磷 (Phosphorus; P) 是植物生长发育所必需的生命元素。液泡是植物细胞内最大的无机磷储存场所，对于缓冲液泡内外磷水平，促进磷素在体内的再转移过程起到十分关键的作用。玉米作为旱作类粮食作物，对磷素的需求更加迫切，然而其体内的液泡磷转运体还没有被鉴定；另外，液泡磷外排转运蛋白介导的植物体内部磷素转移再利用机制还未曾可知。
近日，中国农业大学资源与环境学院/养分资源高效利用全国重点实验室张敬波教授课题组在JIPB上发表了题为“Vacuolar phosphate efflux transporter ZmVPEs are essential for mediating phosphate homeostasis and remobilization in maize leaves”的研究论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.13811)，揭示了玉米ZmVPEs作为液泡磷外排转运蛋白介导磷由老叶回流并向新叶再转移的分子生理机制。
该研究通过转录组数据和生物信息学分析，筛选出了参与叶片磷转移的三个潜在因子：ZmVPE1、ZmVPE2a和ZmVPE2b。ZmVPEs主要在玉米的老叶中表达，并且在叶片的叶肉细胞和维管束细胞中特异性表达。ZmVPEs的转录水平还受到缺磷和植物激素ABA处理的诱导上调。这些结果暗示ZmVPEs可能参与玉米中叶片磷的再转移过程。
图 1. A. ZmVPE2a在不同叶片中的相对表达水平; B. ZmVPE2a在外源ABA处理条件下的相对表达水平; C. ZmVPE2a在缺磷处理条件下的相对表达水平; D. ZmVPE2a的组织特异性表达分析。
研究发现ZmVPEs均定位于液泡膜上，酵母回复互补实验也证实了ZmVPEs具有无机磷 (Phosphate; Pi) 转运活性。进一步通过体内的31P-NMR核磁共振实验研究发现在玉米中增强表达ZmVPEs能促进无机磷从液泡的大量输出进而降低液泡磷含量。这些结果说明ZmVPEs具有液泡磷外排的转运功能。
图2. A. ZmVPEs蛋白的液泡膜定位; B. 31P-NMR检测玉米液泡中无机磷浓度。
进一步的研究表明增强表达ZmVPEs能促进玉米中老叶的磷向新叶的再转移，而ZmVPE2a基因的突变则削弱了该过程。另外，VPEs介导的叶片磷的再转移功能在作物玉米及水稻中是保守的。
图3. A. 不同叶片磷浓度分析; B. 不同叶片磷转移比率分析。
综上，该论文报道了液泡磷外排转运家族成员ZmVPEs受到ABA信号的正向调控从而促进玉米老叶中的磷向新叶的再转移，提高磷利用效率的新功能。
图4. ZmVPEs介导叶片磷再转移的模式图
中国农业大学资源与环境学院在读博士研究生郭贞慧为该论文的第一作者，张敬波教授和中国农业科学院农业资源与农业区划研究所徐磊副研究员为共同通讯作者。中国农业大学袁力行教授、陈益芳教授、陈丽梅教授、中国农业科学院易可可研究员、阮文渊研究员参与指导了该项工作。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国农业大学2115人才培育项目的资助。
Guo,
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