水稻是世界范围内广泛种植的粮食作物，在生长过程中经常面临营养缺乏的环境，缺磷是水稻面临的最常见胁迫之一，大量使用磷肥对环境构成严重威胁。 水稻通过启动磷酸盐饥饿反应（PSR）来响应低磷胁迫，水稻OSPHR2是该途径的核心转录因子，阐明OSPHR2的调控机制对理解PSR过程具有重要意义。 芸苔素类固醇（BR）在农业生产中被广泛用作植物生长调节剂，作为一种植物内源性激素，BR如何调节磷的吸收和利用还很不清楚，分析BR与磷的调控关系对减少BR对磷肥的使用具有重要意义。
近日，华南农业大学褚成才团队和中国农业科学院作物研究所佟洪宁团队合作the plant cell发表了一篇题为：brassinosteroid-dependent phosphorylation of phosphate starvation response2 reduces its dna-binding ability in rice揭示了芸苔素内酯翻译后修饰调控水稻缺磷反应的机制。
研究发现，OSPHR2可被水稻BR信号通路的核心阻遏因子GSK2磷酸化，从而削弱其DNA结合活性，导致PSR抑制，而低磷诱导GSK2降解。 本研究揭示了植物对低磷胁迫的反应新机制，即GSK2的降解及其对OSPHR2的磷酸化抑制作用的去除。 系统发育分析发现，GSK2磷酸化OSPHR2上的关键丝氨酸位点存在于大多数陆地植物中，提示这种翻译后修饰机制可能是植物在进化过程中适应波动营养环境的重要机制。 通过对BR相关水稻突变体的分析，研究人员发现BR可以促进磷酸盐饥饿诱导（PSI）基因的表达，表明BR在PSR中具有调节作用。 多种实验方法证明了GSK2与OSPHR2的相互作用，质谱分析表明，GSK2在体外和体内均能磷酸化OSPHR2丝氨酸269位（OSPHR2-S269）。 该位点存在于OSPHR2的Myb结构域中，蛋白质结构分析表明，该位点的磷酸化修饰不影响OSPHR2二聚体的形成，但影响其与DNA的结合活性。 EMSA 和 LUC 报告系统分析均证实，在 S269 突变为天冬氨酸 D 的模拟磷酸化形式后，OSPHR2S269D与下游 PSI 基因启动子的结合能力显着降低。
研究人员进一步构建了野生型OSPHR2基因（Flag-OSPHR2）的过表达线，以及S269模拟磷酸化形式（FLAG-OSPHR2S269D）和磷酸化灭活形式（FLAG-OSPHR2S269A）的过表达线，并通过chip-qPCR证实了OSPHR2S269D与下游PSI基因启动子的结合能力降低。 转基因植株表型分析表明，当不同形态OSPHR2的表达水平相似时，FLAG-OSPHR2S269D叶片的磷毒性表型消失，磷含量显著降低，PSI基因表达也显著降低。 此外，不同形式的转基因植株中OSPHR2蛋白丰度无显著差异，水稻原生质体中OSPHR2、OSPHR2S269D和OSPHR2S269A的亚细胞定位差异无显著差异，表明S269的磷酸化修饰不影响OSPHR2的蛋白表达和亚细胞定位。 这些结果进一步表明，GSK2 对 S269 的磷酸化修饰特异性抑制了 OSPHR2 的 DNA 结合活性。
为了确认这种机制在双子叶植物中是否保守，研究人员在拟南芥中对其进行了分析，发现将Atphr1中与OSPHR2-S269相对应的丝氨酸位点突变为天冬氨酸也显示出其DNA结合活性的显着降低。 对不同物种PHR家族成员的综合分析表明，GSK2鉴定的丝氨酸位点在不同物种中是保守的，但PHR家族成员之间存在多态性。 例如，丝氨酸 （S） 存在于水稻 OSPHR1 2 和拟南芥 ATPHR1 和 ATPHL1 4 中，而脯氨酸 （P） 存在于水稻 OSPHR3 4 和拟南芥 ATPHL2 3 中。 值得注意的是，先前的研究发现，与转录水平低磷诱导的OSPHR3 4不同，OSPHR1 2在转录水平上不受低磷的调节。 因此本研究揭示的OSPHR2翻译后修饰调控可能代表了PSR调控的关键新机制。 有趣的是，这种丝氨酸残基在苔藓植物中没有发现，只存在于维管植物中，这表明磷酸化修饰可能是植物适应陆地环境的进化机制。
结果表明，缺磷诱导了GSK2蛋白的降解，表明植物在低磷胁迫下，通过消除GSK2对OSPHR2的抑制作用，可以提高植物对不良营养条件的快速反应，这种脱抑制工作模型为理解植物的低磷响应提供了新的视角。 此外，本研究还表明，BR可以通过促进PSR来提高磷的吸收和利用，为利用BR减少磷肥的使用提供了理论指导，功能性磷酸化位点也可以作为基因编辑的有效靶点，提高植物的磷吸收和利用效率。
华南农业大学博士后张国霞第一作者为华南农业大学褚成才中国农业科学院作物科学研究所教授佟洪宁研究人员是共同通讯作者。 中国农业科学院深圳农业基因组研究所王红儒霍华德休斯医学研究所研究员、博士后研究员任湘乐博士，毕业于中国科学院遗传与发育生物学研究所肖云华博士，邱亚红中国农业科学院作物科学研究所博士孟文静博士，刘达璞华南农业大学博士谢庆军教授胡 斌教授和其他人参与了这项工作。 该研究得到了广东省基础与应用研究重大专项、国家自然科学和中国农业科学院创新项目的支持。
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