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《自然—植物》:栾升/兰文智团队合作发现酵母和植物液泡区域化镁离子的分子机制 精选

已有 3357 次阅读 2022-1-28 08:11 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2022年1月28日,美国加州大学伯克利分校栾升教授课题组与南京大学兰文智教授及西北大学付爱根教授合作在Nature Plants期刊在线发表题为“Conserved mechanism for vacuolar magnesium sequestration in yeast and plant cells”的研究性文章。


该研究发现定位于液泡膜Ancient Conserved Domain Proteins (ACDPs)的同源蛋白MGRs(Magnesium Release)是酵母和植物细胞将Mg2+转运到液泡内的关键组分,从而揭示了真菌和植物响应环境中矿质营养镁的波动而将过量的Mg2+区域化到液泡内的保守机制。


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所有生物体都需要矿质营养的有效供应以维持生命活动。矿质元素以离子形式通过细胞质膜定位的转运体蛋白进入胞内后,穿梭于细胞器和细胞质之间,为胞质的生化反应提供了一个最佳的稳态营养环境。液泡是真菌和植物细胞特有的细胞器,储存着胞内大部分矿质营养。当外部营养物质充足时,多余的营养物质被隔离到液泡中,防止胞质矿物质的过度积累而引起毒性;当细胞面临营养缺乏的环境时,储存在液泡中的营养会被重新释放到胞质中供细胞维持正常的代谢和生理活动。因此,液泡维持着植物(以及多数真菌)细胞中营养的稳态,是植物(和以酵母为代表的真菌类)适应外界环境中矿质营养急剧变化的关键组分之一。与其它多数矿质营养类似,大部分的镁离子(Mg2+)被储存在液泡中,这就意味着液泡膜上具有吸收和排出Mg2+的转运体蛋白。尽管之前的研究提示Mg2+/H+交换蛋白(MHX)和CorA家族的两个成员MGT2/MGT3可能是植物液泡膜上Mg2+转运体蛋白,但是它们的缺失并没有改变植物响应高镁胁迫的能力(Shaul et al., 1999; Conn et al., 2011; Tang et al., 2015),因此其实际的相关生理功能并未明确,这也暗示着液泡膜上存在其它重要的Mg2+内向转运体(介导离子从细胞质转运到液泡内)有待被鉴定出来。


栾升教授课题组多年来致力于寻找和研究植物细胞内Mg2+的转运蛋白,并在二十多年前首次报道了植物细胞中Mg2+转运体MGT(Magnesium Transporter)家族蛋白(Li et al., 2001)。在之后的工作中,栾升教授课题组和其他国内外同行系统地研究了MGT家族各个成员的生理功能。然而,液泡膜上的Mg2+内向转运体一直没有被鉴定出来。之前的研究表明缺乏MAM3的酿酒酵母突变株(mam3Δ)虽然具有耐高锰(Mn2+)的表型,但是进一步研究发现MAM3蛋白并不具有直接调节Mn2+转运或代谢的功能(Yang et al., 2005),因此MAM3蛋白的功能属性多年来也一直未被理解。MAM3蛋白定位于酵母细胞的液泡膜上,与哺乳动物中Mg2+转运体ACDP蛋白家族具有一定的同源性。考虑到二价金属离子Mn2+和 Mg2+存在功能拮抗,因此设想该突变株mam3Δ的耐高锰毒性可能是酵母胞质内Mg2+过量积累导致的间接结果。为了检验该假说,研究人员改变了培养基中二价金属离子(Mg2+,Ca2+)浓度以比较野生酵母(BY4741)和突变株(mam3Δ)的耐受重金属离子Mn2+(以及Co2+)的能力,结果发现mam3Δ的耐高锰性特异地依赖于外界培养基中的Mg2+浓度。进一步的离子组测定显示mam3Δ突变株中的Mg含量显著下降了三分之二左右,而其它矿质元素含量都变化不大(Fig.1A)。与野生型相比,突变株mam3Δ表现出对高镁的特异敏感性(Fig.1B),并且含有较低的镁含量(Fig.1C)。另外,MAM3的功能回补可以显著地提高mam3Δ的耐高镁性(Fig.1B)。这些结果表明MAM3是酵母液泡区域化Mg2+的转运体,其突变引起过量的Mg2+滞留在细胞质中,从而提高了酵母耐高锰性(高Mg2+降低胞质Mn2+/Mg2+比值)而降低了细胞的耐高镁性。


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Fig.1. A,野生型酵母和mam3Δ突变株的离子组测定;B,酵母突变株mam3Δ在高镁胁迫下的生长表型; C, 野生型酵母和mam3Δ突变株在不同外界镁浓度培养下的镁含量。


通过系统进化树分析发现植物中存在着ACDP的同源蛋白,其中模式植物拟南芥存在9个同源基因编码不同的转运蛋白,并将其命名为MGRs(Magnesium Release)。该研究团体接着探讨在该家族蛋白是否有成员位于拟南芥的液泡膜上。通过荧光共定位分析表明其中有3个成员(MGR1-MGR3)特异定位于液泡膜(Fig. 2A)。进一步利用T-DNA插入的拟南芥突变体,研究团队从遗传上分析了这些功能缺失的突变体对各种过量金属离子胁迫的敏感性,并发现mgr1突变体特异地表现出对高Mg2+的敏感性,其在外界高Mg2+条件下出现植株矮小和叶片黄化等严重受胁迫表型(图2B)。离子含量测定显示与野生型相比,在高镁处理下mgr1 地上部和液泡内Mg含量均显著降低(图2C)。利用mgr多突变体的遗传实验,研究团队进一步证实了MGR1是拟南芥适应高镁胁迫的主要液泡膜镁转运体蛋白。MGR家族蛋白在植物各物种间高度保守,且不同成员存在于细胞膜,液泡膜和叶绿体膜上,暗示着其成员在不同场合广泛发挥着调节细胞质和细胞器内Mg2+均衡的功能,这些都有待于进一步的研究。总之,该研究发现了植物中一个新的Mg2+转运家族,并证明了其液泡膜上的成员与真菌中的ACDP类转运体是植物和真菌适应环境中高镁胁迫的关键蛋白,它们介导的液泡区域化机制在植物和真菌细胞中具有高度的保守性。

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Fig.2. A, MGR1, MGR2和MGR3蛋白定位于植物细胞的液泡膜上; B, 拟南芥mgr1突变体在高镁培养条件下的表现型; Cmgr1突变体植株地上部分和细胞液泡内的镁离子含量。

加州大学伯克利分校唐仁杰博士,南京大学博士研究生孟素芳,张斌博士(现为西北农林科技大学未来农业研究院副教授)和郑小江博士(现为西北大学副教授)为该论文的共同第一作者,栾升教授和兰文智教授为通讯作者。南京大学赵福庚副教授和西北大学付爱根教授参与本项研究指导。


本文参考文献(可划动查看)

Shaul, O. et al. Cloning and characterization of a novel Mg(2+)/H(+) exchanger. EMBO J 18, 3973-

3980, doi:10.1093/emboj/18.14.3973 (1999).

Tang, R. J. et al. Tonoplast CBL-CIPK calcium signaling network regulates magnesium homeostasis

in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci U S A 112, 3134-3139, doi:10.1073/pnas.1420944112 (2015).

Conn, S. J. et al. Magnesium transporters, MGT2/MRS2-1 and MGT3/MRS2-5, are important for

magnesium partitioning within Arabidopsis thaliana mesophyll vacuoles. New Phytol 190, 583-

594, doi:10.1111/j.1469-8137.2010.03619.x (2011).

Li, L., Tutone, A. F., Drummond, R. S., Gardner, R. C. & Luan, S. A novel family of magnesium

transport genes in Arabidopsis. Plant Cell 13, 2761-2775, doi:10.1105/tpc.010352 (2001).

Yang, M., Jensen, L. T., Gardner, A. J. & Culotta, V. C. Manganese toxicity and Saccharomyces

cerevisiae Mam3p, a member of the ACDP (ancient conserved domain protein) family. Biochem J 386, 479-487, doi:10.1042/BJ20041582 (2005).

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41477-021-01087-6




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1 黄永义

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