华中农业大学学者揭示水稻PHT1介导磷素吸收的分子机理

 　　磷是植物必需的大量营养元素，主要以磷酸盐形式被植物从土壤中吸收利用，磷不足会导致水稻等作物严重减产。然而，磷酸盐在土壤中容易结合金属离子而沉淀，流动性差，水稻等作物对磷酸盐的吸收利用效率低，仅30%左右。为适应低磷条件，植物进化出了复杂的磷酸盐吸收和运输系统。其中，根细胞质膜定位的PHT1家族是植物从土壤中吸收磷酸盐的主要蛋白，其通过质子驱动力将磷酸根转运至细胞内。自首个PHT1鉴定以来，近30年的研究陆续报道、揭示了大量PHT1家族蛋白基因，为培育磷高效作物提供了重要靶点，但其结构基础与转运机制仍不清楚，阻碍了对磷高效作物的开发。 
　　在水稻中，PHT1家族有13个成员，被命名为OsPHT1;1- OsPHT1;13。其中，OsPHT1;11（OsPT11）参与菌根共生，特异性地被丛枝菌根（arbuscular mycorrhizal）共生诱导表达，贡献了菌根水稻中超过70%的磷吸收量，为水稻共生吸收土壤中有限的磷营养提供了一个关键路径，同时也是水稻适应低磷土壤环境的重要策略。
 
　　9月25日，华中农业大学刘主课题组联合陈艳可、薛绍武等实验室，在Developmental Cell在线发表题为Cryo-EM structure and dynamic basis of phosphate uptake by PHT1 in rice的研究论文，首次报道了水稻磷酸盐转运蛋白OsPT11的冷冻电镜结构，结合单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，对其构象变化进行了可视化分析，揭示了其识别、转运磷酸根的分子机制。
 
　　在本研究中，研究团队首先建立了一套基于蛋白脂质体和放射性同位素检测OsPT11转运磷酸根功能的生化体系，验证了其体外转运活性，发现OsPT11为低亲和力转运体。基于OsPT11的结构分析，研究团队揭示了一系列参与磷酸根结合与转运的关键氨基酸位点，这些位点在植物中100%保守。另一方面，研究团队还揭示了OsPT11中由酸性氨基酸形成的质子传递通道，该通道通过传递质子驱动磷酸根的跨膜转运。进一步研究发现，将磷酸根结合空腔内的特定赖氨酸替换为精氨酸，可以增强磷酸根的结合能力并提高转运活性。这一发现可能在提高作物磷吸收效率方面具有潜在的应用价值。
 
　　进一步，研究团队运用smFRET技术，在单分子水平可视化分析了OsPT11转运磷酸根过程的动态变化。研究发现OsPT11在多种构象状态之间相互转换，其中，当胞外朝向（outward-facing）构象为主要构象时可显著促进磷的转运活性。相比之下，胞内朝向（inward-facing）构象为主时，磷的转运活性则降低。基于此，作者对比研究了水稻高亲和力转运体OsPHT1;8（OsPT8）的动态转运过程，发现，尽管这两个转运体在磷酸根结合位点具有保守的氨基酸序列，但其构象动态平衡呈现显著差异：低亲和转运体OsPT11以胞内朝向构象为主，高亲和转运体OsPT8则以胞外构象为主。因此，高、低亲和转运体这种动态性质上的异质性，决定了它们在磷转运效率上的高低之分。该研究结果，很好地解释了领域内一个很有意思的问题：为什么序列相似、结构相同的PHT1转运体却有着不同的磷酸根转运能力？
 
　　综上，研究者采用整合结构生物学策略，联合使用冷冻电镜与单分子荧光技术，结合生化与细胞生物学分析，揭示了OsPT11在质子驱动力下转运磷酸根的分子机制，为阐明植物吸收磷酸盐的分子机制提供了新的见解，对于作物磷高效吸收与利用的遗传改良具有重要的指导意义。
 
　　华中农业大学生命科学技术学院博士生杜张萌，官泽源博士，刘海博士，博士生生张杰和硕士生何海涛为论文共同第一作者。刘主教授、陈艳可博士和薛绍武教授为论文共同通讯作者。中国科学院技术大学冷冻电镜中心和南方科技大学冷冻电镜中心为电镜数据收集提供了重要支撑和帮助，研究工作得到可国家自然科学基金等项目的支持。
 
　　论文连接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807（25）00541-6



日期：2025-10-08