——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
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2025年10月11日，Science Advances在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心張鵬與上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院俞芳團(tuán)隊(duì)合作完成的題為Molecular mechanism underlying phosphate distribution by SULTR family transporter SPDT inOryza sativa的研究論文。該研究通過解析水稻磷酸鹽分配關(guān)鍵蛋白SPDT的三維結(jié)構(gòu)與生化功能分析，揭示了SPDT特異性識(shí)別并轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸鹽的分子機(jī)制。
磷是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素。然而，土壤中無機(jī)磷（Pi）含量通常較低，限制了農(nóng)作物產(chǎn)量，是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的重要挑戰(zhàn)。植物依靠多種Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白協(xié)同完成磷的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與分配：位于根部的PHT1家族蛋白介導(dǎo)土壤中Pi的吸收，PHO1負(fù)責(zé)將Pi從根向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，SPDT則調(diào)控Pi在節(jié)部組織中的分配，并進(jìn)一步影響Pi向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，VPE蛋白與PHT2/3/4/5蛋白則參與亞細(xì)胞水平的Pi穩(wěn)態(tài)調(diào)控（圖1）。
盡管上述Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在植物磷穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但是其結(jié)構(gòu)與分子與調(diào)控機(jī)制仍大部分未知。張鵬研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中報(bào)道了首個(gè)植物Pi轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的三維結(jié)構(gòu)，揭示了PHO1（H1）識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)Pi、及受高磷信號分子InsP的調(diào)控機(jī)制（Fang et al,Nat Plants,2025,doi: 10.1038/s41477-024-01895-6）。
本研究中，研究人員聚焦水稻（Oryza sativa）中位于節(jié)間參與籽粒Pi分配的關(guān)鍵蛋白OsSPDT（即SULTR3;4）開展研究。OsSPDT屬于硫酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SULTR家族，卻特異性地轉(zhuǎn)運(yùn)磷酸鹽。SPDT如何實(shí)現(xiàn)從硫酸鹽向磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)的功能演化，其分子機(jī)制一直未被揭示。
研究人員首先通過酵母異源互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SPDT特異性轉(zhuǎn)運(yùn)Pi且不轉(zhuǎn)運(yùn)硫酸鹽的功能（圖2a）。隨后利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了OsSPDT與磷酸根結(jié)合前后狀態(tài)的高分辨率三維結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示，OsSPDT以同源二聚體形式存在，每個(gè)單體包含N端胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域（NTD）、跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD）和C端STAS結(jié)構(gòu)域（圖2b）。TMD可進(jìn)一步分為Core和Gate兩個(gè)亞結(jié)構(gòu)域，磷酸根結(jié)合位點(diǎn)位于二者界面處。基于結(jié)構(gòu)的分析與轉(zhuǎn)運(yùn)功能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)將SULTR的TMD與OsSPDT的TMD置換可使OsSPDT獲得硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)活性；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)TM3上的Ser170是SPDT家族在結(jié)合位點(diǎn)的特征性殘基，單個(gè)位點(diǎn)突變會(huì)導(dǎo)致磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)功能喪失，但并不能獲得硫酸鹽的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，說明磷酸鹽識(shí)別的特異性可能依賴于整個(gè)TMD的協(xié)同進(jìn)化。
此外，本研究還發(fā)現(xiàn)NTD和STAS結(jié)構(gòu)域?qū)S持二聚體穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)運(yùn)活性至關(guān)重要。NTD的49–55氨基酸對于維持OsSPDT的二聚化及功能的必不可少（圖2c）。STAS結(jié)構(gòu)域則通過靜電相互作用穩(wěn)定相鄰單體的TMD，參與調(diào)控轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的構(gòu)象變化。
至此，植物中兩類不同家族的無機(jī)磷轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PHO1;H1（SPX-EXS家族）和SPDT（SULTR家族）的三維結(jié)構(gòu)組成、底物識(shí)別/轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)控機(jī)制得到了深入解析。鑒于兩類蛋白在磷的長距離運(yùn)輸（PHO1）與組織分配（SPDT）層面所起的關(guān)鍵作用，本研究在揭示植物磷穩(wěn)態(tài)調(diào)控分子機(jī)制的同時(shí)，也為培育低植酸、高磷利用效率的作物品種奠定了基礎(chǔ)（圖3）。
中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后方孫貞合為本文第一作者，上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院碩士生趙陽（已畢業(yè)）與張鵬組助理研究員張雪共同參與了研究。張鵬研究員和俞芳副教授為共同通訊作者。本研究的冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集和蛋白樣品分析得到了復(fù)旦大學(xué)和中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心公共技術(shù)中心的支持和幫助。本研究得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院及上海市項(xiàng)目的資助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady3442
圖1?植物磷酸鹽運(yùn)輸系統(tǒng)
圖2 OsSPDT的結(jié)構(gòu)與功能分析
圖3 SPDT和PHO1的工作模型
