晁代印研究组揭示植物响应重金属胁迫的解毒机制
2022年5月5日，国际植物学领域期刊New Phytologist在线发表了植物分子遗传国家重点实验室晁代印研究组题为 “Sec24C mediates a Golgi-independent trafficking pathway that is required for tonoplast localization of ABCC1 and ABCC2” 的研究论文。该研究证明包被蛋白复合体组分Sec24C通过高尔基非依赖的途径介导转运蛋白ABCC1/2定位至液泡膜，从而使其发挥液泡区隔化的作用，增强植物对重金属镉及砷胁迫的耐受性。
重金属污染是当今世界范围内广泛存在的一个严峻问题，植物已经进化出较为精确的防御机制以适应重金属胁迫，其中液泡区隔化在重金属解毒过程中发挥着关键作用。阐明液泡膜蛋白定位的分子机制对于环境保护、植物响应重金属胁迫及人类食物安全等方面都具有重大意义。蛋白分选是生命体活动中一个必不可少的生物学过程。在拟南芥中，液泡膜蛋白存在较为复杂的分选及运输途径，相关的调控机制也得到了较为深入的研究。在经典的蛋白质合成及分泌过程中，膜蛋白的运输通常依赖于高尔基体的分选，有研究显示部分蛋白质以高尔基非依赖的途径运输至靶细胞器，但其分子机制尚不清楚。定位在液泡膜上的ABC超家族成员AtABCC1和AtABCC2可以将重金属螯合物Cd-PCs及As-PCs转运至液泡内，在重金属镉和砷的解毒过程中发挥着重要的作用，但是ABCC1/2在内质网合成后，是如何定位至液泡膜上的仍是未解之谜。
研究者通过正向遗传学方法，筛选出一个对镉及砷极为敏感的突变体cadmium- and arsenic-sensitive 2 （cas2）。并采用图位克隆、等位性检测及遗传互补等实验手段，证明了cas2突变体在重金属镉及砷的胁迫条件下表现出的生长缺陷表型是由于包被蛋白复合体II内层包被蛋白基因Sec24C突变导致的。进一步研究发现，当进行重金属处理时，cas2突变体中的液泡区隔化作用明显受损，表现出极强的重金属敏感性。并且在cas2中，重金属区域化相关的液泡膜蛋白NRAMP3、NRAMP4以及HMA3仍能正确定位，但是ABCC1及ABCC2的定位发生明显变化且定位于内质网中。随后研究者通过酵母双杂交、荧光素酶互补、双分子荧光互补以及免疫共沉淀等实验，证明了Sec24C与ABCC1及ABCC2之间存在相互作用。以上结果表明，Sec24C能够调控蛋白ABCC1及ABCC2正确定位于液泡膜上，从而使其发挥液泡区隔化作用，赋予植物对重金属镉及砷的耐受性。
Sec24是COPII复合体的重要组成成分，能够介导蛋白质从内质网到高尔基的分选及运输。然而该项研究发现，ABCC1的运输并不依赖于BFA敏感的高尔基，且ABCC1以及ABCC2在Sec24C的作用下从内质网运出并直接转运至PVC，最终定位至液泡膜上。此过程与经典的液泡膜蛋白分选途径不同，并未涉及高尔基、反式高尔基等细胞器。
综上所述，Sec24C能够调控液泡膜蛋白ABCC1及ABCC2的正确定位，并且介导其以高尔基非依赖的途径运输至PVC，最终定位在液泡膜上，从而发挥液泡区域化的作用，以响应重金属镉及砷的胁迫。此研究不仅完善了重金属耐受性的调控网络，同时也证实了一条新的蛋白运输通路，即ER-PVC-TP，进一步完善了液泡膜蛋白的分选途径，也为进一步探索COPII复合体的功能奠定了基础。
植物分子遗传国家重点实验室晁代印研究员为该论文的通讯作者，已毕业博士生吕巧燕及副研究员韩美玲为论文的共同第一作者，研究组高轶群、晁振飞、张楚莹、王亚玲、钟荔媛等参与了部分工作。该研究得到了中国科学院先导项目和国家自然科学基金等项目的支持。
Sec24C调控ABCC1及ABCC2从内质网运至液泡的分子模型
