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，浙江大学博士毕业生张琦（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

来源：浙江大学生命科学学院

转自：“植物研究进展”微信公众号

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