六磷酸肌醇（又名植酸），简称InsP6，广泛存在于植物中，是种子磷素的主要储存形式，对植株体内磷稳态的维持具有重要作用[1-4]。作物种子中的InsP6无法被人体和动物吸收利用，其大量存在反而会大幅降低肠道对矿质营养元素等无机营养和蛋白质等有机营养的吸收效率，同时这些植酸磷随后通过粪便排入环境造成水体富营养化等问题[5-6]。因此，培育低种子InsP6含量的农作物品种对改善作物营养品质和保护生态环境具有重要意义，而解析植物体内InsP6生物合成及其分子调控机制是实现这一目标的关键。
InsP6的生物合成包括脂质依赖和非依赖途径，其中脂质依赖性合成途径迄今已鉴定到多个关键酶，如IPK1（Inositol-Pentakisphosphate 2-Kinase 1），IPK2 α/β（Inostitol Polyphosphate Kinase 2 α/β）和PI-PLC（Phosphoinositide-specific Phospholipase C）等[7-13]，但这些关键酶如何被系统调控仍然未知。同时，植物体内磷酸肌醇的生物合成如何响应外界磷浓度的变化也还不清楚。
2024年6月14日,浙江大学郑绍建/丁忠杰团队在Nature Communications在线发表了题为A clade of receptor-like cytoplasmic kinases and 14-3-3 proteins coordinate the inositol hexaphosphate accumulation的研究论文。该研究揭示了一类植物类受体胞质激酶（RLCK）IPCKs调控拟南芥脂质依赖InsP6合成的分子机制，为生物体内磷酸肌醇生物合成的调控机制提供了新的见解；同时也揭示了IPCKs作为重要信号枢纽蛋白介导了细胞外磷信号调控胞内磷稳态的分子机制，拓展了对现有植物磷信号转导的认知。
该课题组最初的研究目标是为了鉴定植物感知外界无机磷（Pi）浓度变化的关键蛋白。他们首先通过将高Pi培养的拟南芥水培大苗转移到低Pi营养液进行短时间（1h）的外部缺磷处理，由于前期体内大量磷的累积，1h的外部低磷处理不会让植物感受到体内的磷匮乏。研究人员随后取根系进行磷酸化蛋白质组分析，发现来自RLCK V亚家族一个分支（命名为Inositol Polyphosphate-related Cytoplasmic Kinases 1-6, IPCK1-6）中的2个成员IPCK1和IPCK2的磷酸化水平快速受到外部磷缺乏的抑制（图1）。进一步研究发现，ipck四突变体T-4m和C-4m种子和植株体内的Pi含量显著增加，且在正常条件下其缺磷响应基因（PSI）的表达量就明显高于野生型WT，而InsP6含量则出现显著降低，上述变化在ipck五突变体C-5m中更为明显（图1）。C-5m种子的InsP6含量较WT下降达75%，而ipck六突变体则表现出胚胎致死。这些结果表明，IPCKs在调控种子和植株体内InsP6的含量和磷稳态中发挥着重要的功能。
图1. IPCKs突变体的表型
通过大量的生理、生化、分子、遗传等方法，该研究最终揭示了IPCKs在调控InsP6生物合成的功能机制：一方面IPCKs通过磷酸化14-3-3蛋白（GRFs）促进其与IPK1、IPK2α/β和PI-PLCs等InsP6关键合酶的互作，进而提高这些酶的活性；另一方面，IPCKs发挥了类似支架蛋白的作用，将这些酶招募到细胞质膜上形成蛋白复合体，从而组装成一个高效的InsP6生物合成模块（图2）。这种调控模式对种子胚胎发育具有重要的生物学意义。因为InsP6合成途径的中间产物InsP3、InsP4等是细胞潜在重要的信号分子，其在胞内的水平需要受到严格控制，以防其破坏细胞的正常功能或稳态，而IPCKs介导的蛋白复合体能将这些中间产物快速转化成InsP6，减少它们在胞内的存在时间，这在InsP6被大量合成的种子发育阶段尤为重要，可以保护胚细胞的正常功能和稳态，保障种子的健康生长和发育。该研究揭示了真核生物中InsP6生物合成的一种新机制，也为培育低植酸种子的作物新品种提供了潜在的新基因资源和理论依据。
另一方面，植物如何感知外界Pi信号一直是磷营养研究领域的关键科学问题。该研究发现短时间（1h）的外部Pi缺乏可以显著抑制IPCKs特定Ser位点的磷酸化水平，进而抑制其激酶活性，从而达到快速抑制InsP6生物合成的效果。这种快速响应机制可以帮助植物通过减少作为储存形态的InsP6的合成来保障其正常生理活动对Pi的需求（图2）。因此，该研究揭示了IPCKs作为一种重要的信号枢纽蛋白介导了细胞外磷信号调控胞内磷稳态的作用机制，深化和拓展了对现有植物磷信号转导的认知。今后通过对IPCKs的深入研究有望找到植物感知胞外Pi信号的上游关键蛋白。
图2. IPCKs在InsP6生物合成中的作用模式
浙江大学生命科学学院郑绍建教授课题组已毕业博士研究生徐丽霖为该论文的第一作者，郑绍建教授和丁忠杰研究员为该论文的共同通讯作者。浙江大学毛传澡教授和法国巴黎萨克雷大学Moussa Benhamed教授也参与了该项工作。该研究得到国家重点研发计划、广东岭南现代农业实验室专项资金等项目的资助。