植物缺磷条件下膜脂重塑机制获揭示

近日，华中农业大学油菜团队首次发现了植物鞘磷脂GIPC可以被NPC4水解，揭示了NPC4介导的植物膜脂重塑新机制。磷是植物生长发育所必需的一种大量元素，植物对磷素的有效性利用是提高植物产量的关键。细胞内大量的磷素用于细胞膜磷脂的合成，细胞膜磷脂是细胞内磷素的储存库。植物在缺磷条件下，膜磷脂会被磷脂酶水解释放出磷素供其他必需含磷物质（如DNA、RNA、ATP和蛋白质等）的合成，植物通过该机制适应磷素的缺乏，这一代谢过程通过多个关键磷脂酶完成。非特异性磷脂酶C4（NPC4）是植物NPC家族中活性最强的，在缺磷条件下被诱导表达最高的一个基因。NPC4在植物缺磷条件下的代谢功能尚不清楚，解析NPC4代谢功能的分子生化机制对植物磷素的高效利用意义重大。在该研究中，研究者通过扩大拟南芥缺磷条件下脂质组的检测，发现植物特有的鞘磷脂糖基肌醇磷酸神经酰胺（glycosylinositolphosphorylceramide，GIPC）在缺磷条件下会显著下降，同时根中鞘糖脂葡萄糖神经酰胺（glucosylceramide，GlcCer）会大幅度上升。研究者检测了缺磷条件下npc4体内的鞘脂变化情况，发现与野生型（WT）相比，缺磷条件下npc4中GIPC的含量显著高于WT，同时GlcCer的含量则显著低于WT，缺磷条件下NPC4的缺失导致鞘脂代谢受阻。研究者进一步通过体外酶活实验分析发现NPC4可将GIPC水解形成羟基神经酰胺（hydroxyceramide，hCer）和带磷酸基团的极性头部。基因表达分析表明拟南芥在缺磷条件下NPC4和GCS（glucosylceramidesynthase，葡萄糖神经酰胺合成酶）会被大量诱导表达，诱导的GCS将NPC4水解GIPC生成的hCer转化为GlcCer。这些研究结果表明NPC4水解GIPC，介导了缺磷条件下鞘磷脂到鞘糖脂的转化。GIPC是植物特有的一种鞘脂，含量占鞘脂总量的60%以上。GIPC是植物细胞膜的重要组成部分，通常与固醇和跨膜蛋白等形成细胞膜上特殊的抗去污剂结构-脂筏，在植物细胞对外界信号响应上发挥着重要作用。亚细胞定位结果证明NPC4定位于细胞质膜（PM），同时可在细胞膜蛋白提取物抗去污剂组分中检测到NPC4-GFP，将分离的细胞质膜蛋白通过蔗糖梯度离心分离，可在脂筏组分中检测到NPC4-GFP。同时脂质分析发现NPC4-GFP可与GIPC共定位，进一步证明了脂筏定位的NPC4可通过水解脂筏中的GIPC使细胞适应缺磷胁迫。英文摘要（Abstract）Phosphateisavitalmacronutrientforplantgrowth,anditsavailabilityinsoiliscriticalforagriculturalsustainabilityandproductivity.Asubstantialamountofcellularphosphateisusedtosynthesizephospholipidsforcellmembranes.Hereweidentifyakeyenzyme,nonspecificphospholipaseC4（NPC4），thatisinvolvedinphosphosphingolipidhydrolysisandremodelinginArabidopsisduringphosphatestarvation.Thelevelofglycosylinositolphosphorylceramide（GIPC），themostabundantsphingolipidinArabidopsisthaliana,decreaseduponphosphatestarvation.NPC4washighlyinducedbyphosphatedeficiency,andNPC4knockoutsinArabidopsisdecreasedthelossofGIPCandimpededrootgrowthduringphosphatestarvation.EnzymaticanalysisshowedthatNPC4hydrolyzedGIPCanddisplayedahigheractivitytowardGIPCasasubstratethantowardthecommonglycerophospholipidphosphatidylcholine.NPC4wasassociatedwiththeplasmamembranelipidraftsinwhichGIPCishighlyenriched.TheseresultsindicatethatNPC4usesGIPCasasubstrateinplantaandtheNPC4-mediatedsphingolipidremodelingplaysapositiveroleinrootgrowthinArabidopsisresponsetophosphatedeficiency.论文链接https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa054/6094430相关评论链接https://academic.oup.com/plcell/advance-article/doi/10.1093/plcell/koaa057/6094428