微管相关蛋白P455调节细胞质膜H+-ATPase活性和低磷诱导根际酸化反应的分子机制

Phosphorus (P) is an essential macronutrient. One unique characteristic of P is its low availability due to slow diffusion and high fixation in soils. This means that P can be a major limiting factor for plant growth. As a consequence of persistent P-limitations, plants have evolved a wide range of P acquisition strategies. Rhizosphere acidification through enhanced exudation of organic acids and protons could improve available of phosphate in the soil. But the mechanism of rhizosphere acidification induced by low phosphate remains unclear. p455 is an mutant of enhanced rhizosphere acidification induced by low phosphate in Arabidopsis, which has the adaptation to the stress of low or insoluble phosphorus . P455 gene encodes a microtubule-associated protein with an IQ-domain. P455 could interact with CAM7, and negatively regulate the activity and amount of plasma membrane H+-ATPase. The analyzing for co-localization of P455::GFP fusion protein and FM4-64 indicates that P455 also locates in the plasma membrane and endocytic vesicle. These results indicate that P455 could mediate low phosphate signals and negatively regulate the activity and amount of plasma membrane H+-ATPase. In this project, we will identify the molecular mechanism for the regulation of the plasma membrane H+-ATPase activity and low phosphate induced rhizosphere acidification by microtubule-associated P455.

低磷诱导的植物根际酸化反应可活化根际的不溶磷、促进土壤磷素的高效利用；但低磷诱导根际酸化反应的分子机制至今还不清楚。我们利用pH指示剂显色法，筛选得到一株低磷诱导根际酸化增强的拟南芥突变体p455，该突变体具有较强的低磷和不溶磷胁迫适应能力；P455基因编码一个具有IQD结构域的微管相关蛋白，该蛋白可与CAM7互作，负调控细胞质膜H+-ATPase的含量、活性和质子分泌；P455::GFP融合蛋白和FM4-64共定位分析表明，微管相关的P455蛋白在细胞质膜和内吞膜泡上也有分布。推测，P455可能介导低磷信号，并在蛋白水平上负调控质膜H+-ATPase的活性和根际酸化反应。本项目拟利用不同的方法筛选P455互作蛋白，分析P455信号通路组分和P455调节质膜H+-ATPase的分子机制；利用荧光标记和单分子荧光等方法，分析微管骨架和胞质钙信号在P455调节根际酸化反应中的作用。

根际酸化是植物适应低磷胁迫的重要生理反应，一般认为，有机酸和质子分泌引起的根际酸化可以提高土壤中磷酸盐的溶解性，促进与土壤颗粒、Fe和Al等氧化物结合的磷的释放，从而提高土壤有效磷的含量，实现土壤的磷高效（图1），但其分子调节机制至今还不清楚。.为了揭示低磷诱导根际酸化反应的分子机制，本项目利用pH指示剂原位显色技术，建立了根际酸化相关的拟南芥突变体筛选体系（Soil Science and Plant Nutrition, 2015），筛选得到低磷诱导根际酸化增强的拟南芥突变体p455，该突变体具有较强的低磷和不溶磷胁迫适应能力；进一步分析表明，突变基因P455编码一个具有IQD结构域的蛋白，定位于细胞微管骨架上。P455蛋白微管定位和及其调节的根基酸化反受胞质钙离子调节，并以钙离子信号依赖的方式与钙调素CAM7结合，并以相互依赖的方式，负调控根细胞质膜H+-ATPase蛋白含量和活性，调节低磷诱导的根际酸化反应。.质膜H+-ATPase蛋白AHA1作为P455信号通路的下游蛋白，定位在细胞质膜和细胞质膜泡上，胞质膜泡数量受低磷胁迫诱导增加，P455基因突变可引起胞质该类膜泡的明显增加和膜泡与质膜的融合。因此，P455可能与CAM7协同调控质膜AHA1的质膜定位、含量和活性，从调节低磷诱导的根际酸化反应。.蛋白互作分析表明，P455蛋白与AHA1蛋白之间并不能直接结合，但二者都可以与微管结合驱动蛋白KLCR1、KLCR2直接结合，而KLCR1、KLCR2也可直接与膜转运蛋白PATL1、磷转运蛋白PHT3、微管蛋白TUB6、蛋白激酶PKS5直接结合。因此，P455可能通过KLCR1、KLCR2与膜转运蛋白PATL1、磷转运蛋白PHT3、微管蛋白TUB6和蛋白激酶PKS5互作，进而调节质膜H+-ATPase蛋白AHA1蛋白的定位、含量和活性，控制低磷诱导的根际酸化反应。因此，P455是低磷诱导根际酸化反应重要调节分子，其分子作用机制的进一步分析，将为培育土壤磷高效作物新品种奠定理论基础。