磷（P）是所有生物體所必需的大量元素之一，在土壤中以無機磷酸鹽（Pi）和有機磷（Po）的形式存在，其中植物只能吸收水溶性Pi。盡管P在地殼中含量豐富，但它通常以Po或與其他金屬固定的形式存在于土壤中，植物因無法利用而造成缺Pi脅迫。研究發現Pi饑餓信號可誘導酸性磷酸酶（APase）和有機酸的分泌，以從土壤中動員固定的P，從而釋放和增加可供植物吸收的Pi。除提高環境中P的吸收效率外，植物還可從細胞內Po中回收再利用Pi，提高Pi脅迫條件下的適應能力。

 

　　HAD超家族以細菌中的鹵代酸脫鹵酶命名，其中大多數參與磷酰基轉移，包括磷酸酶、P型ATP酶、磷酸化酶和磷酸化轉移酶，一些HAD基因可作為APases來調節低Pi脅迫耐受性。據報道，水稻ACID PHOSPHATASE 1（OsACP1或OsHAD2）能夠快速響應Pi饑餓，但尚不清楚OsACP1的生化和生理功能。系統發育分析表明OsACP1屬于PHOSPHO1亞家族，PHOSPHO1是首次從人體克隆出的一種編碼酸性磷酸酶的基因。

 

　　本研究經qRT-PCR證實，葉和根中的OsACP1在Pi饑餓處理的第7天被顯著誘導表達。在輔助因子Mg2+存在情況下，OsACP1具有較高的酸性磷酸酶活性，且具有廣泛的Po底物選擇性。熒光觀察顯示，OsACP1定位于內質網和高爾基體。利用CRISPR-Cas9基因編輯技術獲得了acp1敲除突變體，結果發現在Pi充足和缺乏條件下，突變體生長均受抑制，最終導致產量降低。OsACP1過表達與上述結果類似（圖1）。在Pi充足條件下，OsACP1過表達植株的葉片頂端出現壞死表型，這是水稻中Pi過度積累的典型癥狀，表明OsACP1過表達增加了葉片中Pi的濃度（圖2）。

 

　　據報道，擬南芥AtPECP1和AtPECP2（又被命名為AtPS2/AtPPsPase1）在Pi饑餓條件下水解磷酸膽堿（PCho）和磷酸乙醇胺（PEA）。由于OsACP1對PEA具有較高的磷酸酶活性，因此在OsACP1突變體和過表達株系中檢測其產物乙醇胺（EA）和相應膽堿（Cho）的濃度，結果發現Pi充足和缺乏條件下，OsACP1過表達均使兩者的濃度顯著增加，相反，OsACP1功能缺失并不影響水稻中EA的濃度，但其在Pi缺乏時的Cho濃度卻明顯降低。OsACP1過表達植株的Pi濃度和磷脂組成發生了顯著變化，經進一步檢測發現，在Pi饑餓條件下，OsACP1過表達植株中OsIPS1、OsPAP10a、OsGDPD2和OsMGD3等多個Pi饑餓響應（PSI）基因的誘導表達水平明顯低于WT，表明OsACP1對Pi饑餓信號具有抑制作用。

 

　　綜上表明，OsACP1作為一種酸性磷酸酶，從內質網和高爾基體中的非必需磷酸酯中回收Pi，以維持水稻Pi穩態，細胞內磷酸酯類釋放的Pi會緩解Pi脅迫反應。我校博士研究生鄧素仁為本文第一作者，該研究得到了國家科學基金和中央大學基礎研究基金的資助與支持。

 

　　【英文摘要】

 

　　The concentration and homeostasis of intracellular phosphate （Pi） are crucial for sustaining cell metabolism and growth. During short-term Pi starvation, intracellular Pi is maintained relatively constant at the expense of vacuolar Pi. After the vacuolar stored Pi is exhausted, the plant cells induce the synthesis of intracellular acid phosphatase （APase） to recycle Pi from expendable organic phosphate （Po）。 In this study, the expression, enzymatic activity and subcellular localization of ACID PHOSPHATASE 1 （OsACP1） were determined. OsACP1 expression is specifically induced in almost all cell types of leaves and roots under Pi stress conditions. OsACP1 encodes an acid phosphatase with broad Po substrates and localizes in the endoplasmic reticulum （ER） and Golgi apparatus （GA）。 Phylogenic analysis demonstrates that OsACP1 has a similar structure with human acid phosphatase PHOSPHO1. Overexpression or mutation of OsACP1 affected Po degradation and utilization, which further influenced plant growth and productivity under both Pi-sufficient and Pi-deficient conditions. Moreover, overexpression of OsACP1 significantly affected intracellular Pi homeostasis and Pi starvation signalling. We concluded that OsACP1 is an active acid phosphatase that regulates rice growth under Pi stress conditions by recycling Pi from Po in the ER and GA.

 

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　　論文鏈接：

 

　　https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pce.14191