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凌宏清研究组在拟南芥铁、锌平衡机制研究中取得新进展

  铁、锌是植物生长发育所必需的微量营养元素,在植物的生命活动中起着重要的作用。铁、锌的缺乏或过多都会造成危害,影响植物的生长发育。因此,植物对铁、锌离子的吸收受到严密的调控。拟南芥的FIT蛋白是调控铁吸收的关键转录因子,它与bHLH038bHLH039bHLH100bHLH101蛋白互作,形成异源二聚体,在根表皮细胞中启动亚铁离子转运蛋白基因IRT1和三价铁还原酶基因FRO2的表达,促进铁的吸收。由于亚铁离子转运蛋白IRT1对底物的选择性不强,在转运铁的同时也会非特异性地转运锌和其它金属离子。由于锌和铁在离子结构上的相似性,过多的锌离子会与铁离子竞争性的结合金属蛋白,影响其蛋白的功能,进而给生物体带来危害。那么植物在缺铁和高锌胁迫下是通过何种分子机制来保障铁离子的吸收和避免锌等其它重金属离子的毒害,迄今为止还未见报道。 

 

  中国科学院遗传与发育生物学研究所凌宏清研究组通过酵母双杂的方法鉴定到一个新的FIT互作蛋白FBP(FIT Binding Protein)FBP基因表达受高锌抑制,其突变体表现为耐高锌胁迫(图1)。蛋白互作研究表明,FBP蛋白作为一个负调控因子,其C端能够与FIT蛋白的bHLH结构域结合,使其FIT丧失结合启动子的能力,从而降低所调控基因的表达。在正常条件下,FBP基因高表达,其蛋白在根的中柱细胞中与bHLH038bHLH039bHLH100bHLH101转录因子竞争性的结合FIT,进而抑制尼克酰胺合成酶(nicotianamine synthase,NAS)基因的表达。在缺铁和高锌胁迫下,FBP的表达降低,减少对FIT蛋白的结合抑制,从而增强NAS基因的表达,增加尼克酰胺(nicotiananime, NA)的合成。NA是一种非蛋白质氨基酸,能螯合铁和锌离子。在低铁高锌条件下,根中螯合态的铁有利于向地上部转运,供植物利用,而螯合态的锌则主要被转运到根细胞的液泡中,进行区隔化,从而避免过多锌离子对植物体的毒害。 

 

  此研究结果表明植物在面临铁、锌离子胁迫时能通过调控FIT 蛋白在不同组织中的蛋白互作方式,来实现对下游基因表达的调控,保障铁、锌离子在植物体内动态平衡。本研究从一个新的视角揭示了植物中铁、锌离子动态平衡的调控机制。 

 

  该研究成果于2018523日在线发表于Plant, Cell & Environment DOI:10.1111/pce.13321)。凌宏清研究组已毕业博士研究生陈春林和崔岩为该论文共同第一作者。该项研究由国家自然科学基金委和中华人民共和国农业部转基因专项项目资助完成。 

    

图:FBP基因在缺失突变体fbpRNAi株系(FBP-RNAi-1, FBP-RNAi-2, FBP-RNAi-3)、过量表达株系(FBP-OE-1, FBP-OE-2, FBP-OE-3)中的表达丰度,以及各株系在正常和高锌条件下的表型。