浙江大学刘建祥课题组揭示水稻响应缺锌的分子机制，为生物强化缓解“隐性饥饿”提供候选方案

责编 | 王一

锌(Zn) 是生物必需的微量营养元素，缺锌危害世界约17%人口的健康，Zn被认为是一种“隐性饥饿”元素。Zn作为植物中一种微量元素，在植物生长发育过程中必不可少。Zn作为许多酶和调节蛋白的辅因子，在清除超氧化物自由基、维持膜完整性以及介导酶促反应、转录因子结合DNA和蛋白质-蛋白质相互作用中发挥重要作用。土壤中锌缺乏现象普遍存在，而当植物中锌缺乏时会影响生长发育，降低作物产量和品质以及营养价值。水稻（Oryza sativa L.）是全球一半以上人口的主食，然而人们对水稻如何响应锌缺乏仍然知之甚少。

近日，浙江大学生命科学学院刘建祥教授团队在Plant, Cell & Environment发表了题为“Regulation of metal homeostasis by two F-group bZIP transcription factors bZIP48 and bZIP50 in rice”的研究论文，发现水稻中两个bZIP家族的转录因子OsbZIP48/50在响应锌缺乏反应中扮演着至关重要的角色。

OsbZIP48/50同为水稻bZIP家族中F亚家族的转录因子，均具有转录激活活性。OsbZIP48/50通过与锌转运子OsZIP4、OsZIP10等基因启动子上的ZDRE序列结合并激活其表达，促进水稻对锌、铁等元素吸收和利用，以维持植物正常的生长发育。OsbZIP48和OsbZIP50同时突变后植株对缺锌非常敏感，生长缓慢，体内锌、铁等元素的含量降低。

OsbZIP48/50在蛋白结构上类似，蛋白N端包含半胱氨酸、组氨酸富集的可预测感应锌离子水平的ZSMs区域，C端包含bZIP结构域。在正常情况下，OsbZIP48/50 主要定位于细胞质中，当截去ZSMs结构域，或者将ZSMs中保守位点的半胱氨酸或组氨酸突变为丙氨酸后，其亚细胞定位主要定位于细胞核中，激活下游基因表达。基于ZSMs突变会使OsbZIP48/50主要定位于细胞核中，作者在OsbZIP50功能缺失的同时构建了OsbZIP48蛋白ZSMs突变的水稻材料。在田间常规种植过程中，作者发现该突变体水稻材料的旗叶和糙米中锌、铁等元素含量明显比野生型（ZH11）对照材料中的含量高，显示出编辑OsbZIP48基因提高水稻籽粒铁、锌等微量元素含量的潜力。

综上所述，本研究揭示了OsbZIP48/50在调节锌元素稳态中发挥的关键作用。正常锌浓度条件下，OsbZIP48/50的ZSMs区域抑制其细胞核定位。在锌缺乏条件下，由于锌离子不足，ZSMs与锌离子解离，经历构象变化，更多的OsbZIP48/50进入细胞核，从而促进了锌转运子等下游基因表达，缓解缺锌胁迫（图1）。通过基因编辑OsbZIP48基因编码的ZSMs区域，产生持续活化定位于细胞核的转录因子，促进锌铁等微量元素的吸收和累积。该研究为创建富锌富铁水稻品种提供了新基因新思路。

图1. OsbZIP48/50调控水稻缺锌响应的工作模型

浙江大学生命科学学院博士研究生卿涛为该论文的第一作者，刘建祥教授为通讯作者。课题组博士生谢天赐、祝巧云，特聘研究员芦海平也参与了该工作。该论文预印本已于2023年5月18日在bioRxiv 发表。

https://doi.org/10.1111/pce.14852