水稻新型钼转运蛋白OsDISMO1调控钼元素源库分配的分子机制

本研究针对植物钼(Mo)转运机制单一性的科学难题，通过EMS诱变筛选获得水稻籽粒高钼突变体1003_a，结合基因定位和CRISPR-Cas9技术鉴定出新型转运蛋白OsDISMO1。研究发现该ER膜定位的转运蛋白通过韧皮部介导钼元素从衰老组织向新生组织的再分配，首次揭示了非MOT家族钼转运蛋白的生物学功能，为作物营养强化提供了新靶点。论文发表于《Rice》具有重要理论价值。

　　

钼(Mo)作为植物必需的微量元素，是钼辅因子(Moco)的核心组分，参与硝酸还原酶(NR)等关键酶的活化。然而在酸性土壤中，钼的生物有效性显著降低，导致作物减产。虽然已知硫酸盐转运蛋白(SULTR)家族成员MOT1/2参与钼吸收，但植物体内钼元素长距离转运的分子机制仍存在重大知识空白。特别是在水稻等禾本科作物中，钼如何从衰老叶片(源)向籽粒(库)转运的调控网络尚未阐明。

东京大学的研究团队通过离子组学筛查，从水稻品种"一目惚"的EMS突变体库中筛选出籽粒钼含量倍增的突变体1003_a。通过四年表型验证和遗传定位，研究人员将候选基因锁定在1号染色体上编码TauE家族蛋白的LOC_Os01g57710。该研究创新性地采用CRISPR-Cas9技术在"日本晴"背景构建两个敲除株系，结合元素分析、组织定位和酵母异源表达系统，系统解析了这个被命名为OsDISMO1(Oryza sativa Distributor of Molybdenum 1)的新型转运蛋白的功能机制。

关键技术包括：利用SIMPLE算法进行突变体基因定位；构建OsDISMO1启动子驱动的GUS报告系统进行组织特异性分析；通过原生质体转化和共定位实验确定蛋白亚细胞定位；采用酵母BY4741体系验证转运活性。所有实验材料均来自课题组自主构建的EMS突变体库和转基因株系。

【Malfunction of OsDISMO1 Results in High Grain Mo Concentration】
通过四年的田间实验证实，1003_a突变体籽粒钼含量较野生型提高2倍。图1显示，CRISPR敲除株系osdismo1-1/2同样表现出籽粒钼累积表型，证实OsDISMO1功能缺失导致钼分配异常。基因定位将突变位点确定为第3外显子的G333D氨基酸替换，该位点在植物界高度保守。

【OsDISMO1 Regulates Mo Distribution】
幼苗组织元素分析揭示突变体新生叶(第7叶)钼含量增加而老叶(第3叶)降低，根部无差异。成熟期检测发现，突变体旗叶叶片钼减少而叶鞘积累增加。这些结果说明OsDISMO1通过调控源库组织的钼分配维持稳态，而非影响根系的钼吸收。

【OsDISMO1 Expression Site】
启动子-GUS分析显示该基因在韧皮部特异表达，包括叶片维管束、穗轴和侧根基部。RT-PCR证实其表达不受钼浓度调控，且在茎部表达量显著高于根部，与其在长距离转运中的功能相符。

【OsDISMO1 Localizes to the ER Membrane】
GFP融合蛋白与内质网标记共定位实验证实，OsDISMO1定位于ER膜系统。跨膜结构域预测显示其含10-11个跨膜区，与已知的SULTR家族拓扑结构明显不同。

【OsDISMO1 is a Mo Transporter】
酵母异源表达实验首次证实该蛋白的钼转运活性。在5μM钼酸根(MoO₄^2-)条件下，转化OsDISMO1的酵母细胞钼积累量增加2倍。

这项研究突破性地发现：1) OsDISMO1是首个被鉴定的非MOT家族植物钼转运蛋白，拓展了对微量元素转运机制的认知；2) 该蛋白通过ER膜系统介导钼的韧皮部运输，揭示了"源→库"分配的新途径；3) 突变体分析表明其通过限制钼从衰老组织输出维持源组织钼储备，这对理解作物籽粒营养累积机制具有启示意义。研究者提出的工作模型(图6)形象展示了OsDISMO1通过调控ER-韧皮部界面的钼流向来平衡源库分配。该发现不仅为作物钼营养强化育种提供分子靶点，其独特的转运机制更为设计新型生物肥料提供了理论依据。