揭示植物缺磷條件下膜脂重塑機(jī)制

（2021.1.16 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)）

近日，我校油菜團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了植物鞘磷脂GIPC可以被NPC4水解，揭示了NPC4介導(dǎo)的植物膜脂重塑新機(jī)制。

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的一種大量元素，植物對(duì)磷素的有效性利用是提高植物產(chǎn)量的關(guān)鍵。細(xì)胞內(nèi)大量的磷素用于細(xì)胞膜磷脂的合成，細(xì)胞膜磷脂是細(xì)胞內(nèi)磷素的儲(chǔ)存庫(kù)。植物在缺磷條件下，膜磷脂會(huì)被磷脂酶水解釋放出磷素供其他必需含磷物質(zhì)（如DNA、RNA、ATP和蛋白質(zhì)等）的合成，植物通過(guò)該機(jī)制適應(yīng)磷素的缺乏，這一代謝過(guò)程通過(guò)多個(gè)關(guān)鍵磷脂酶完成。

非特異性磷脂酶C4（NPC4）是植物NPC家族中活性最強(qiáng)的，在缺磷條件下被誘導(dǎo)表達(dá)最高的一個(gè)基因。NPC4在植物缺磷條件下的代謝功能尚不清楚，解析NPC4代謝功能的分子生化機(jī)制對(duì)植物磷素的高效利用意義重大。

在該研究中，研究者通過(guò)擴(kuò)大擬南芥缺磷條件下脂質(zhì)組的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)植物特有的鞘磷脂糖基肌醇磷酸神經(jīng)酰胺（glycosyl inositol phosphoryl ceramide，GIPC）在缺磷條件下會(huì)顯著下降，同時(shí)根中鞘糖脂葡萄糖神經(jīng)酰胺（glucosylceramide，GlcCer）會(huì)大幅度上升。研究者檢測(cè)了缺磷條件下npc4體內(nèi)的鞘脂變化情況，發(fā)現(xiàn)與野生型（WT）相比，缺磷條件下npc4中GIPC的含量顯著高于WT，同時(shí)GlcCer的含量則顯著低于WT，缺磷條件下NPC4的缺失導(dǎo)致鞘脂代謝受阻。研究者進(jìn)一步通過(guò)體外酶活實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)NPC4可將GIPC水解形成羥基神經(jīng)酰胺（hydroxyceramide，hCer）和帶磷酸基團(tuán)的極性頭部。基因表達(dá)分析表明擬南芥在缺磷條件下NPC4和GCS（glucosylceramide synthase，葡萄糖神經(jīng)酰胺合成酶）會(huì)被大量誘導(dǎo)表達(dá)，誘導(dǎo)的GCS將NPC4水解GIPC生成的hCer轉(zhuǎn)化為GlcCer。這些研究結(jié)果表明NPC4水解GIPC，介導(dǎo)了缺磷條件下鞘磷脂到鞘糖脂的轉(zhuǎn)化。

GIPC是植物特有的一種鞘脂，含量占鞘脂總量的60%以上。GIPC是植物細(xì)胞膜的重要組成部分，通常與固醇和跨膜蛋白等形成細(xì)胞膜上特殊的抗去污劑結(jié)構(gòu)-脂筏，在植物細(xì)胞對(duì)外界信號(hào)響應(yīng)上發(fā)揮著重要作用。亞細(xì)胞定位結(jié)果證明NPC4定位于細(xì)胞質(zhì)膜（PM），同時(shí)可在細(xì)胞膜蛋白提取物抗去污劑組分中檢測(cè)到NPC4-GFP，將分離的細(xì)胞質(zhì)膜蛋白通過(guò)蔗糖梯度離心分離，可在脂筏組分中檢測(cè)到NPC4-GFP。同時(shí)脂質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)NPC4-GFP可與GIPC共定位，進(jìn)一步證明了脂筏定位的NPC4可通過(guò)水解脂筏中的GIPC使細(xì)胞適應(yīng)缺磷脅迫。