1. 分子植物科學卓越創新揭示植物響應重金屬脅迫的解毒機制

        文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2022-05-07  |  【打印】 【關閉

          

          2022年5月5日,國際植物學領域期刊New Phytologist在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究組題為 “Sec24C mediates a Golgi-independent trafficking pathway that is required for tonoplast localization of ABCC1 and ABCC2” 的研究論文。該研究證明包被蛋白復合體組分Sec24C通過高爾基非依賴的途徑介導轉運蛋白ABCC1/2定位至液泡膜,從而使其發揮液泡區隔化的作用,增強植物對重金屬鎘及砷脅迫的耐受性。

          重金屬污染是當今世界范圍內廣泛存在的一個嚴峻問題,植物已經進化出較為精確的防御機制以適應重金屬脅迫,其中液泡區隔化在重金屬解毒過程中發揮著關鍵作用。闡明液泡膜蛋白定位的分子機制對于環境保護、植物響應重金屬脅迫及人類食物安全等方面都具有重大意義。蛋白分選是生命體活動中一個必不可少的生物學過程。在擬南芥中,液泡膜蛋白存在較為復雜的分選及運輸途徑,相關的調控機制也得到了較為深入的研究。在經典的蛋白質合成及分泌過程中,膜蛋白的運輸通常依賴于高爾基體的分選,有研究顯示部分蛋白質以高爾基非依賴的途徑運輸至靶細胞器,但其分子機制尚不清楚。定位在液泡膜上的ABC超家族成員AtABCC1和AtABCC2可以將重金屬螯合物Cd-PCs及As-PCs轉運至液泡內,在重金屬鎘和砷的解毒過程中發揮著重要的作用,但是ABCC1/2在內質網合成后,是如何定位至液泡膜上的仍是未解之謎。

          研究者通過正向遺傳學方法,篩選出一個對鎘及砷極為敏感的突變體cadmium- and arsenic-sensitive 2 (cas2)。并采用圖位克隆、等位性檢測及遺傳互補等實驗手段,證明了cas2突變體在重金屬鎘及砷的脅迫條件下表現出的生長缺陷表型是由于包被蛋白復合體II內層包被蛋白基因Sec24C突變導致的。進一步研究發現,當進行重金屬處理時,cas2突變體中的液泡區隔化作用明顯受損,表現出極強的重金屬敏感性。并且在cas2中,重金屬區域化相關的液泡膜蛋白NRAMP3、NRAMP4以及HMA3仍能正確定位,但是ABCC1及ABCC2的定位發生明顯變化且定位于內質網中。隨后研究者通過酵母雙雜交、熒光素酶互補、雙分子熒光互補以及免疫共沉淀等實驗,證明了Sec24C與ABCC1及ABCC2之間存在相互作用。以上結果表明,Sec24C能夠調控蛋白ABCC1及ABCC2正確定位于液泡膜上,從而使其發揮液泡區隔化作用,賦予植物對重金屬鎘及砷的耐受性。

          Sec24是COPII復合體的重要組成成分,能夠介導蛋白質從內質網到高爾基的分選及運輸。然而該項研究發現,ABCC1的運輸并不依賴于BFA敏感的高爾基,且ABCC1以及ABCC2在Sec24C的作用下從內質網運出并直接轉運至PVC,最終定位至液泡膜上。此過程與經典的液泡膜蛋白分選途徑不同,并未涉及高爾基、反式高爾基等細胞器。

          綜上所述,Sec24C能夠調控液泡膜蛋白ABCC1及ABCC2的正確定位,并且介導其以高爾基非依賴的途徑運輸至PVC,最終定位在液泡膜上,從而發揮液泡區域化的作用,以響應重金屬鎘及砷的脅迫。此研究不僅完善了重金屬耐受性的調控網絡,同時也證實了一條新的蛋白運輸通路,即ER-PVC-TP,進一步完善了液泡膜蛋白的分選途徑,也為進一步探索COPII復合體的功能奠定了基礎。

          中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究員為該論文的通訊作者,已畢業博士生呂巧燕及副研究員韓美玲為論文的共同第一作者,研究組高軼群、晁振飛、張楚瑩、王亞玲、鐘荔媛等參與了部分工作。該研究得到了中國科學院先導項目和國家自然科學基金等項目的支持。

          論文鏈接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.18201

        Sec24C調控ABCC1及ABCC2從內質網運至液泡的分子模型

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