研究揭示植物響應重金屬脅迫的解毒機制

5月5日，

New Phytologist

線上發表了中國科學院分子植物科學卓越創新中心晁代印研究組完成的題為

Sec24C mediates a Golgi-independent trafficking pathway that is required for tonoplast localization of ABCC1 and ABCC2

的研究論文。該研究證明包被蛋白複合體組分Sec24C透過高爾基非依賴的途徑介導轉運蛋白ABCC1/2定位至液泡膜，使其發揮液泡區隔化的作用，增強植物對重金屬鎘及砷脅迫的耐受性。

重金屬汙染是當今世界範圍記憶體在的嚴峻問題。植物已進化出較為精確的防禦機制以適應重金屬脅迫，其中液泡區隔化在重金屬解毒過程中發揮關鍵作用。闡明液泡膜蛋白定位的分子機制，對環境保護、植物響應重金屬脅迫及人類食物安全等方面具有重要意義。蛋白分選是生命體活動中一個必不可少的生物學過程。在擬南芥中，液泡膜蛋白存在較為複雜的分選及運輸途徑，相關的調控機制得到較為深入的研究。在經典的蛋白質合成及分泌過程中，膜蛋白的運輸通常依賴於高爾基體的分選，有研究顯示部分蛋白質以高爾基非依賴的途徑運輸至靶細胞器，而其分子機制尚不清楚。定位在液泡膜上的ABC超家族成員AtABCC1和AtABCC2可將重金屬螯合物Cd-PCs及As-PCs轉運至液泡內，在重金屬鎘和砷的解毒過程中發揮重要作用，但ABCC1/2在內質網合成後，如何定位至液泡膜上仍然未知。

研究運用正向遺傳學方法，篩選出一個對鎘及砷極為敏感的突變體cadmium-and arsenic-sensitive 2（cas2）。研究採用圖位克隆、等位性檢測及遺傳互補等實驗手段，證明cas2突變體在重金屬鎘及砷的脅迫條件下表現出的生長缺陷表型是因包被蛋白複合體II內層包被蛋白基因Sec24C突變。進一步研究發現，當進行重金屬處理時，cas2突變體中的液泡區隔化作用明顯受損，表現出極強的重金屬敏感性。在cas2中，重金屬區域化相關的液泡膜蛋白NRAMP3、NRAMP4以及HMA3仍能正確定位，但ABCC1及ABCC2的定位發生明顯變化且定位於內質網中。研究透過酵母雙雜交、熒光素酶互補、雙分子熒光互補及免疫共沉澱等實驗證明，Sec24C與ABCC1及ABCC2之間存在相互作用。結果表明，Sec24C能夠調控蛋白ABCC1及ABCC2正確定位於液泡膜上，從而使其發揮液泡區隔化作用，賦予植物對重金屬鎘及砷的耐受性。

Sec24是COPII複合體的重要組成成分，能夠介導蛋白質從內質網到高爾基的分選及運輸。而該研究發現，ABCC1的運輸並不依賴於BFA敏感的高爾基，且ABCC1與ABCC2在Sec24C的作用下從內質網運出並直接轉運至PVC，最終定位至液泡膜上。此過程與經典的液泡膜蛋白分選途徑不同，未涉及高爾基、反式高爾基等細胞器。

Sec24C能夠調控液泡膜蛋白ABCC1及ABCC2的正確定位，且介導其以高爾基非依賴的途徑運輸至PVC，最終定位在液泡膜上，從而發揮液泡區域化的作用，以響應重金屬鎘及砷的脅迫。該研究完善了重金屬耐受性的調控網路，也證實了一條新的蛋白運輸通路，即ER-PVC-TP，這進一步完善了液泡膜蛋白的分選途徑，併為進一步探索COPII複合體的功能奠定了基礎。

研究工作得到中科院戰略性先導科技專項和國家自然科學基金等的支援。

Sec24C調控ABCC1與ABCC2從內質網運至液泡的分子模型