新植物学家:揭示植物应对重金属胁迫的解毒机制

新植物学家在线发表了中科院分子植物科学卓越与创新中心晁代银研究组完成的研究论文《Sec24c介导了ABC C1和ABC C2液泡膜定位所需的高尔基体非依赖性交通高速公路》。本研究证明，外壳蛋白复合物成分Sec24C通过高尔基体非依赖性途径介导转运蛋白ABCC1/2定位于液泡膜，使其发挥液泡区室化作用，增强植物对重金属镉和砷胁迫的耐受性。

重金属污染是当今世界的一个严重问题。植物进化出了更加精确的防御机制来适应重金属胁迫，其中液泡区室化在重金属解毒中起着关键作用。阐明液泡膜蛋白定位的分子机制对环境保护、植物对重金属胁迫的响应和人类食品安全具有重要意义。蛋白质分选是生命活动中必不可少的生物过程。在拟南芥中，液泡膜蛋白存在复杂的分选和运输途径，相关的调控机制也已被深入研究。在蛋白质合成和分泌的经典过程中，膜蛋白的转运通常依赖于高尔基体的分选。一些研究表明，部分蛋白质以高尔基体非依赖的方式转运到靶细胞器，但其分子机制尚不清楚。位于液泡膜上的ABC超家族成员AtABCC1和AtABCC2能将Cd-PCs和As-PCs转运到液泡中，并在重金属镉和砷的解毒中发挥重要作用。然而，ABCC1/2在内质网合成后如何定位于液泡膜上仍是未知的。

利用正向遗传学方法筛选出一个对镉和砷高度敏感的突变型镉砷敏感2号(Cas 2)。通过图位克隆、等位基因检测和遗传互补，证明了重金属镉和砷胁迫下cas2突变体的生长缺陷表型是由于外壳蛋白复合物内层外壳蛋白基因Sec24C的突变。进一步发现，重金属处理明显破坏了cas2突变体的液泡区室化，表现出强烈的重金属敏感性。在cas2中，与重金属区域化相关的液泡膜蛋白NRAM3、NRAMP4和HMA3仍能正确定位，但ABCC1和ABCC2的定位发生了明显变化，定位于内质网。酵母双杂交、荧光素酶互补、双分子荧光互补和共沉淀的研究表明，Sec24C与ABCC1和ABCC2之间存在相互作用。结果表明，Sec24C可以调控蛋白质ABCC1和ABCC2在液泡膜上的正确定位，从而使其发挥液泡区室化的作用，赋予植物对重金属镉和砷的耐受性。

Sec24是COPII复合体的重要组成部分，可以介导蛋白质从内质网到高尔基体的分选和运输。但发现ABCC1的转运不依赖于对BFA敏感的高尔基体，ABCC1和ABCC2在Sec24C的作用下从内质网转运到PVC，最终定位在液泡膜上。这个过程不同于液泡膜蛋白的经典分选方法，不涉及高尔基体、反高尔基体等细胞器。

Sec24C可以调控液泡膜蛋白ABCC1和ABCC2的正确定位，并以高尔基体非依赖的方式介导其向PVC的转运，最终定位在液泡膜上，从而在响应重金属镉和砷的胁迫中发挥液泡区域化的作用。本研究完善了重金属耐性的调控网络，确认了一种新的蛋白质转运途径，即ER-PVC-TP，进一步完善了液泡膜蛋白的分选途径，为进一步探索COPII复合体的功能奠定了基础。

本研究得到了中国科学院和国家战略性先导科技项目的资助。

Sec24C调节ABCC1和ABCC2从内质网到液泡的转运。