水稻是世界範圍內廣泛種植的糧食作物，在生長過程中經常面臨營養缺乏的環境，缺磷是水稻面臨的最常見脅迫之一，大量使用磷肥對環境構成嚴重威脅。 水稻通過啟動磷酸鹽飢餓反應（PSR）來響應低磷脅迫，水稻OSPHR2是該途徑的核心轉錄因子，闡明OSPHR2的調控機制對理解PSR過程具有重要意義。 芸苔素類固醇（BR）在農業生產中被廣泛用作植物生長調節劑，作為一種植物內源性激素，BR如何調節磷的吸收和利用還很不清楚，分析BR與磷的調控關係對減少BR對磷肥的使用具有重要意義。
近日，華南農業大學褚成才團隊和中國農業科學院作物研究所佟洪寧團隊合作the plant cell發表了一篇題為：brassinosteroid-dependent phosphorylation of phosphate starvation response2 reduces its dna-binding ability in rice揭示了芸苔素內酯翻譯後修飾調控水稻缺磷反應的機制。
研究發現，OSPHR2可被水稻BR訊號通路的核心阻遏因子GSK2磷酸化，從而削弱其DNA結合活性，導致PSR抑制，而低磷誘導GSK2降解。 本研究揭示了植物對低磷脅迫的反應新機制，即GSK2的降解及其對OSPHR2的磷酸化抑制作用的去除。 系統發育分析發現，GSK2磷酸化OSPHR2上的關鍵絲氨酸位點存在於大多數陸地植物中，提示這種翻譯後修飾機制可能是植物在進化過程中適應波動營養環境的重要機制。 通過對BR相關水稻突變體的分析，研究人員發現BR可以促進磷酸鹽飢餓誘導（PSI）基因的表達，表明BR在PSR中具有調節作用。 多種實驗方法證明了GSK2與OSPHR2的相互作用，質譜分析表明，GSK2在體外和體內均能磷酸化OSPHR2絲氨酸269位（OSPHR2-S269）。 該位點存在於OSPHR2的Myb結構域中，蛋白質結構分析表明，該位點的磷酸化修飾不影響OSPHR2二聚體的形成，但影響其與DNA的結合活性。 EMSA 和 LUC 報告系統分析均證實，在 S269 突變為天冬氨酸 D 的模擬磷酸化形式後，OSPHR2S269D與下游 PSI 基因啟動子的結合能力顯著降低。
研究人員進一步構建了野生型OSPHR2基因（Flag-OSPHR2）的過表達線，以及S269模擬磷酸化形式（FLAG-OSPHR2S269D）和磷酸化滅活形式（FLAG-OSPHR2S269A）的過表達線，並通過chip-qPCR證實了OSPHR2S269D與下游PSI基因啟動子的結合能力降低。 轉基因植株表型分析表明，當不同形態OSPHR2的表達水平相似時，FLAG-OSPHR2S269D葉片的磷毒性表型消失，磷含量顯著降低，PSI基因表達也顯著降低。 此外，不同形式的轉基因植株中OSPHR2蛋白豐度無顯著差異，水稻原生質體中OSPHR2、OSPHR2S269D和OSPHR2S269A的亞細胞定位差異無顯著差異，表明S269的磷酸化修飾不影響OSPHR2的蛋白表達和亞細胞定位。 這些結果進一步表明，GSK2 對 S269 的磷酸化修飾特異性抑制了 OSPHR2 的 DNA 結合活性。
為了確認這種機制在雙子葉植物中是否保守，研究人員在擬南芥中對其進行了分析，發現將Atphr1中與OSPHR2-S269相對應的絲氨酸位點突變為天冬氨酸也顯示出其DNA結合活性的顯著降低。 對不同物種PHR家族成員的綜合分析表明，GSK2鑑定的絲氨酸位點在不同物種中是保守的，但PHR家族成員之間存在多型性。 例如，絲氨酸 （S） 存在於水稻 OSPHR1 2 和擬南芥 ATPHR1 和 ATPHL1 4 中，而脯氨酸 （P） 存在於水稻 OSPHR3 4 和擬南芥 ATPHL2 3 中。 值得注意的是，先前的研究發現，與轉錄水平低磷誘導的OSPHR3 4不同，OSPHR1 2在轉錄水平上不受低磷的調節。 因此本研究揭示的OSPHR2翻譯後修飾調控可能代表了PSR調控的關鍵新機制。 有趣的是，這種絲氨酸殘基在苔蘚植物中沒有發現，只存在於維管植物中，這表明磷酸化修飾可能是植物適應陸地環境的進化機制。
結果表明，缺磷誘導了GSK2蛋白的降解，表明植物在低磷脅迫下，通過消除GSK2對OSPHR2的抑制作用，可以提高植物對不良營養條件的快速反應，這種脫抑制工作模型為理解植物的低磷響應提供了新的視角。 此外，本研究還表明，BR可以通過促進PSR來提高磷的吸收和利用，為利用BR減少磷肥的使用提供了理論指導，功能性磷酸化位點也可以作為基因編輯的有效靶點，提高植物的磷吸收和利用效率。
華南農業大學博士後張國霞第一作者為華南農業大學褚成才中國農業科學院作物科學研究所教授佟洪寧研究人員是共同通訊作者。 中國農業科學院深圳農業基因組研究所王紅儒霍華德休斯醫學研究所研究員、博士後研究員任湘樂博士，畢業於中國科學院遺傳與發育生物學研究所肖雲華博士，邱亞紅中國農業科學院作物科學研究所博士孟文靜博士，劉達璞華南農業大學博士謝慶軍教授胡 斌教授和其他人參與了這項工作。 該研究得到了廣東省基礎與應用研究重大專項、國家自然科學和中國農業科學院創新專案的支援。
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