磷是植物生長發(fā)育必需的大量營養(yǎng)元素，主要以無機磷酸鹽（inorganic phosphate，Pi）的形式被植物吸收和利用。然而，土壤中的磷酸鹽易與金屬離子結合形成難溶性沉淀，導致其有效性低、流動性差，使作物對磷的吸收利用效率長期處于較低水平。為適應復雜多變的磷營養(yǎng)環(huán)境，植物進化出了一套精密的磷吸收、轉(zhuǎn)運與再分配系統(tǒng)，以維持體內(nèi)磷穩(wěn)態(tài)并滿足不同組織和器官的生長發(fā)育需求。

在這一磷吸收與再分配網(wǎng)絡中，作物籽粒中的磷積累尤為關鍵，它不僅影響種子發(fā)育，還關系到糧食品質(zhì)、植酸含量及農(nóng)業(yè)磷資源利用效率。已有研究表明，水稻SPDT（SULTR-like phosphorus distribution transporter）定位于節(jié)間維管組織，負責磷向發(fā)育籽粒中的再分配。敲除 OsSPDT 可顯著降低籽粒中磷和植酸含量，同時對植株生長和產(chǎn)量影響較小，因此 OsSPDT 被認為是培育低植酸水稻和提高作物磷利用效率的重要靶點。然而，OsSPDT蛋白如何識別和轉(zhuǎn)運磷，其構象變化如何與轉(zhuǎn)運過程耦聯(lián)，長期缺乏直接的結構和動力學證據(jù)。

近日，華中農(nóng)業(yè)大學劉主課題組在Science China Life Sciences在線發(fā)表題為Structural and dynamic insights into SPDT for phosphorus allocation in rice的研究論文，報道了水稻磷轉(zhuǎn)運蛋白OsSPDT的冷凍電鏡結構，結合單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移（smFRET）技術，對其構象變化進行了可視化分析，揭示了其識別、轉(zhuǎn)運磷的分子機制。

在本研究中，研究團隊建立了一套基于蛋白脂質(zhì)體重構—放射性同位素檢測、異源酵母、細胞等功能實驗，系統(tǒng)證實了OsSPDT蛋白具有磷轉(zhuǎn)運功能，并揭示其轉(zhuǎn)運過程依賴質(zhì)子驅(qū)動力。基于OsSPDT蛋白的高分辨率結構，研究團隊解析了其二聚體組裝方式、跨膜區(qū)結構特征以及磷結合位點，鑒定出一系列參與磷識別與轉(zhuǎn)運的關鍵氨基酸位點（圖1）。進一步研究發(fā)現(xiàn)，OsSPDT蛋白胞質(zhì)側(cè)存在由帶正電氨基酸構成的磷釋放通道，而E370關鍵殘基可能參與質(zhì)子耦聯(lián)過程，協(xié)同驅(qū)動磷跨膜轉(zhuǎn)運。

圖1. OsSPDT識別磷的結構基礎

為了進一步理解 OsSPDT蛋白在轉(zhuǎn)運過程中的構象變化，研究團隊整合單分子熒光smFRET 技術，在單分子水平可視化分析OsSPDT蛋白的動態(tài)構象轉(zhuǎn)換。結果顯示，OsSPDT蛋白并非處于單一靜態(tài)構象，而是在不同構象狀態(tài)之間發(fā)生動態(tài)轉(zhuǎn)換。通過分別監(jiān)測Gate–STAS和Gate–Core之間的距離變化，研究者發(fā)現(xiàn) STAS 結構域與跨膜區(qū)之間存在動態(tài)相互作用，并可能通過調(diào)節(jié)Core 結構域的位置變化參與穩(wěn)定特定構象狀態(tài)。進一步的STAS缺失實驗表明，缺失 STAS 后構象平衡發(fā)生明顯改變，提示 STAS 結構域在調(diào)控 OsSPDT蛋白構象動態(tài)和轉(zhuǎn)運循環(huán)中具有重要作用。

圖2. STAS結構域介導的轉(zhuǎn)運調(diào)控模型

綜上，該研究采用整合結構生物學策略，聯(lián)合冷凍電鏡、單分子熒光和多種功能實驗，系統(tǒng)揭示了水稻 OsSPDT蛋白識別和轉(zhuǎn)運磷的分子基礎，提出了 STAS 結構域調(diào)控 OsSPDT蛋白構象動態(tài)與轉(zhuǎn)運循環(huán)的機制模型（圖2）。該研究為理解植物體內(nèi)磷再分配的分子機制提供了結構與動態(tài)證據(jù)，也為調(diào)控籽粒磷積累、培育低植酸作物提供了一定理論基礎。

華中農(nóng)業(yè)大學生命科學技術學院碩士生何海濤，博士生劉艷和博士生張杰為論文共同第一作者。劉主教授為論文通訊作者。廣州實驗室先進生物成像平臺為電鏡數(shù)據(jù)收集提供了重要支撐和幫助，研究工作得到國家自然科學基金等項目的大力支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1007/s11427-026-3403-5