，从而更好地适应缺磷环境。水稻中SPX-MFS的表达在转录水平受环境磷浓度影响不大，推测其表达调控以翻译后调控为主。作为液泡膜定位蛋白，SPX-MFS蛋白如何实现其向液泡膜分选转运是翻译后调控的重要环节，目前尚不清楚其调控机制。

2023年7月，浙江大学生命科学学院寿惠霞课题组在Molecular Plant 发表了题为“Phosphate-dependent regulation of vacuolar trafficking of OsSPX-MFSs is critical for maintaining intracellular phosphate homeostasis in rice”的研究论文。揭示了水稻中液泡Pi转运体OsSPX-MFSs的蛋白分选与转运受到细胞质内Pi浓度调控的分子机制。

前期研究表明， SPX-MFS定位于液泡膜上。本研究发现当环境磷不足时，水稻中三个液泡Pi转运体OsSPX-MFS1、2、3的蛋白定位均出现了点状分布 (图1)，表明该蛋白向液泡膜的分选过程受阻。运用多种细胞器分子标记以及蛋白分选化学抑制剂处理，课题组明确了OsSPX-MFS在低磷条件下主要定位于液泡前体。

图1. 低磷条件下OsSPX-MFSs液泡膜定位受到抑制

为了深入研究OsSPX-MFS蛋白的转运与调控机制，课题组通过酵母分裂泛素文库筛选OsSPX-MFS的互作蛋白，发现并验证了SYP2亚家族的OsSYP22是OsSPX-MFS的互作蛋白。OsSYP22属于Qa-SNARE，主要介导膜泡、液泡前体与液泡之间的融合以及液泡蛋白的转运定位。研究发现，OsSPX-MFS的液泡膜定位依赖于其与OsSYP22之间的蛋白相互作用。在OsSYP22-ND显性抑制突变体的中，OsSPX-MFS的液泡膜定位受到抑制，蛋白大量滞留于液泡前体。进一步研究表明，OsSYP22可以正向调节水稻液泡Pi的储存。在低Pi条件下OsSPX-MFS与OsSYP22的相互作用被抑制，造成了OsSPX-MFS3滞留在液泡前体中，不再向液泡内转运磷。

进一步研究发现， OsSPX-MFS是通过其SPX结构域感受细胞磷浓度进而改变其液泡膜定位。通过结构模拟与蛋白互作分析发现，在环境磷充足的条件下，SPX结构域通过与细胞中的InsPs互作，释放MFS结构域，进而MFS结构域与OsSYP22蛋白互作，使SPX-MFS蛋白向液泡膜转运，从而实现磷酸盐在液泡中的贮藏(图2)。在缺磷条件下，由于缺乏InsPs， SPX结构域与MFS结构域紧密结合，抑制了SPX-MFS与OsSYP22蛋白之间的互作，造成SPX-MFS蛋白在液泡前体中的滞留。

图2. OsSPX-MFSs磷酸盐浓度依赖的蛋白转运调控机制示意图

综上，本研究表明OsSPX-MFS中的SPX结构域具有感知细胞内Pi水平并调控了自身蛋白定位的功能；揭示了水稻中SPX-MFS蛋白的分选途径以及Pi依赖的调控机制，研究成果有助于我们进一步理解植物磷酸盐稳态的调控机制，为磷高效作物遗传改良提供理论依据。

浙江大学生命科学学院博士后郭润泽为本文第一作者，该校博士毕业生张琦（现为之江实验室博士后）和科研助理钱坤为共同第一作者，浙江大学寿惠霞教授为论文通讯作者。浙江大学James Whelan教授、毛传澡教授，王勇研究员参与了论文研究、撰写和讨论。该研究得到国家科技部重点研发项目、国家自然科学基金和教育部“111引智”计划的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.07.004