磷是植物必需的大量營養(yǎng)元素，主要以磷酸鹽形式被植物從土壤中吸收利用，磷不足會導(dǎo)致水稻等作物嚴(yán)重減產(chǎn)。然而，磷酸鹽在土壤中容易結(jié)合金屬離子而沉淀，流動性差，水稻等作物對磷酸鹽的吸收利用效率低，僅30%左右。為適應(yīng)低磷條件，植物進(jìn)化出了復(fù)雜的磷酸鹽吸收和運(yùn)輸系統(tǒng)。其中，根細(xì)胞質(zhì)膜定位的PHT1家族是植物從土壤中吸收磷酸鹽的主要蛋白，其通過質(zhì)子驅(qū)動力將磷酸根轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)。自首個PHT1鑒定以來，近30年的研究陸續(xù)報(bào)道、揭示了大量PHT1家族蛋白基因，為培育磷高效作物提供了重要靶點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制仍不清楚，阻礙了對磷高效作物的開發(fā)。
在水稻中，PHT1家族有13個成員，被命名為OsPHT1;1- OsPHT1;13。其中，OsPHT1;11（OsPT11）參與菌根共生，特異性地被叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal）共生誘導(dǎo)表達(dá)，貢獻(xiàn)了菌根水稻中超過70%的磷吸收量，為水稻共生吸收土壤中有限的磷營養(yǎng)提供了一個關(guān)鍵路徑，同時也是水稻適應(yīng)低磷土壤環(huán)境的重要策略。
9月25日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉主課題組聯(lián)合陳艷可、薛紹武等實(shí)驗(yàn)室，在Developmental Cell在線發(fā)表題為Cryo-EM structure and dynamic basis of phosphate uptake by PHT1 in rice的研究論文，首次報(bào)道了水稻磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPT11的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，結(jié)合單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移（smFRET）技術(shù)，對其構(gòu)象變化進(jìn)行了可視化分析，揭示了其識別、轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸根的分子機(jī)制。
在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先建立了一套基于蛋白脂質(zhì)體和放射性同位素檢測OsPT11轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸根功能的生化體系，驗(yàn)證了其體外轉(zhuǎn)運(yùn)活性，發(fā)現(xiàn)OsPT11為低親和力轉(zhuǎn)運(yùn)體。基于OsPT11的結(jié)構(gòu)分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了一系列參與磷酸根結(jié)合與轉(zhuǎn)運(yùn)的關(guān)鍵氨基酸位點(diǎn)，這些位點(diǎn)在植物中100%保守。另一方面，研究團(tuán)隊(duì)還揭示了OsPT11中由酸性氨基酸形成的質(zhì)子傳遞通道，該通道通過傳遞質(zhì)子驅(qū)動磷酸根的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，將磷酸根結(jié)合空腔內(nèi)的特定賴氨酸替換為精氨酸，可以增強(qiáng)磷酸根的結(jié)合能力并提高轉(zhuǎn)運(yùn)活性。這一發(fā)現(xiàn)可能在提高作物磷吸收效率方面具有潛在的應(yīng)用價值。
進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用smFRET技術(shù)，在單分子水平可視化分析了OsPT11轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸根過程的動態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)OsPT11在多種構(gòu)象狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，其中，當(dāng)胞外朝向（outward-facing）構(gòu)象為主要構(gòu)象時可顯著促進(jìn)磷的轉(zhuǎn)運(yùn)活性。相比之下，胞內(nèi)朝向（inward-facing）構(gòu)象為主時，磷的轉(zhuǎn)運(yùn)活性則降低?；诖耍髡邔Ρ妊芯苛怂靖哂H和力轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPHT1;8（OsPT8）的動態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，發(fā)現(xiàn)，盡管這兩個轉(zhuǎn)運(yùn)體在磷酸根結(jié)合位點(diǎn)具有保守的氨基酸序列，但其構(gòu)象動態(tài)平衡呈現(xiàn)顯著差異：低親和轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPT11以胞內(nèi)朝向構(gòu)象為主，高親和轉(zhuǎn)運(yùn)體OsPT8則以胞外構(gòu)象為主。因此，高、低親和轉(zhuǎn)運(yùn)體這種動態(tài)性質(zhì)上的異質(zhì)性，決定了它們在磷轉(zhuǎn)運(yùn)效率上的高低之分。該研究結(jié)果，很好地解釋了領(lǐng)域內(nèi)一個很有意思的問題：為什么序列相似、結(jié)構(gòu)相同的PHT1轉(zhuǎn)運(yùn)體卻有著不同的磷酸根轉(zhuǎn)運(yùn)能力？
綜上，研究者采用整合結(jié)構(gòu)生物學(xué)策略，聯(lián)合使用冷凍電鏡與單分子熒光技術(shù)，結(jié)合生化與細(xì)胞生物學(xué)分析，揭示了OsPT11在質(zhì)子驅(qū)動力下轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸根的分子機(jī)制，為闡明植物吸收磷酸鹽的分子機(jī)制提供了新的見解，對于作物磷高效吸收與利用的遺傳改良具有重要的指導(dǎo)意義。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生杜張萌，官澤源博士，劉海博士，博士生生張杰和碩士生何海濤為論文共同第一作者。劉主教授、陳艷可博士和薛紹武教授為論文共同通訊作者。中國科學(xué)院技術(shù)大學(xué)冷凍電鏡中心和南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了重要支撐和幫助，研究工作得到可國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文連接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807（25）00541-6
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