华中农业大学在水稻酸性磷酸酶OsACP1于低磷胁迫下的调节机制中取得新进展

 

　　磷（P）是所有生物体所必需的大量元素之一，在土壤中以无机磷酸盐（Pi）和有机磷（Po）的形式存在，其中植物只能吸收水溶性Pi。尽管P在地壳中含量丰富，但它通常以Po或与其他金属固定的形式存在于土壤中，植物因无法利用而造成缺Pi胁迫。研究发现Pi饥饿信号可诱导酸性磷酸酶（APase）和有机酸的分泌，以从土壤中动员固定的P，从而释放和增加可供植物吸收的Pi。除提高环境中P的吸收效率外，植物还可从细胞内Po中回收再利用Pi，提高Pi胁迫条件下的适应能力。

 

　　HAD超家族以细菌中的卤代酸脱卤酶命名，其中大多数参与磷酰基转移，包括磷酸酶、P型ATP酶、磷酸化酶和磷酸化转移酶，一些HAD基因可作为APases来调节低Pi胁迫耐受性。据报道，水稻ACID PHOSPHATASE 1（OsACP1或OsHAD2）能够快速响应Pi饥饿，但尚不清楚OsACP1的生化和生理功能。系统发育分析表明OsACP1属于PHOSPHO1亚家族，PHOSPHO1是首次从人体克隆出的一种编码酸性磷酸酶的基因。

 

　　本研究经qRT-PCR证实，叶和根中的OsACP1在Pi饥饿处理的第7天被显著诱导表达。在辅助因子Mg2+存在情况下，OsACP1具有较高的酸性磷酸酶活性，且具有广泛的Po底物选择性。荧光观察显示，OsACP1定位于内质网和高尔基体。利用CRISPR-Cas9基因编辑技术获得了acp1敲除突变体，结果发现在Pi充足和缺乏条件下，突变体生长均受抑制，最终导致产量降低。OsACP1过表达与上述结果类似（图1）。在Pi充足条件下，OsACP1过表达植株的叶片顶端出现坏死表型，这是水稻中Pi过度积累的典型症状，表明OsACP1过表达增加了叶片中Pi的浓度（图2）。

 

　　据报道，拟南芥AtPECP1和AtPECP2（又被命名为AtPS2/AtPPsPase1）在Pi饥饿条件下水解磷酸胆碱（PCho）和磷酸乙醇胺（PEA）。由于OsACP1对PEA具有较高的磷酸酶活性，因此在OsACP1突变体和过表达株系中检测其产物乙醇胺（EA）和相应胆碱（Cho）的浓度，结果发现Pi充足和缺乏条件下，OsACP1过表达均使两者的浓度显著增加，相反，OsACP1功能缺失并不影响水稻中EA的浓度，但其在Pi缺乏时的Cho浓度却明显降低。OsACP1过表达植株的Pi浓度和磷脂组成发生了显著变化，经进一步检测发现，在Pi饥饿条件下，OsACP1过表达植株中OsIPS1、OsPAP10a、OsGDPD2和OsMGD3等多个Pi饥饿响应（PSI）基因的诱导表达水平明显低于WT，表明OsACP1对Pi饥饿信号具有抑制作用。

 

　　综上表明，OsACP1作为一种酸性磷酸酶，从内质网和高尔基体中的非必需磷酸酯中回收Pi，以维持水稻Pi稳态，细胞内磷酸酯类释放的Pi会缓解Pi胁迫反应。我校博士研究生邓素仁为本文第一作者，该研究得到了国家科学基金和中央大学基础研究基金的资助与支持。

 

　　【英文摘要】

 

　　The concentration and homeostasis of intracellular phosphate （Pi） are crucial for sustaining cell metabolism and growth. During short-term Pi starvation, intracellular Pi is maintained relatively constant at the expense of vacuolar Pi. After the vacuolar stored Pi is exhausted, the plant cells induce the synthesis of intracellular acid phosphatase （APase） to recycle Pi from expendable organic phosphate （Po）。 In this study, the expression, enzymatic activity and subcellular localization of ACID PHOSPHATASE 1 （OsACP1） were determined. OsACP1 expression is specifically induced in almost all cell types of leaves and roots under Pi stress conditions. OsACP1 encodes an acid phosphatase with broad Po substrates and localizes in the endoplasmic reticulum （ER） and Golgi apparatus （GA）。 Phylogenic analysis demonstrates that OsACP1 has a similar structure with human acid phosphatase PHOSPHO1. Overexpression or mutation of OsACP1 affected Po degradation and utilization, which further influenced plant growth and productivity under both Pi-sufficient and Pi-deficient conditions. Moreover, overexpression of OsACP1 significantly affected intracellular Pi homeostasis and Pi starvation signalling. We concluded that OsACP1 is an active acid phosphatase that regulates rice growth under Pi stress conditions by recycling Pi from Po in the ER and GA.

 

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　　论文链接：

 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14191