研究发现助水稻从土壤中吸收锌的转运蛋白

锌是植物和人体必需的微量营养素。然而，植物从土壤中吸收锌的确切转运体尚未确定。日本冈山大学的黄生和马建峰以及其他人在最新研究中发现，OsZIP9是锌和铁调节蛋白家族的成员。在水稻等植物中，OsZIP9蛋白是促进植物从土壤中吸收锌的重要因素。相关结果发表在5月7日的《植物生理学》杂志上。

锌在许多蛋白质中起结构和催化作用。然而，缺锌是全世界作物中最普遍的微量营养素缺乏症，并已成为数百万公顷可耕地生产的限制因素，尤其是碱性土壤作物。作物可食部分的锌是人类锌摄入的主要来源，而水稻等作物的缺锌也会在一定程度上导致人体缺锌。

因此，研究人员指出，了解锌在作物中运输和调节的分子机制，对于提高作物对缺锌的耐受性和维持植物可食部分锌的积累具有重要意义。

土壤溶液中锌的主要形式是二价阳离子。锌从土壤向植物不同器官和组织的转运被认为是由不同的转运蛋白介导的，如锌铁调节蛋白(ZIP)、重金属三磷酸腺苷酶(HMA)等。先前的研究表明，ZIP蛋白家族的一些成员参与锌的吸收和转运。

ZIP蛋白首次在酵母和拟南芥中发现。事实上，同源ZIP蛋白存在于许多植物物种中，如拟南芥、水稻、小麦和其他植物，它们都具有ZIP蛋白。大多数ZIP蛋白含有309-470个氨基酸，预计有8个跨膜结构域和类似的膜拓扑，其中蛋白质的氨基和羧基端位于质膜的外表面。

根据酵母突变体的转运分析，ZIP家族蛋白显示出广泛的底物转运活性。除了锌和铁，它们还运输锰、镉和钴，而一些ZIP家族蛋白成员只运输锌。ZIP基因也表现出不同的表达模式，其中一些仅在根中表达，而其他的在不同的组织中表达。

大米是世界一半人口的主食。然而，人们对大米中的锌转运系统并没有很好的了解。黄生和马建峰等人在他们的研究中发现，大米中的ZIP蛋白表现出不同的表达模式。例如，其成员OsZIP1、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP6、OsZIP7a和OsZIP8均在根和芽中表达，而OsZIP3主要在节中表达。

当锌浓度在水稻培养液中被稀释时，水稻将上调蛋白质的表达，如糖链蛋白4、糖链蛋白5、糖链蛋白6、糖链蛋白7和糖链蛋白8。此外，该研究还发现，过量表达OsZIP4和OsZIP5会导致植物中锌积累的减少和根中锌积累的增加。

黄生和马建峰等人认为，OsZIP1在土壤中的锌吸收中起作用，而OsZIP4、OsZIP5、OsZIP7和OsZIP8在地面上部参与锌的运输或分布。

水培中Oszip9基因敲除系的▲表型分析

此外，黄生、马建峰和其他人也报道了一种OsZIP9，它是水稻ZIP蛋白家族的一员，没有以前的特征。通过详细的功能分析，发现OsZIP9是一种转运蛋白，有助于在有限的水培条件和土壤中吸收锌。

OsZIP9主要位于质膜上，对酵母中的锌具有转运活性。表达谱分析表明，OsZIP9主要在根的不同生长阶段表达，缺锌对其表达有上调作用。此外，OsZIP9在根成熟区的外皮层和内皮层均有表达。

对于生长在低锌浓度水培溶液中的植物，敲除OsZIP9显著降低了植物的生长，同时降低了根和茎中的锌浓度。然而，在锌充足的条件下，敲除系与野生型水稻在植株生长和锌积累方面没有差异。

该研究还发现，当生长在土壤中时，敲除系的芽和谷粒中的锌含量下降到野生型水稻的一半，而其他矿物质营养物的含量没有变化。稳定同位素67Zn的短期动力学实验表明，敲除体系对67Zn的吸收远低于野生稻。

黄生和马建峰等人最终确定OsZIP9蛋白位于水稻根鞘和内皮，是水稻中锌的重要转运蛋白。在锌浓度限制的条件下，OsZIP9蛋白也有助于水稻吸收锌。

相关论文信息:https://doi.org/10.1104/pp.20.00125