9月22日，Plant Cell and Environment在線發(fā)表了資源與環(huán)境學(xué)院微量元素研究中心王創(chuàng)研究團隊題為“Rice ACID PHOSPHATASE 1 regulates Pi stress adaptation by maintaining intracellular Pi homeostasis”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)水稻酸性磷酸酶OsACP1 通過維持細胞內(nèi)磷酸鹽穩(wěn)態(tài)來調(diào)節(jié)低磷脅迫適應(yīng)性，為水稻磷高效遺產(chǎn)育種提供了新的理論基礎(chǔ)。
磷（P）是所有生物體所必需的大量元素之一，在土壤中以無機磷酸鹽（Pi）和有機磷（Po）的形式存在，其中植物只能吸收水溶性Pi。盡管P在地殼中含量豐富，但它通常以Po或與其他金屬固定的形式存在于土壤中，植物因無法利用而造成缺Pi脅迫。研究發(fā)現(xiàn)Pi饑餓信號可誘導(dǎo)酸性磷酸酶（APase）和有機酸的分泌，以從土壤中動員固定的P，從而釋放和增加可供植物吸收的Pi。除提高環(huán)境中P的吸收效率外，植物還可從細胞內(nèi)Po中回收再利用Pi，提高Pi脅迫條件下的適應(yīng)能力。
HAD超家族以細菌中的鹵代酸脫鹵酶命名，其中大多數(shù)參與磷?；D(zhuǎn)移，包括磷酸酶、P型ATP酶、磷酸化酶和磷酸化轉(zhuǎn)移酶，一些HAD基因可作為APases來調(diào)節(jié)低Pi脅迫耐受性。據(jù)報道，水稻ACID PHOSPHATASE 1（OsACP1或OsHAD2）能夠快速響應(yīng)Pi饑餓，但尚不清楚OsACP1的生化和生理功能。系統(tǒng)發(fā)育分析表明OsACP1屬于PHOSPHO1亞家族，PHOSPHO1是首次從人體克隆出的一種編碼酸性磷酸酶的基因。
本研究經(jīng)qRT-PCR證實，葉和根中的OsACP1在Pi饑餓處理的第7天被顯著誘導(dǎo)表達。在輔助因子Mg2+存在情況下，OsACP1具有較高的酸性磷酸酶活性，且具有廣泛的Po底物選擇性。熒光觀察顯示，OsACP1定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)獲得了acp1敲除突變體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在Pi充足和缺乏條件下，突變體生長均受抑制，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。OsACP1過表達與上述結(jié)果類似（圖1）。在Pi充足條件下，OsACP1過表達植株的葉片頂端出現(xiàn)壞死表型，這是水稻中Pi過度積累的典型癥狀，表明OsACP1過表達增加了葉片中Pi的濃度（圖2）。
圖1 對照和OsACP1過表達植株在Pi充足（+P）和缺乏（-P）條件下的生長表型
圖2 在Pi充足（+P）和缺乏（-P）條件下，OsACP1過表達株系10日齡的幼苗表型，以及一段時間內(nèi)每片葉子的Pi濃度變化
據(jù)報道，擬南芥AtPECP1和AtPECP2（又被命名為AtPS2/AtPPsPase1）在Pi饑餓條件下水解磷酸膽堿（PCho）和磷酸乙醇胺（PEA）。由于OsACP1對PEA具有較高的磷酸酶活性，因此在OsACP1突變體和過表達株系中檢測其產(chǎn)物乙醇胺（EA）和相應(yīng)膽堿（Cho）的濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pi充足和缺乏條件下，OsACP1過表達均使兩者的濃度顯著增加，相反，OsACP1功能缺失并不影響水稻中EA的濃度，但其在Pi缺乏時的Cho濃度卻明顯降低。OsACP1過表達植株的Pi濃度和磷脂組成發(fā)生了顯著變化，經(jīng)進一步檢測發(fā)現(xiàn)，在Pi饑餓條件下，OsACP1過表達植株中OsIPS1、OsPAP10a、OsGDPD2和OsMGD3等多個Pi饑餓響應(yīng)（PSI）基因的誘導(dǎo)表達水平明顯低于WT，表明OsACP1對Pi饑餓信號具有抑制作用。
綜上表明，OsACP1作為一種酸性磷酸酶，從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體中的非必需磷酸酯中回收Pi，以維持水稻Pi穩(wěn)態(tài)，細胞內(nèi)磷酸酯類釋放的Pi會緩解Pi脅迫反應(yīng)。我校博士研究生鄧素仁為本文第一作者，該研究得到了國家科學(xué)基金和中央大學(xué)基礎(chǔ)研究基金的資助與支持。
【英文摘要】
The concentration and homeostasis of intracellular phosphate （Pi） are crucial for sustaining cell metabolism and growth. During short-term Pi starvation, intracellular Pi is maintained relatively constant at the expense of vacuolar Pi. After the vacuolar stored Pi is exhausted, the plant cells induce the synthesis of intracellular acid phosphatase （APase） to recycle Pi from expendable organic phosphate （Po）。 In this study, the expression, enzymatic activity and subcellular localization of ACID PHOSPHATASE 1 （OsACP1） were determined. OsACP1 expression is specifically induced in almost all cell types of leaves and roots under Pi stress conditions. OsACP1 encodes an acid phosphatase with broad Po substrates and localizes in the endoplasmic reticulum （ER） and Golgi apparatus （GA）。 Phylogenic analysis demonstrates that OsACP1 has a similar structure with human acid phosphatase PHOSPHO1. Overexpression or mutation of OsACP1 affected Po degradation and utilization, which further influenced plant growth and productivity under both Pi-sufficient and Pi-deficient conditions. Moreover, overexpression of OsACP1 significantly affected intracellular Pi homeostasis and Pi starvation signalling. We concluded that OsACP1 is an active acid phosphatase that regulates rice growth under Pi stress conditions by recycling Pi from Po in the ER and GA.
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