2024年7月26日，國際學術期刊New Phytologist在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心黃朝鋒研究組題為“Modulation of external and internal aluminum resistance by ALS3-dependent STAR1-mediated promotion of STOP1 degradation”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了依賴ABC轉運蛋白跨膜域ALS3的核苷酸結合域STAR1通過直接介導抗鋁毒轉錄因子STOP1降解從而調控植物內外解鋁毒的新機制。

鋁毒是酸性土壤上作物生產的主要限制因素，這類土壤占全球陸地面積的30%以上。為了應對鋁毒害，植物已經(jīng)發(fā)展出了外部鋁排斥和內部鋁耐受機制。分泌有機酸，如蘋果酸、檸檬酸和草酸，是植物中一種廣泛存在的鋁排斥機制。在擬南芥中，通過根尖的ALMT1轉運蛋白分泌蘋果酸，可以促進鋁離子的螯合，形成被認為能將鋁離子排除在根外的非毒性鋁-蘋果酸復合物。然而，由ALMT1分泌的蘋果酸是否僅用于螯合和排除鋁離子，或者是否可以被植物根部重新利用以實現(xiàn)內部鋁耐性尚不清楚。

鋅指轉錄因子STOP1是植物中保守的、核心的抗鋁毒調節(jié)因子，它主要通過激活ALMT1表達實現(xiàn)抗鋁毒。由跨膜域ALS3和核苷酸結合域STAR1組成的液泡膜定位的ABC轉運蛋白復合物STAR1/ALS3已被報道可以負向調節(jié)核定位STOP1蛋白的積累和ALMT1的表達（圖1）。然而，STAR1/ALS3復合物控制STOP1蛋白積累的內在分子機制尚未被闡明。

研究組利用受STOP1調控的pALMT1:LUC報告基因系進行正向遺傳篩選，鑒定了一個使報告基因和STOP1下游基因表達上升的突變體rae7；基因克隆發(fā)現(xiàn)，RAE7編碼核苷酸結合域STAR1。之前報道，STAR1與液泡膜定位的跨膜域ALS3互作形成有功能的ABC復合物，可能介導了植物的內部解鋁毒。該研究發(fā)現(xiàn)STAR1除了定位于液泡膜之外，還存在于細胞核中。因此，作者推測STAR1可能通過直接與STOP1進行互作介導其降解。通過酵母雙雜交、split-LUC、BiFC和co-IP實驗，證明了STAR1能夠與STOP1在細胞核中直接互作，從而促進STOP1的降解。接著該課題組發(fā)現(xiàn)，液泡膜定位跨膜域ALS3則是通過調控STAR1蛋白的積累間接調控STOP1蛋白的積累。

F-box蛋白RAE1通過促進STOP1降解負調控植物抗鋁毒。然而令人驚奇的是，rae1突變增強而不是緩解star1對鋁毒敏感性。進一步生理分析發(fā)現(xiàn)，star1rae1雙突變體中ALMT1表達升高導致的蘋果分泌增強促進了鋁的吸收，從而使雙突變體對更多的內部鋁中毒，表現(xiàn)對鋁毒更敏感。通過基因編輯手段對star1 rae1雙突變背景的ALMT1啟動子進行編輯，發(fā)現(xiàn)降低ALMT1表達能夠緩解star1 rae1對鋁毒的敏感性，該結果進一步佐證了作者的猜想：增強的蘋果酸分泌會促進根系對鋁的吸收。此外，在star1突變體背景過量表達ALMT1到適中水平也增強植物對鋁毒敏感性；但是，如果ALMT1的過表達水平極高則會緩解對鋁毒的敏感性。由于蘋果酸與鋁離子的比例需要達到6-8倍水平才能完全解鋁毒，所以作者推測極高水平的蘋果分泌可能阻礙鋁的吸收，主要起外部鋁排斥作用。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，水孔蛋白家族成員NIP1;1和NIP1;2能夠吸收蘋果酸-鋁復合物，而且偏好吸收低比例復合物。nip1;1 nip1;2的雙突變能夠極大緩解star1 rae1對鋁毒的敏感性。此外，長期低濃度鋁毒處理能夠顯著減少nip1;1 nip1;2雙突變體地上部的生長，而對根的影響有限，這說明NIP1;1和NIP1;2在鋁脅迫條件下能夠幫助植物對蘋果酸進行再利用，減少碳損失。

綜述所述，該研究揭示了蘋果酸的分泌量決定蘋果酸-鋁復合物是否被排斥在細胞外還是轉運進入細胞內。質膜定位的水孔蛋白NIP1;1/NIP1;2與液泡膜定位的STAR1/ALS3 ABC轉運蛋白相互協(xié)作介導了蘋果酸-鋁復合物從細胞外至細胞內，最終進入液泡中實現(xiàn)內部解鋁毒，并且?guī)椭参飳μO果酸進行再利用，減少碳損失。ALS3依賴的STAR1能夠與STOP1直接互作并促進其降解從而調控蘋果酸的分泌和植物的內外部解鋁毒。

分子植物卓越中心博士畢業(yè)生范妮為論文的第一作者，黃朝鋒研究員是該論文的通訊作者。黃朝鋒研究組畢業(yè)博士李鑫波、謝文香、方遒，博士生魏祥和畢業(yè)碩士許靖宜也參與了部分研究。該研究受到了中國科學院、國家自然科學基金面上項目和植物分子遺傳國家重點實驗室等的資助。

原文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19985

STAR1/ALS3,STOP1,ALMT1和 NIP1;1/NIP1;2協(xié)作調控植物內外部解鋁毒的示意圖。