赵方杰团队揭示控制水稻降砷富硒的分子开关
导 读
近日，Nature Communications 在线发表了南京农业大学赵方杰教授团队题为“A molecular switch in sulfur metabolism to reduce arsenic and enrich selenium in rice grain”的研究论文。该论文报道了从水稻突变体库中筛选到一个耐砷的半显性突变体astol1 （arsenite tolerant 1），发现该基因的等位突变能够调控水稻硫和硒的吸收，增强水稻硫代谢，促进半胱氨酸和植物螯合肽合成，从而达到水稻耐砷、稻米降砷、富硫和富硒的多重效果。
来源：南农大资环学院公号（2021年3月2日）
近日，Nature Communications 在线发表了南京农业大学赵方杰教授团队题为“A molecular switch in sulfur metabolism to reduce arsenic and enrich selenium in rice grain”的研究论文。该论文报道了从水稻突变体库中筛选到一个耐砷的半显性突变体astol1 （arsenite tolerant 1），发现该基因的等位突变能够调控水稻硫和硒的吸收，增强水稻硫代谢，促进半胱氨酸和植物螯合肽合成，从而达到水稻耐砷、稻米降砷、富硫和富硒的多重效果。
砷是一种在土壤中广泛存在的类金属，对生物的毒性很强。稻田淹水条件下土壤中的砷容易被活化，加上水稻根系吸收砷的能力较强，导致水稻比其他禾谷类作物更容易积累砷，稻米是人体砷摄入的主要来源。因而，控制稻米砷积累对保障农产品质量安全和人体健康具有重要意义。土壤砷污染还可能引起水稻砷毒害，造成水稻减产。与砷相反，硒是人体必需的微量元素，对增强人体免疫功能和抗氧化延缓衰老具有重要作用。全球将近四分之三的稻米硒含量偏低，满足不了人体对硒的需求，提高稻米硒含量对改善人体硒营养状况意义重大。
赵方杰团队通过正向遗传学的方法克隆到水稻耐砷突变体astol1的基因OsASTOL1。该基因编码一个定位于叶绿体的半胱氨酸合酶（OAS-TL），astol1突变体中该蛋白的第189位丝氨酸（S）突变为天冬酰胺（N）。一系列实验证明OsASTOL1S189N丧失了OAS-TL酶活性，但由于有其它同工酶的存在，并不影响半胱氨酸合成。与野生型相比，OsASTOL1S189N增强了与丝氨酸乙酰转移酶（SAT）形成的半胱氨酸合酶复合体（CSC）的稳定性，提高了水稻体内SAT酶活性，导致半胱氨酸合成的关键底物O-乙酰丝氨酸（OAS）积累，而OAS又是调控硫代谢的信号物质，从而正向调控硫和硒的吸收和同化，提高水稻体内硫和硒含量，同时增加硫代谢产物包括半胱氨酸、谷胱甘肽和植物螯合素的合成，增强水稻对砷的解毒能力，并使更多的砷截留在根部，最终造成水稻耐砷、稻米降砷富硒的表型（图1）。该研究还发现该突变位点在所有的细菌和植物的OAS-TL蛋白都具有保守性，定向突变的拟南芥AtOAS-TL AS102N也具有增强CSC复合体稳定性的特征。因此，水稻OsASTOL1蛋白S189N突变在丧失本身功能的同时获得了新的功能，使得硫吸收和代谢的开关处于打开的状态，对硫和硒吸收与代谢途径起到四两拔千斤的调控作用（图2）。该研究还表明，过多的OsASTOL1S189N会影响水稻生长，在突变体astol1中过量表达野生型的OsASTOL1可以起到平衡作用，逆转对生长的负效应。
该项研究揭示了水稻半胱氨酸合酶复合体影响硫代谢和砷解毒能力，进而影响水稻籽粒砷、硫和硒积累的分子机制，为培育低砷富硒水稻新品种提供了新的基因资源。半胱氨酸合成是生物体基础代谢途径之一，该研究结果为进一步明确植物半胱氨酸合酶复合体的生理生化功能及调控机制提供了重要的研究工具。
该研究工作由南京农业大学赵方杰课题组完成，德国海德堡大学Rüdiger Hell教授课题组参与部分研究工作。赵方杰课题组已毕业的博士生孙晟凯为该论文的第一作者，赵方杰为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金重点国际合作等项目的资助。
图1. 水稻OsASTOL1S189N等位突变调控硫代谢途径，起到耐砷和籽粒降砷、富硫、富硒的效果。（a）astol1 突变体根生长耐砷表型；（b）半胱氨酸合成途径；（c）预测OsASTOL1蛋白结构及突变位点；（d）突变蛋白OsASTOL1S189N 失去与OAS结合的能力；（e） OsASTOL1S189N-SAT 复合体稳定性增强，不易被OAS解离；（f）astol1 突变体SAT酶活性提高；（g）astol1 突变体硫代谢产物含量提高；（h）与野生型相比，astol1 突变体及突变体背景过量表达野生型OsASTOL1籽粒砷含量降低，硫和硒含量增加。
图2. OsASTOL1S189N 调控水稻硫、硒吸收与代谢及耐砷的作用模型（箭号粗细代表代谢通量大小）。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21282-5