Plant Cell | 华中农业大学刘主课题组揭示OsMRP5介导水稻液泡植酸积累的分子机理

植酸，又称为肌醇六磷酸（InsP6，Inositol hexaphosphate），是植物种子及营养组织有机磷的主要储存形式，主要储存于植物液泡中。它不仅作为核心磷库维持植物体内磷稳态，还承担着关键信号分子的角色，广泛调控植物逆境胁迫响应、激素信号传导及种子萌发等多种重要生理过程。然而，InsP6在膳食中存在明显的“抗营养”特性：人类等单胃动物的胃肠道缺乏分解InsP6的特异性酶，导致植物来源的InsP6难以被代谢吸收；同时，InsP6易与金属阳离子螯合，过量摄入会进一步阻碍人体对矿物营养的吸收，增加微量元素缺乏的风险。此外，食物中未被吸收的InsP6会随粪便排出，其释放的磷可导致水体富营养化，因此植物中的InsP6通常被认定为一种抗营养物质。

在水稻中，OsMRP5（multidrug resistance-associated protein 5，又称为OsABCC13），是已知唯一负责将InsP6靶向转运至液泡积累的转运蛋白。它属于ABC（ATP结合盒）转运蛋白超家族成员，通过水解ATP提供能量进行底物转运。该蛋白的序列和功能在植物中高度保守。自首个MRP类型InsP6转运体鉴定以来，近30年间，科研人员陆续在多种作物中发现了MRP类型InsP6转运体，为培育低植酸（lpa）作物提供了重要靶点，但其结构基础与转运机制仍不清楚，阻碍了对低植酸作物的开发。

近日，华中农业大学刘主教授课题组在The Plant Cell在线发表了题为Cryo-EM structures of Oryza sativa MRP5 reveal a phytate accumulation mechanism in plant vacuoles的研究论文。该研究综合运用冷冻电镜（cryo-EM）、微量热泳动（MST）、自适应牵引分子动力学（ASMD）模拟、分子对接（MD）等技术，系统且深入揭示了OsMRP5识别并转运InsP6的分子机制。

研究团队首先建立了基于蛋白脂质体的生化体系，成功检测到OsMRP5的体外InsP6转运活性。基于ATP酶活性实验发现，InsP6能显著促进OsMRP5蛋白的ATP水解活性。运用Cryo-EM技术，研究团队解析了OsMRP5结合InsP6多种状态结构。结构分析发现，OsMRP5通过两种性质不同的极性口袋结合InsP6：一个主要由正电荷氨基酸残基组成的“P口袋（正电荷口袋）”和一个由极性氨基酸残基组成的“H口袋（极性口袋）”。这种结合方式不同于其他ABCC转运蛋白结合两亲性底物的两亲性口袋。研究团队揭示了一系列参与InsP6结合与转运的关键氨基酸位点，这些位点在植物中100%保守。

一个关键发现是，OsMRP5底物结合口袋上方存在一段正电荷通道。研究者通过ASMD模拟技术可视化模拟了底物易位路径，并结合转运实验证实，该通道正是驱动强负电荷的InsP6底物向液泡侧转运的易位路径。

基于底物结合口袋及易位通道的独特性质，研究者利用MST、体外转运实验、ATP水解活性实验，深入分析了OsMRP5的底物特异性。结果表明，与InsP4、InsP5相比，OsMRP5蛋白对InsP6具有更强的亲和力（Kd ≈ 16 μM）与特异性，提示OsMRP5可能具备识别和转运多种肌醇磷酸的能力，为后续深入研究其功能多样性提供了重要线索。

此外，通过对低植酸作物相关文献的系统调研，研究团队将多种作物中导致低植酸表型的突变位点映射到OsMRP5蛋白结构上，确认了这些位点的结构保守性，并通过ATP酶活性实验验证了它们对OsMRP5转运功能的关键作用。

综上，该研究通过冷冻电镜技术，结合生化分析，揭示了OsMRP5转运InsP6的分子机制。该研究不仅丰富了对ABC转运蛋白转运强负电荷底物机制的理解，更重要的是，为未来更精准、高效地开展低植酸作物分子育种奠定了坚实的分子理论基础。

华中农业大学生命科学技术学院博士生左佳琦、张杰和硕士生唐颖为论文共同第一作者。刘主教授为论文共同通讯作者。广州实验室冷冻电镜中心和武汉大学大学冷冻电镜平台为电镜数据收集提供了重要支撑和帮助，研究工作得到国家自然科学基金等项目的支持。

论文连接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koag088