Plant Cell | 张鹏组研究组破解C4植物光合碳浓缩关键机制

202 6年2月23日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心张鹏研究组在The Plant Cell在线发表了题为“Substrate specificity and transport mechanism ofthechloroplast dicarboxylate transporters DiT1 and DiT2”的研究论文，解析了C4植物光合碳浓缩系统叶绿体膜四碳二羧酸转运蛋白DiT1/2的高分辨率三维结构，阐释了其底物选择性识别和转运的分子机制与进化历程，为深入理解C4光合作用提供了重要分子见解。

C4植物拥有高效的CO2浓缩机制CCM（CO2 concentrating mechanism），以四碳二羧酸为“CO2载体”在叶肉细胞与维管束鞘细胞之间穿梭，将CO2富集于固碳酶RuBisCO周围，从而显著提升光合作用效率。其中，细胞特异性表达的二羧酸转运蛋白DiT1/2（Dicarboxylate Transport），负责不同四碳二羧酸跨叶绿体膜的转运，是C4植物CCM功能得以实现的关键（图1A、C）。此外，DiT蛋白还广泛参与了绿色植物的碳氮代谢耦合、光呼吸代谢以及叶绿体氧化还原稳态调控“苹果酸阀”等重要生理过程（图1B、C）。过去40多年的研究发现，虽然植物DiT蛋白在动物中的同源蛋白是Na+依赖的转运蛋白，但DiT的转运不依赖Na+，并且DiT1/2具有不同但部分重叠的底物特异性：DiT1可以转运苹果酸（malate）、草酰乙酸（OAA）和2-酮戊二酸（2-OG），而DiT2则在此基础上，额外具有转运氨基酸底物谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）的能力。然而长期以来，DiT蛋白如何选择性识别底物、并如何实现Na+非依赖性跨叶绿体膜转运一直是领域内悬而未解的科学问题。

图1 DiT蛋白参与的植物生理过程及其转运底物

为解决这一科学问题，研究人员对多种植物来源的DiT蛋白进行了异源表达尝试，发现相比C4植物玉米的DiT蛋白，拟南芥来源的DiT蛋白（AtDiT）在异源表达体系具有更优异的特性，进而利用冷冻电镜技术解析了AtDiT1与AtDiT2.1分别结合不同底物、并处于不同构象的三维结构。结构分析揭示了决定底物选择性的分子基础（图2A–F）：DiT1仅具有单一的底物结合位点，以相同的模式识别草酰乙酸、苹果酸与2-酮戊二酸，其底物结合口袋表面呈正电性，因此排斥了带氨基的底物结合；而DiT2则拥有两个不同的底物结合位点，可分别容纳C4与C5二羧酸，并允许谷氨酸和天冬氨酸在空间上规避静电排斥，从而具有更广泛的底物谱。研究进一步揭示了植物DiT蛋白利用两个保守的正电荷氨基酸（图2G），在空间和静电作用上巧妙地模拟了动物同源蛋白中Na⁺离子的功能，稳定了底物结合口袋，从而实现不依赖Na⁺的电梯式转运机制。

研究人员还追溯了DiT蛋白的进化轨迹，发现了一个与植物登陆过程密切关联的氨基酸替换（图2H–I）。在从水生绿藻向陆地植物过渡的关键类群轮藻（陆地植物的藻类祖先）中，DiT1蛋白底物结合口袋的第226位氨基酸发生了从丙氨酸（绿藻）至丝氨酸（轮藻）的替换，并且在随后的陆地植物中高度保守。这一替换增强了DiT1对草酰乙酸的结合能力，考虑到DiT1是叶绿体“苹果酸阀”的核心组分，负责在高光胁迫下导出还原力以缓解光抑制，该功能强化可能为早期植物适应陆地更强光照环境提供了关键的适应性优势。

图2 DiT蛋白的底物选择性识别和转运机制及关键位点A226S进化历程

该研究是张鹏研究团队继藻类碳浓缩机制取得系列成果后（Nature Plants，2019/2026, PMID: 31712753/41507353；PNAS, 2021, PMID: 34031249），在陆地植物光合碳浓缩领域取得的又一重要进展。研究揭示的DiT1/2结构与机制信息，不仅回答了该领域长期存在的关键科学问题，深化了对C4光合核心元件的认知，也为未来通过合成生物学手段在C3作物中设计C4光合碳浓缩模块提供了直接的理论指导和潜在的蛋白工程改造靶点。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后杨朝为该论文第一作者，张鹏研究员、杨朝博士为该论文的共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院和上海市科委等的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag041