近期发表论文

   近期发表论文

Yongqing Yang, Xiuli Han, Liang Ma, Yujiao Wu, Xiao Liu, Haiqi Fu, Guoyong Liu, Xiaoguang Lei,* and Yan Guo,* (2021) Dynamic changes of phosphatidylinositol and phosphatidylinositol 4-phosphate levels modulate H+-ATPase and Na+/H+ antiporter activities to maintain ion homeostasis in Arabidopsis under salt stress. Mol Plant. https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.07.020
来源:本站    发布时间:2021-10-9 10:48:24    点击数量:58

Yongqing Yang, Xiuli Han, Liang Ma, Yujiao Wu, Xiao Liu, Haiqi Fu, Guoyong Liu, Xiaoguang Lei,* and Yan Guo,* (2021) Dynamic changes of phosphatidylinositol and phosphatidylinositol 4-phosphate levels modulate H+-ATPase and Na+/H+ antiporter activities to maintain ion homeostasis in Arabidopsis under salt stress. Mol Plant. https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.07.020

        2021年7月30日,Molecular Plant 在线发表了中国农业大学郭岩教授和北京大学雷晓光教授合作的题为Dynamic changes of phosphatidylinositol and phosphatidylinositol 4-phosphate levels modulate H+-ATPase and Na+/H+ antiporter activities to maintain ion homeostasis in Arabidopsis under salt stress 的研究工作,揭示拟南芥磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰肌醇4-磷酸水平(PI4P)的动态变化调节 H+-ATPase酶和Na+/H逆向转运蛋白活性,维持离子稳态。
        土壤盐分是影响植物生长和作物产量的主要胁迫因子。预计到2050年,50%的可耕地将受到盐碱化的威胁。细胞质中Na+浓度过高对植物有害,而细胞中Na+的清除是植物耐盐的关键。盐过敏感(SOS)通路在这一调控过程中至关重要,已经鉴定出四种主要成分: SOS1 (PM Na+/H+ 逆向转运体),SOS2(蛋白激酶),SOS3(钙结合蛋白),和SCaBP8 (SOS3样钙结合蛋白8)。同时,也发现质膜 H+-ATP酶(PM H+-ATPase )在盐胁迫下 将Na+离子从细胞里面泵出,也发挥着重要作用。因此,盐胁迫下维持离子稳态需要协调激活两种中枢调控因子: 质膜 H+-ATP酶(PM H+-ATPase)和Na+/H+逆向转运蛋白(Na+/H+ antiporter)。
        首先,PM H+-ATPase 在盐胁迫下被激活;然而,在正常生长条件下,其活性相对较低。为了确定内源性小分子是否参与抑制PM H+-ATPase 活性,作者在正常条件下无需NaCl处理,采用生物引导分离方法对拟南芥Col-0幼苗粗提物进行分离,以寻找可能的生物活性化合物。通过质谱等分析,发现磷脂酰肌醇(PI)能结合并调节PM H+-ATPase酶活性。进一步体外分析发现,磷脂酰肌醇(PI)通过直接特异性的结合在PM  H+-ATPase酶AHA2的C端,在AHA2 CS931位点的磷酸化增强了PI-AHA2的结合亲和力,在非胁迫条件下抑制PM H+-ATPase活性。紧接着,为了确定PI是否也抑制植物中体内的PM H+-ATPase酶活性,从拟南芥生物资源中心(ABRC)获得了两个编码拟南芥PI合成关键酶的T-DNA插入突变体pis1-1和pis1-2,利用遗传学证据表明,内源性PI负调控PM H+-ATPase酶活性。
        随后,作者进一步探讨了盐胁迫下植物如何解除对PM H+-ATPase酶活性的抑制,释放其活性。由于PI的下游代谢物PI4P被报道主要定位于质膜(Simon et al., 2014),因此,作者通过测定质膜PI4P含量和PI4P- PI比值来确定在盐胁迫下PI是否转化为PI4P。结果表明,质膜中PI的含量远高于PI4P,且在盐胁迫下PI4P和PI(4,5)P2的含量较非盐胁迫下显著增加,PI4P/PI比值在盐胁迫下升高。
        进一步,作者发现PI4P结合并激活PM Na+/H+ 逆向转运蛋白活性。此前报道PI4Kβ1 是PI合成PI4P的关键酶。作者从Heilmann实验室获得了pi4kβ1突变体(Lin et al., 2019),鉴定出敲除纯合子pi4kβ1突变体。通过一系列分析,发现PI倾向于与PM H+-ATPase酶的非活性形式结合,而PI4P倾向于与Na+/H+ 逆向转运体的活性形式结合。在pi4kβ1突变体,PI4P水平降低,PM Na+/H+逆向转运蛋白活性降低,耐盐胁迫能力下降。
最后,为了研究PI4P是否通过与SOS1直接相互作用来调节Na+/H+逆向转运体活性,作者进行了PI4P-SOS1结合实验,发现PI4P结合到SOS1的C端,盐胁迫增加pi4kβ1的表达和PI4P的质膜定位。表明,PMH+-ATPase酶活性的增加产生跨膜质子梯度,直接激活SOS1将钠离子运输出细胞。
        综上,该研究揭示在盐胁迫下,拟南芥磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰肌醇4-磷酸水平(PI4P)的动态变化调节 H+-ATPase酶和Na+/H+逆向转运蛋白活性,维持离子稳态。该研究也揭示了植物通过调节代谢产物的变化来协同调节关键酶的活性,从而使植物能够应对逆境胁迫。

 
图1 拟南芥磷脂酰肌醇(PI)和磷脂酰肌醇4-磷酸水平(PI4P)动态变化调节 H+-ATPase酶和Na+/H逆向转运蛋白活性,维持离子稳态示意图。

        中国农业大学生物学院郭岩课题组的杨永青副教授为第一作者,博士研究生韩秀丽和马亮为共同第一作者, 郭岩教授和北京大学的雷晓光教授为通讯作者。参与该研究工作的还有郭岩课题组的吴玉姣,刘晓,付海奇和刘国永。该项研究得到国家自然科学基金的资助。