专家点评 Nature Plants | 遗传所储成才组揭示氮磷协同利用实现植物营养平衡的分子机制

　　氮和磷是对植物生长发育最为重要的两种矿质营养元素，两者的平衡对作物产量和品质的形成至关重要，然而植物体内氮磷平衡的调控机制以及氮磷信号途径的互作机制在很大程度上是未知的。2019年3月25日，中国科学院遗传与发育生物学研究所储成才研究组在Nature Plants在线发表了题为Nitrate–NRT1.1B–SPX4 cascade integrates nitrogen and phosphorus signalling networks in plants的研究论文，揭示了氮磷协同利用实现植物营养平衡的分子机制。该工作是植物营养领域的重要进展，我们有幸邀请到福建农林大学廖红教授和南京农业大学徐国华教授对该工作做了专业点评，以飨读者！

　　专家点评

　　氮和磷是植物生长发育所必需的两大矿质营养元素，也是农业生产上最主要的肥料要素，对作物产量和品质至关重要。作物只有在氮磷营养供应平衡情况下，才能实现高产优质。因此，植物体内一定存在密切的氮磷协同调控机制。硝酸盐（NO3-）和磷酸盐（PO43-）不仅是植物最主要的氮磷来源，而且作为信号分子分别调控了植物对氮、磷的吸收利用。尽管国内外学者在解析氮磷各自信号途径上做了大量研究，但植物如何调控体内氮磷平衡、氮磷信号途径之间是否存在互作机制等关键科学问题尚未得到解析。

　　最近，中国科学院遗传发育所储成才研究组揭示了水稻氮磷信号途径间的互作调控机制：NO3-通过调控其受体蛋白NRT1.1B与磷信号通路关键负调控因子SPX4的结合，同时激活NLP3和PHR2依赖的氮磷信号途径，促进水稻对氮磷的协同吸收和利用。NO3-能够促进NRT1.1B-SPX4复合体的形成，并通过NRT1.1B招募E3泛素连接酶NBIP1，使SPX4发生泛素化及蛋白降解，释放磷信号关键转录因子PHR2，从而激活下游磷吸收利用基因。有意思的是，氮信号途径核心转录因子NLP3也受SPX4调控。因此，NRT1.1B介导的SPX4降解会同时释放磷信号和氮信号核心转录因子，从而激活氮磷应答基因表达，实现氮磷协同利用。NRT1.1B是该研究组之前在水稻中鉴定的控制氮利用效率的重要蛋白，与拟南芥AtNRT1.1（CHL1）类似，具有NO3-受体和转运蛋白双重作用。这项研究的亮点是NRT1.1B能够通过影响SPX4蛋白稳定性来调控磷信号，同时SPX4也能通过结合NLP3来调控氮信号。

　　因此，该项研究不仅首次在植物中建立了从细胞膜受体NRT1.1B到细胞核内核心转录因子NLP3间完整的硝酸盐信号传导通路，也解析了植物氮磷平衡的分子基础，是植物氮磷营养信号研究领域极为重要的突破。

　　主要参考文献：

　　【1】Ho, C. H., Lin, S. H., Hu, H. C. &Tsay, Y. F. CHL1 functions as a nitratesensor in plants.Cell138, 1184–1194 (2009).

　　【2】Hu, B. et al. Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergencebetween rice subspecies.Nat. Genet.47, 834–838 (2015).

　　【3】Lv, Q. et al. SPX4 negatively regulates phosphate signaling and homeostasis through its interaction with PHR2 in rice.Plant Cell26, 1586–1597 (2014).

　　【4】Wild, R. et al. Control of eukaryotic phosphate homeostasis by inositol polyphosphate sensor domains.Science352, 986–990 (2016).

　　专家点评

　　植物对氮和磷的协同吸收利用是其正常完成生命周期的重要保证。近二十年来，植物硝酸盐（大多数植物的主要氮源）和缺磷诱导的信号调控网络已分别得到了初步的解析，但氮磷交互作用的分子调控机制知之甚少。

　　NRT1.1是质膜定位的硝酸盐转运蛋白，同时也可感应胞外的硝酸盐浓度，将信号从质膜转导至细胞核中，以驱动硝酸盐的应答反应。NLP3则是一个硝酸盐信号途径的转录因子。此外，PHR是植物缺磷信号转导途径的调控因子，在水稻中，细胞质定位的抑制蛋白SPX4与PHR2互作，调控PHR2在细胞质和细胞核中的分配。

　　在该文中，储成才教授课题组发现，水稻NRT1.1B在胞质与质膜上与SPX4发生互作, 其互作在高硝条件下尤为强烈。NRT1.1B可招募一个泛素降解途径的E3连接酶NBIP1以介导SPX4的降解。SPX4还与NLP3互作，调控NLP3核质穿梭，继而影响硝酸盐的应答反应。如此，高氮（硝）供应导致SPX4的降解，促使NLP3和PHR2进入细胞核，分别同时激活硝酸盐和缺磷信号转导途径。

　　该研究阐明了植物硝-磷协同吸收利用、实现营养平衡的分子机制，是植物营养学基础研究领域的一项重要突破。同时，该研究也将推动水稻铵-磷（铵是水稻更为主要的氮源）互作机制方面的研究，是全面解析植物氮磷互作机制的重要基础。

　　论文解读

　　储成才课题组前期的工作发现硝酸盐转运蛋白NRT1.1B的自然变异是导致水稻籼粳亚群间（indica和japonica）氮利用效率差异的重要原因（Hu et al., Nat Genet, 2015）。NRT1.1B的自然变异不仅导致籼稻硝酸盐吸收及转运的增强，同时触发更强的硝酸盐信号反应。

　　在这项最新的研究中，储成才课题组发现，细胞膜定位的NRT1.1B可以与细胞质定位的抑制蛋白SPX4发生互作，NRT1.1B结合硝酸盐后可增强两者的结合，并促进SPX4蛋白发生降解。作为抑制蛋白SPX4可以阻止硝酸盐信号核心转录因子NLP3进入细胞核，而NRT1.1B介导的SPX4降解使NLP3得以释放，进而激活下游基因表达触发硝酸盐应答反应。因此，NRT1.1B-SPX4-NLP3组成的调控模块完成了将硝酸盐信号从细胞膜至细胞核的完整传导过程。有意思的是，SPX4长期以来被认为是磷信号传导的关键调控组分，负责调控磷信号核心转录因子PHR2的核质穿梭。研究人员发现NRT1.1B介导SPX4蛋白降解也会促进PHR2进入细胞核，进而触发磷应答基因的表达。因此，硝酸盐信号可通过NRT1.1B-SPX4同时实现对硝酸盐应答基因和磷应答基因的协同激活，从而实现氮磷营养平衡。

　　为了进一步回答NRT1.1B介导SPX4发生蛋白降解的原因，研究人员鉴定到了一个NRT1.1B的互作蛋白——NBIP1（NRT1.1B interacting protein 1，一个泛素连接酶E3）。研究发现，NRT1.1B可以招募NBIP1及SPX4形成复合体，以促进SPX4的泛素化及蛋白降解。

　　硝酸盐信号传导及氮磷平衡模式图

　　该研究进一步完善了硝酸盐信号传导通路，为硝酸盐受体的信号传递机制补充了关键的组分。该项研究不仅揭示了硝酸盐受体传递信号的关键机制，建立了完整的硝酸盐信号传导通路，而且阐明了氮磷协同利用实现植物营养平衡的分子机制，对植物营养研究具有重要意义。

　　储成才课题组副研究员胡斌、博士后蒋志敏、王威以及博士研究生仇亚红为该论文的共同第一作者。储成才研究员和胡斌副研究员为共同通讯作者。