Plant Cell | 華中農業大學劉主課題組揭示OsMRP5介導水稻液泡植酸積累的分子機理

植酸，又稱為肌醇六磷酸（InsP6，Inositol hexaphosphate），是植物種子及營養組織有機磷的主要儲存形式，主要儲存于植物液泡中。它不僅作為核心磷庫維持植物體內磷穩態，還承擔著關鍵信號分子的角色，廣泛調控植物逆境脅迫響應、激素信號傳導及種子萌發等多種重要生理過程。然而，InsP6在膳食中存在明顯的“抗營養”特性：人類等單胃動物的胃腸道缺乏分解InsP6的特異性酶，導致植物來源的InsP6難以被代謝吸收；同時，InsP6易與金屬陽離子螯合，過量攝入會進一步阻礙人體對礦物營養的吸收，增加微量元素缺乏的風險。此外，食物中未被吸收的InsP6會隨糞便排出，其釋放的磷可導致水體富營養化，因此植物中的InsP6通常被認定為一種抗營養物質。

在水稻中，OsMRP5（multidrug resistance-associated protein 5，又稱為OsABCC13），是已知唯一負責將InsP6靶向轉運至液泡積累的轉運蛋白。它屬于ABC（ATP結合盒）轉運蛋白超家族成員，通過水解ATP提供能量進行底物轉運。該蛋白的序列和功能在植物中高度保守。自首個MRP類型InsP6轉運體鑒定以來，近30年間，科研人員陸續在多種作物中發現了MRP類型InsP6轉運體，為培育低植酸（lpa）作物提供了重要靶點，但其結構基礎與轉運機制仍不清楚，阻礙了對低植酸作物的開發。

近日，華中農業大學劉主教授課題組在The Plant Cell在線發表了題為Cryo-EM structures of Oryza sativa MRP5 reveal a phytate accumulation mechanism in plant vacuoles的研究論文。該研究綜合運用冷凍電鏡（cryo-EM）、微量熱泳動（MST）、自適應牽引分子動力學（ASMD）模擬、分子對接（MD）等技術，系統且深入揭示了OsMRP5識別并轉運InsP6的分子機制。

研究團隊首先建立了基于蛋白脂質體的生化體系，成功檢測到OsMRP5的體外InsP6轉運活性�；贏TP酶活性實驗發現，InsP6能顯著促進OsMRP5蛋白的ATP水解活性。運用Cryo-EM技術，研究團隊解析了OsMRP5結合InsP6多種狀態結構。結構分析發現，OsMRP5通過兩種性質不同的極性口袋結合InsP6：一個主要由正電荷氨基酸殘基組成的“P口袋（正電荷口袋）”和一個由極性氨基酸殘基組成的“H口袋（極性口袋）”。這種結合方式不同于其他ABCC轉運蛋白結合兩親性底物的兩親性口袋。研究團隊揭示了一系列參與InsP6結合與轉運的關鍵氨基酸位點，這些位點在植物中100%保守。

一個關鍵發現是，OsMRP5底物結合口袋上方存在一段正電荷通道。研究者通過ASMD模擬技術可視化模擬了底物易位路徑，并結合轉運實驗證實，該通道正是驅動強負電荷的InsP6底物向液泡側轉運的易位路徑。

基于底物結合口袋及易位通道的獨特性質，研究者利用MST、體外轉運實驗、ATP水解活性實驗，深入分析了OsMRP5的底物特異性。結果表明，與InsP4、InsP5相比，OsMRP5蛋白對InsP6具有更強的親和力（Kd ≈ 16 μM）與特異性，提示OsMRP5可能具備識別和轉運多種肌醇磷酸的能力，為后續深入研究其功能多樣性提供了重要線索。

此外，通過對低植酸作物相關文獻的系統調研，研究團隊將多種作物中導致低植酸表型的突變位點映射到OsMRP5蛋白結構上，確認了這些位點的結構保守性，并通過ATP酶活性實驗驗證了它們對OsMRP5轉運功能的關鍵作用。

綜上，該研究通過冷凍電鏡技術，結合生化分析，揭示了OsMRP5轉運InsP6的分子機制。該研究不僅豐富了對ABC轉運蛋白轉運強負電荷底物機制的理解，更重要的是，為未來更精準、高效地開展低植酸作物分子育種奠定了堅實的分子理論基礎。

華中農業大學生命科學技術學院博士生左佳琦、張杰和碩士生唐穎為論文共同第一作者。劉主教授為論文共同通訊作者。廣州實驗室冷凍電鏡中心和武漢大學大學冷凍電鏡平臺為電鏡數據收集提供了重要支撐和幫助，研究工作得到國家自然科學基金等項目的支持。

論文連接：

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