陕西
磷是植物生长发育不可或缺的大量元素，也是限制作物产量的关键因子。在植物细胞中，高达90%的磷以无机磷酸盐（Pi）的形式储存在液泡中，液泡因此成为细胞应对外界磷营养波动的“缓冲仓库”。缺磷时，液泡膜上的磷外排转运蛋白（VPEs）被诱导表达，将储存的Pi重新动员回细胞质，维持代谢稳态。然而，液泡内储存的Pi究竟如何被识别并跨膜释放，这一基本科学问题的分子机制长期未被阐明。
近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、湖北洪山实验室刘主团队在PNAS上在线发表了题为Decoding plant vacuolar phosphate efflux: structural and dynamic insights from rice VPE2的研究论文。该研究以水稻液泡磷外排转运蛋白OsVPE2为研究对象，整合冷冻电镜（cryo-EM）结构解析、单分子荧光共振能量转移（smFRET）动态观测与生化功能分析，深入揭示了植物液泡Pi外排的分子机制，并发现了一个调控转运循环的独特“分子开关”，为“微调”其活性进而调控液泡磷释放提供了新靶点。
冷冻电镜捕捉转运循环的关键构象
研究人员首先在细胞和酵母体系中验证了OsVPE2的Pi转运活性，并证实其活性受酸化条件促进。随后通过冷冻电镜解析了OsVPE2在无底物、Pi结合及低pH条件下的多个高分辨率结构，捕捉到转运循环中外向闭合态与内向开放态两种关键构象。结构显示，Pi被锁定在转运蛋白中央一个带正电的结合口袋中，由多个保守残基通过静电作用和氢键网络精确识别与稳定；这些残基在VPE家族中高度保守，突变后转运活性显著下降。
单分子成像“实时看见”分子开关的舞动
结构分析中最引人注目的发现，是一段半嵌入膜内的液泡耦合螺旋（Vacuolar coupling helix，VCH）。在外向闭合态中，VCH像“塞子”一样嵌入跨膜区、封住液泡侧入口；而在低pH的内向开放态中，VCH从跨膜区脱离，开启Pi向细胞质释放的通道。
VCH的这种位移如何与转运蛋白的整体构象变化耦合？团队利用单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，在单个OsVPE2分子的VCH上“安装”荧光探针，在溶液中实时追踪其动态。单分子轨迹显示，VCH在“嵌入”与“脱离”两个状态之间可逆切换；当环境pH降低时，VCH脱离态的比例显著上升，与冷冻电镜捕获的结构变化高度吻合。这是首次在单分子水平上直接观测到植物磷转运蛋白调控元件的实时动态，证明VCH的位移并非随机涨落，而是与转运循环功能性耦合的构象开关。进一步的截短突变与二硫键“构象锁定”实验表明：破坏VCH或将其锁死在膜内，均显著削弱转运功能；解除锁定后活性可部分恢复。这说明VCH的动态柔性并非简单存在，而是OsVPE2发挥功能的必要条件。
该研究系统阐明了水稻OsVPE2识别并转运液泡Pi的结构基础与动态调控机制，提出了由VCH“分子开关”控制的液泡磷外排工作模型。鉴于VCH基序在VPE家族中进化保守，且水稻、大豆、玉米等作物的VPE同源蛋白均参与磷素再动员与产量形成，VCH有望成为结构指导的分子设计靶点，为培育磷高效利用作物、应对全球磷资源短缺与可持续农业发展提供全新的理论依据。
华中农业大学生命科学技术学院博士后左佳琦、博士生曹硕为论文共同第一作者，刘主教授为论文通讯作者。该工作得到了熊立仲教授、王创教授、殷平教授、董发明副教授的帮助与指导。北京大学电子显微镜专业实验室为本研究电镜数据收集提供平台支撑。感谢北京大学毛有东教授、李雪梅老师在冷冻电镜数据采集方面提供的帮助。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
论文连接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2611598123
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