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土壤植物互作团队揭示绿色植物液泡磷素储存形态转变的进化机制
发布者：管理员发布时间：2021-02-02作者：易可可来源：土壤植物互作团队点击量：
近日，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所土壤植物互作创新团队易可可研究员和南京农业大学朱毅勇教授团队合作揭示了绿色植物陆地化过程中液泡磷素储存和利用的演变及进化机制，为提高植物的磷素利用效率提供了理论依据。相关研究成果在线发表在《分子植物（Molecular Plant）》上。
磷是地球上所有生物维持生命所必需的元素。陆地植物通过磷酸盐转运体从外界吸收磷酸盐并分配到不同的组织和器官进行利用。而液泡是绿色植物用来储存磷素的主要细胞器。当外界磷素供应充足时，SPX-MFS家族蛋白能够介导胞质中的磷酸盐运输到液泡中储存。当外界磷素供应缺乏时，VPE家族蛋白能将液泡储存的磷酸盐外排至胞质供植物再利用。与陆地植物不同，水生的低等藻类其液泡储存的磷素主要以多聚磷酸为主。但在这些低等的藻类中液泡磷素储存转运的机制仍不清楚，且在水生到陆生植物进化过程中，这种液泡磷素储存形式由多聚磷酸转变为磷酸盐的机制和具体时间节点仍不清楚。
研究人员发现，在低等的莱茵衣藻存在两类SPX家族蛋白——SPX-VTC和SPX-SLC。其中CrPTC1（SPX-SLC）介导液泡中磷酸盐的外排，该蛋白活力的丧失导致衣藻液泡中多聚磷酸的高积累。而CrVTC4（SPX-VTC）为多聚磷酸合酶，介导衣藻细胞中多聚磷酸的合成，该蛋白活力的丧失导致衣藻液泡中多聚磷酸储存的消失。这表明在衣藻中SPX-VTC和SPX-SLC家族蛋白负责液泡多聚磷酸的平衡。进一步的进化分析发现，SPX-VTC、SPX-SLC、SPX-MFS和GlpT（VPE类蛋白）这四类蛋白在绿色植物的祖先中已经存在。通过对液泡磷素储存形式和SPX类蛋白的系统进化分析发现，凡是有SPX-VTC和SPX-SLC基因存在的植物，其液泡中储存多聚磷酸。而在链型藻的进化过程中，SPX-VTC和SPX-SLC开始丢失，丢失了这两类基因的后期链型藻中，其液泡中储存的磷素为磷酸盐。而这种液泡磷素储存形式由多聚磷酸到磷酸盐的变化也随着水生植物陆地化的过程一直保留至今。尽管多聚磷酸作为液泡磷素储存效率要远高于磷酸盐，但由于多聚磷酸的合成消耗ATP，且再利用时需要先水解成磷酸盐，该储存形式不利于植物应对陆地环境中外界磷素供应的变化。这也暗示，液泡磷素储存形式从多聚磷酸到磷酸盐的转变，是植物陆地化的一个重要转变。
研究表明，SPX-VTC和SPX-SLC家族蛋白负责藻类液泡多聚磷酸的平衡。在进化过程中，SPX-SLC和SPX-VTC家族基因在部分链型藻中的丢失，是水生植物登陆过程中产生的重要预适应机制。
该工作得到国家重点研发计划、绿肥产业技术体系、中国农科院科技创新工程等项目资助。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.01.015
绿色植物陆地化过程中液泡磷酸盐转运体和液泡磷储存形式转变的示意图
