水稻是在世界范圍內(nèi)廣泛種植的糧食作物，在其生長(zhǎng)過(guò)程中經(jīng)常面臨營(yíng)養(yǎng)缺乏的環(huán)境，磷饑餓是水稻最常面對(duì)的脅迫之一，磷肥的大量使用對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅。水稻通過(guò)啟動(dòng)磷饑餓反應(yīng)（Phosphate Starvation Responses, PSR）來(lái)應(yīng)對(duì)低磷脅迫，水稻OsPHR2是該途徑上的核心轉(zhuǎn)錄因子，闡明OsPHR2的調(diào)控機(jī)制對(duì)于理解PSR過(guò)程具有重要意義。油菜素甾醇（Brassinosteroid，BR）在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上被廣泛使用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，作為植物內(nèi)源激素，BR如何調(diào)控磷的吸收利用還很不清楚，解析BR和磷之間的調(diào)控關(guān)系對(duì)于利用BR減少磷肥施用具有重要意義。
我校博士后張國(guó)霞在研究中發(fā)現(xiàn)，OsPHR2可以被水稻BR信號(hào)途徑中的核心抑制子GSK2磷酸化，從而削弱了其的DNA結(jié)合活性，導(dǎo)致PSR受抑制，而低磷會(huì)誘導(dǎo)GSK2的降解。該研究揭示了植物應(yīng)對(duì)低磷脅迫的一種新機(jī)制，即降解GSK2從而解除其對(duì)OsPHR2的磷酸化抑制作用。進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，GSK2所磷酸化的OsPHR2上的關(guān)鍵絲氨酸位點(diǎn)存在于大多數(shù)陸地植物中，暗示該翻譯后修飾機(jī)制可能是植物在進(jìn)化過(guò)程中為適應(yīng)波動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境而發(fā)展的一種重要機(jī)制。
研究人員通過(guò)對(duì)BR相關(guān)水稻突變體的分析，發(fā)現(xiàn)BR可促進(jìn)磷饑餓誘導(dǎo)（Phosphate Starvation Induced, PSI）基因的表達(dá)，暗示BR在PSR中具有調(diào)控作用。多種實(shí)驗(yàn)方法證明GSK2與OsPHR2存在相互作用，并且質(zhì)譜分析證明GSK2在植物體外和體內(nèi)均能磷酸化OsPHR2的第269位絲氨酸（OsPHR2-S269）。該位點(diǎn)存在于OsPHR2的MYB結(jié)構(gòu)域，通過(guò)蛋白結(jié)構(gòu)分析證明該位點(diǎn)的磷酸化修飾不影響OsPHR2二聚體形成，但影響其對(duì)DNA的結(jié)合活性。EMSA和LUC報(bào)告系統(tǒng)分析結(jié)果均證實(shí)，將S269突變成模擬磷酸化形式的天冬氨酸D后，OsPHR2S269D對(duì)下游PSI基因啟動(dòng)子的結(jié)合能力顯著降低。
研究人員進(jìn)一步在phr2背景下構(gòu)建了野生型OsPHR2基因的過(guò)表達(dá)株系（FLAG-OsPHR2），以及S269模擬磷酸化形式（FLAG-OsPHR2S269D)和磷酸化失活形式（FLAG-OsPHR2S269A）的過(guò)表達(dá)株系，通過(guò)ChIP-qPCR在體內(nèi)證實(shí)了OsPHR2S269D對(duì)下游PSI基因啟動(dòng)子的結(jié)合能力降低。對(duì)過(guò)表達(dá)植物的表型分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同形式的OsPHR2表達(dá)量相近時(shí)，F(xiàn)LAG-OsPHR2S269D葉片的磷毒害表型消失，磷含量顯著降低，PSI基因的表達(dá)也顯著降低。此外，在不同形式的過(guò)表達(dá)植物中OsPHR2蛋白豐度并沒(méi)有明顯差異，并且水稻原生質(zhì)體中OsPHR2、OsPHR2S269D和OsPHR2S269A的亞細(xì)胞定位也沒(méi)有明顯不同，說(shuō)明S269位點(diǎn)的磷酸化修飾不影響OsPHR2的蛋白表達(dá)和亞細(xì)胞定位。以上結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明，GSK2對(duì)S269位點(diǎn)的磷酸化修飾特異性地抑制了OsPHR2的DNA結(jié)合活性。
為了證實(shí)該機(jī)制是否在雙子葉植物中保守，研究人員在擬南芥中進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)將AtPHR1中與OsPHR2-S269對(duì)應(yīng)的絲氨酸位點(diǎn)突變成天冬氨酸后，其DNA結(jié)合活性同樣有了明顯下降。通過(guò)對(duì)不同物種中PHR家族成員進(jìn)行全面分析發(fā)現(xiàn)，GSK2所識(shí)別的這一絲氨酸位點(diǎn)在不同物種中具有保守性，但是在PHR家族成員之間卻存在多態(tài)性。如水稻OsPHR1/2和擬南芥AtPHR1, AtPHL1/4中為絲氨酸（S），而在水稻OsPHR3/4和擬南芥AtPHL2/3中為脯氨酸（P）。值得注意的是，之前的研究發(fā)現(xiàn)，與OsPHR3/4在轉(zhuǎn)錄水平受到低磷誘導(dǎo)不同，OsPHR1/2并不在轉(zhuǎn)錄水平受低磷調(diào)控。因此，該研究所揭示的OsPHR2的翻譯后修飾調(diào)控可能代表了一種關(guān)鍵的PSR調(diào)控新機(jī)制。有意思的是，該絲氨酸殘基未在苔蘚植物中發(fā)現(xiàn)，僅存在于維管植物中，暗示著該磷酸化修飾可能是植物適應(yīng)陸生環(huán)境的一種進(jìn)化機(jī)制。
不同磷濃度處理實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磷饑餓會(huì)誘導(dǎo)GSK2蛋白降解，暗示植物在面對(duì)低磷脅迫時(shí)，通過(guò)解除GSK2對(duì)OsPHR2的抑制作用來(lái)提高對(duì)不利營(yíng)養(yǎng)條件的快速響應(yīng)，這一去抑制的工作模型對(duì)理解植物低磷響應(yīng)提供了新的視角。此外，該研究也說(shuō)明BR可通過(guò)促進(jìn)PSR來(lái)提高對(duì)磷的吸收利用，為利用BR減少磷肥使用提供了理論指導(dǎo)，同時(shí)，該功能性磷酸化位點(diǎn)也可作為基因編輯的有效靶點(diǎn)用以提高植物的磷吸收利用效率。
這項(xiàng)研究于2024年2月29日在線發(fā)表在The Plant Cell雜志 (Doi: 10.1093/plcell/koae063)。我校博士后張國(guó)霞為論文第一作者，儲(chǔ)成才教授和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所童紅寧研究員為論文共同通訊作者。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所汪鴻儒研究員、Howard Hughes Medical Institute博士后、任祥樂(lè)博士，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所已畢業(yè)博士生肖云華博士、劉大普博士、仇亞紅博士，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所孟文靜博士，我校謝慶軍教授、胡斌教授等參與了該項(xiàng)工作。該研究得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用研究重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程等項(xiàng)目的資助。
文圖/農(nóng)學(xué)院
