六磷酸肌醇（又名植酸），簡(jiǎn)稱InsP6，廣泛存在于植物中，是種子磷素的主要儲(chǔ)存形式，對(duì)植株體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的維持具有重要作用[1-4]。作物種子中的InsP6無(wú)法被人體和動(dòng)物吸收利用，其大量存在反而會(huì)大幅降低腸道對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素等無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)和蛋白質(zhì)等有機(jī)營(yíng)養(yǎng)的吸收效率，同時(shí)這些植酸磷隨后通過(guò)糞便排入環(huán)境造成水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題[5-6]。因此，培育低種子InsP6含量的農(nóng)作物品種對(duì)改善作物營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義，而解析植物體內(nèi)InsP6生物合成及其分子調(diào)控機(jī)制是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。InsP6的生物合成包括脂質(zhì)依賴和非依賴途徑，其中脂質(zhì)依賴性合成途徑迄今已鑒定到多個(gè)關(guān)鍵酶，如IPK1（Inositol-Pentakisphosphate 2-Kinase 1），IPK2 α/β（Inostitol Polyphosphate Kinase 2 α/β）和PI-PLC（Phosphoinositide-specific Phospholipase C）等[7-13]，但這些關(guān)鍵酶如何被系統(tǒng)調(diào)控仍然未知。同時(shí)，植物體內(nèi)磷酸肌醇的生物合成如何響應(yīng)外界磷濃度的變化也還不清楚。
2024年6月14日Nature communications在線發(fā)表了浙江大學(xué)鄭紹建團(tuán)隊(duì)題為A clade of receptor-like cytoplasmic kinases and 14-3-3 proteins coordinate the inositol hexaphosphate accumulation的研究論文。該研究揭示了一類植物類受體胞質(zhì)激酶（RLCK）IPCKs調(diào)控?cái)M南芥脂質(zhì)依賴InsP6合成的分子機(jī)制，為生物體內(nèi)磷酸肌醇生物合成的調(diào)控機(jī)制提供了新的見解；同時(shí)也揭示了IPCKs作為重要信號(hào)樞紐蛋白介導(dǎo)了細(xì)胞外磷信號(hào)調(diào)控胞內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的分子機(jī)制，拓展了對(duì)現(xiàn)有植物磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的認(rèn)知。
該課題組最初的研究目標(biāo)是為了鑒定植物感知外界無(wú)機(jī)磷（Pi）濃度變化的關(guān)鍵蛋白。他們首先通過(guò)將高Pi培養(yǎng)的擬南芥水培大苗轉(zhuǎn)移到低Pi營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行短時(shí)間（1h）的外部缺磷處理，由于前期體內(nèi)大量磷的累積，1h的外部低磷處理不會(huì)讓植物感受到體內(nèi)的磷匱乏。研究人員隨后取根系進(jìn)行磷酸化蛋白質(zhì)組分析，發(fā)現(xiàn)來(lái)自RLCK V亞家族一個(gè)分支（命名為Inositol Polyphosphate-related Cytoplasmic Kinases 1-6, IPCK1-6）中的2個(gè)成員IPCK1和IPCK2的磷酸化水平快速受到外部磷缺乏的抑制（圖1）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ipck四突變體T-4m和C-4m種子和植株體內(nèi)的Pi含量顯著增加，且在正常條件下其缺磷響應(yīng)基因（PSI）的表達(dá)量就明顯高于野生型WT，而InsP6含量則出現(xiàn)顯著降低，上述變化在ipck五突變體C-5m中更為明顯（圖1）。C-5m種子的InsP6含量較WT下降達(dá)75%，而ipck六突變體則表現(xiàn)出胚胎致死。這些結(jié)果表明，IPCKs在調(diào)控種子和植株體內(nèi)InsP6的含量和磷穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要的功能。
圖1. IPCKs突變體的表型
通過(guò)大量的生理、生化、分子、遺傳等方法，該研究最終揭示了IPCKs在調(diào)控InsP6生物合成的功能機(jī)制：一方面IPCKs通過(guò)磷酸化14-3-3蛋白（GRFs）促進(jìn)其與IPK1、IPK2α/β和PI-PLCs等InsP6關(guān)鍵合酶的互作，進(jìn)而提高這些酶的活性；另一方面，IPCKs發(fā)揮了類似支架蛋白的作用，將這些酶招募到細(xì)胞質(zhì)膜上形成蛋白復(fù)合體，從而組裝成一個(gè)高效的InsP6生物合成模塊（圖2）。這種調(diào)控模式對(duì)種子胚胎發(fā)育具有重要的生物學(xué)意義。因?yàn)镮nsP6合成途徑的中間產(chǎn)物InsP3、InsP4等是細(xì)胞潛在重要的信號(hào)分子，其在胞內(nèi)的水平需要受到嚴(yán)格控制，以防其破壞細(xì)胞的正常功能或穩(wěn)態(tài)，而IPCKs介導(dǎo)的蛋白復(fù)合體能將這些中間產(chǎn)物快速轉(zhuǎn)化成InsP6，減少它們?cè)诎麅?nèi)的存在時(shí)間，這在InsP6被大量合成的種子發(fā)育階段尤為重要，可以保護(hù)胚細(xì)胞的正常功能和穩(wěn)態(tài)，保障種子的健康生長(zhǎng)和發(fā)育。該研究揭示了真核生物中InsP6生物合成的一種新機(jī)制，也為培育低植酸種子的作物新品種提供了潛在的新基因資源和理論依據(jù)。
另一方面，植物如何感知外界Pi信號(hào)一直是磷營(yíng)養(yǎng)研究領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。該研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)間（1h）的外部Pi缺乏可以顯著抑制IPCKs特定Ser位點(diǎn)的磷酸化水平，進(jìn)而抑制其激酶活性，從而達(dá)到快速抑制InsP6生物合成的效果。這種快速響應(yīng)機(jī)制可以幫助植物通過(guò)減少作為儲(chǔ)存形態(tài)的InsP6的合成來(lái)保障其正常生理活動(dòng)對(duì)Pi的需求（圖2）。因此，該研究揭示了IPCKs作為一種重要的信號(hào)樞紐蛋白介導(dǎo)了細(xì)胞外磷信號(hào)調(diào)控胞內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)的作用機(jī)制，深化和拓展了對(duì)現(xiàn)有植物磷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的認(rèn)知。今后通過(guò)對(duì)IPCKs的深入研究有望找到植物感知胞外Pi信號(hào)的上游關(guān)鍵蛋白。
圖2. IPCKs在InsP6生物合成中的作用模式
這是該團(tuán)隊(duì)近期繼Cell Research （Ding et al, 2024. 34:281-294）和 Current Biology (Cui et al. 2024. 34:313-326)之后發(fā)表的又一篇高質(zhì)量論文。2023年畢業(yè)的徐麗霖博士為該論文的第一作者，鄭紹建教授和丁忠杰研究員為該論文的共同通訊作者。生命科學(xué)學(xué)院毛傳澡教授和法國(guó)巴黎薩克雷大學(xué)Moussa Benhamed教授也參與了該項(xiàng)工作。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)資金等項(xiàng)目的資助。
