2025年1月21日，Nature Plants在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏与王永飞团队合作完成的题为“Structural mechanism underlying PHO1;H1-mediated phosphate transport in Arabidopsis”的研究论文。该研究首次解析了植物磷酸盐转运蛋白的三维结构，揭示了模式植物拟南芥PHO1;H1如何进行磷酸根外排以及多磷酸肌醇对其调控的机制。磷作为生物体不可或缺的重要营养元素，在多个生理过程中扮演着关键角色。然而，土壤中磷的有效性低，成为限制全球作物生产力的一个重要因素。植物发展出复杂的无机磷酸盐（Pi）转运系统来从土壤中吸收并运输Pi，以维持其在不同组织和细胞间的平衡。尽管已知多种Pi转运蛋白的存在，但关于它们的三维结构及其调控机制仍不清晰。拟南芥中的PHO1及类似蛋白PHO1;H1参与了将无机磷加载到木质部导管的过程，这对于磷从根部向地上部分的转移至关重要。研究人员通过电生理学技术验证了六磷酸肌醇（InsP6）对AtPHO1;H1促进Pi外排的作用，并利用冷冻电镜技术确定了AtPHO1;H1结合底物Pi及InsP6时的三维结构。此外，分子动力学模拟提供了AtPHO1;H1开放构象的见解。研究显示，AtPHO1;H1形成同源二聚体，其EXS结构域展示了一种新的蛋白质折叠方式，每个结构域都有独立的底物运输通道。两个门控氨基酸Trp719和Tyr610控制着通道的开关。InsP6与SPX结构域的结合增强了AtPHO1;H1的活性。基于这些发现，提出了一个工作模型：在低磷条件下，由于缺乏高磷信号分子，AtPHO1;H1处于失活状态；而在高磷条件下，生成的焦磷酸肌醇信号分子激活了AtPHO1;H1，使其能够有效地运输Pi。这项研究不仅揭示了植物磷酸盐转运蛋白的结构与功能，而且为改善作物磷吸收和光合作用效率提供了理论依据。同时，与其他关于哺乳动物中SPX-EXS家族磷转运蛋白的研究共同表明，这类蛋白可能具有相似的转运和调控机制发表在Nature和Science。图1. AtPHO1;H1的电生理分析、整体结构和底物跨膜转运通道分子植物卓越中心张鹏研究组的博士研究生方孙贞合、博士后杨阳和助理研究员张雪博士为该项工作的共同第一作者。张鹏和王永飞为该研究的共同通讯作者。本研究的冷冻电镜数据收集和蛋白样品分析得到了中国科学院生物与化学交叉研究中心和分子植物卓越中心公共技术服务中心的支持和帮助。本研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院及上海市项目的资助。张鹏，研究员。曾入选国家基金委“优青”、“杰青”、上海市“浦江人才”、“优秀学术带头人”，中科院上海生科院“S类”人才、英国皇家学会“牛顿高级人才”等。利用结构生物学、生物化学及遗传学方法，研究植物重要生理过程跨膜转运与信号传递的分子机理；揭示植物体生命活动的基本规律，为作物分子设计育种提供分子基础。
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