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科研进展

植物逆境中心黄朝锋课题组和华南师大阳成伟课题组合作揭示锰调控高尔基糖基化和细胞壁合成的新机制

2021-01-18

        2021年1月17日,国际学术期刊New Phytologist在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/中国科学院上海植物逆境生物学研究中心黄朝锋课题组和华南师范大学阳成伟课题组合作完成的研究论文“Golgi-localized manganese transporter PML3 regulates Arabidopsis growth through modulating Golgi glycosylation and cell wall biosynthesis”。该研究报道了锰转运蛋白PML3通过高尔基锰积累从而调控高尔基糖基化和细胞壁合成的新机制。
 
        锰调控植物的许多重要生物学过程,特别在植物光合、细胞内的氧化还原等过程扮演关键角色。土壤中锰的可利用性主要受土壤pH、水分含量以及土壤结构的影响。通常在碱性、干燥、沙质(孔隙大)的土壤中锰的生物可利用性比较低,植物容易出现缺锰症状;相反,在酸性和水含量高的土壤中种植,植物容易出现锰中毒现象。为了应对土壤中剧烈变化的可利用锰,植物采用一系列锰转运蛋白来维持植物体内的锰稳态。高尔基体是一个重要的锰存储区室,对植物应对锰缺乏和锰毒害起不可或缺的作用。在高浓度锰条件下,拟南芥MTP11和ECA3等转运蛋白能将锰转运至高尔基内进行解毒;而在锰缺乏条件下,NRAMP2将从高尔基内存储的锰运出进行锰的再利用。但是,锰在植物高尔基内是否具有重要生物学功能目前还不清楚。
 
        本研究利用对锰转运蛋白家族UPF0016中PML3成员的功能解析揭示了锰在高尔基糖基化和细胞壁合成过程中扮演的重要调控作用。亚细胞定位实验显示,PML3-GFP偏好定位于顺式高尔基上。PML3的酵母易源表达实验证明了PML3是一个锰的外排性转运体(efflux transporter)。表型分析显示,pml3突变体特异对缺锰敏感。锰含量分析显示,pml3突变不影响植物对锰的积累。在生殖生长阶段,缺锰严重影响pml3突变体的生长发育,包括提前开花、育性降低、果荚缩小等,这说明PML3对拟南芥生殖生长阶段的锰利用起更重要的作用。
 
        该课题之前的研究发现,NRAMP2定位于反式高尔基体网络,负责将高尔基内的锰运出进行再利用(Gao et al. 2008. New Phytologist);而本研究中的PML3定位于顺式高尔基,负责将细胞质的锰转入高尔基中进行利用。两者转运锰的方向相反,但在缺锰条件下都对维持植物生长起积极正向作用。对nramp2pml3突变体进行细致表型比较发现,在缺锰条件下,nramp2不同时期的生长受抑制程度较为恒定,并表现叶绿素含量下降;而pml3突变体在较为后期才出现生长受抑制,叶绿素含量不受影响,但是纤维素和部分单糖含量显著下降。有趣的是,pml3nramp2双突变的表型缺陷相对各单突变体得到部分恢复(图1)。
 
        进一步实验发现,在缺锰条件下,pml3突变体中高尔基糖基化水平下降,甘露糖苷酶活性减弱,以及受糖基化调控的参与纤维素合成的RSW2蛋白积累减少,这可能是导致突变体细胞壁合成缺陷的原因。此外,pml3还对高锰敏感,这说明PML3在锰利用和锰解毒方面扮演双重角色。
 
        基于如上所述的研究结果,作者提出了PML3和NRAMP2协作调控锰利用的工作模型(图2):定位于顺式高尔基的PML3将锰从细胞质转运至高尔基中,然后高尔基中的锰增强甘露糖苷酶活性从而促进包括RSW2在内的蛋白糖基化,进而调控细胞壁合成;锰可能也通过调控高尔基内糖基转移酶活性直接调控细胞壁合成。之后,定位于反式高尔基体网络的NRAMP2将高尔基内的锰转运回细胞质进行再利用,以及进一步分配到叶绿体中调控叶绿素的合成。该研究结果也揭示了缺锰条件下锰利用的优先顺序,即锰先被转入高尔基内进行利用,然后再转出至包括叶绿体在内的其它器官进行再利用。
 
        植物逆境中心博士生杨常洪、华南师大王超博士和植物逆境中心博士后Somesh Singh为论文的共同第一作者,黄朝锋研究员和阳成伟教授为该论文的共同通讯作者。该研究受到了中国科学院、国家自然科学基因面上项目和植物分子遗传国家重点实验室的资助。
 
 
 

图1. pml3nramp2的表型差异及它们之间的遗传互作关系

图2. 缺锰条件下PML3和NRAMP2协作调控高尔基内锰含量和细胞壁合成的工作模型