近日，Nature Communications 在線發表了南京農業大學趙方杰教授團隊題為“A molecular switch in sulfur metabolism to reduce arsenic and enrich selenium in rice grain”的研究論文。該論文闡明了從水稻突變體庫中篩選到一個耐砷的半顯性突變體astol1 （arsenite tolerant 1），發現該基因的等位突變能夠調控水稻硫和硒的吸收，增強水稻硫代謝，促進半胱氨酸和植物螯合肽合成，從而達到水稻耐砷、稻米降砷、富硫和富硒的多重效果。
砷是一種在土壤中廣泛存在的類金屬，對生物的毒性很強。稻田淹水條件下土壤中的砷容易被活化，加上水稻根系吸收砷的能力較強，導致水稻比其他禾谷類作物更容易積累砷，稻米是人體砷攝入的主要來源。因而，控制稻米砷積累對保障農產品質量安全和人體健康具有重要意義。土壤砷污染還可能引起水稻砷毒害，造成水稻減產。與砷相反，硒是人體必需的微量元素，對增強人體免疫功能和抗氧化延緩衰老具有重要作用。全球將近四分之三的稻米硒含量偏低，滿足不了人體對硒的需求，提高稻米硒含量對改善人體硒營養狀況意義重大。
趙方杰團隊通過正向遺傳學的方法克隆到水稻耐砷突變體astol1的基因OsASTOL1。該基因編碼一個定位于葉綠體的半胱氨酸合酶（OAS-TL），astol1突變體中該蛋白的第189位絲氨酸（S）突變為天冬酰胺（N）。一系列實驗證明OsASTOL1S189N喪失了OAS-TL酶活性，但由于有其它同工酶的存在，并不影響半胱氨酸合成。與野生型相比，OsASTOL1S189N增強了與絲氨酸乙酰轉移酶（SAT）形成的半胱氨酸合酶復合體（CSC）的穩定性，提高了水稻體內SAT酶活性，導致半胱氨酸合成的關鍵底物O-乙酰絲氨酸（OAS）積累，而OAS又是調控硫代謝的信號物質，從而正向調控硫和硒的吸收和同化，提高水稻體內硫和硒含量，同時增加硫代謝產物包括半胱氨酸、谷胱甘肽和植物螯合素的合成，增強水稻對砷的解毒能力，并使更多的砷截留在根部，最終造成水稻耐砷、稻米降砷富硒的表型（圖1）。該研究還發現該突變位點在所有的細菌和植物的OAS-TL蛋白都具有保守性，定向突變的擬南芥AtOAS-TL AS102N也具有增強CSC復合體穩定性的特征。因此，水稻OsASTOL1蛋白S189N突變在喪失本身功能的同時獲得了新的功能，使得硫吸收和代謝的開關處于打開的狀態，對硫和硒吸收與代謝途徑起到四兩拔千斤的調控作用（圖2）。該研究還表明，過多的OsASTOL1S189N會影響水稻生長，在突變體astol1中過量表達野生型的OsASTOL1可以起到平衡作用，逆轉對生長的負效應。
該項研究揭示了水稻半胱氨酸合酶復合體影響硫代謝和砷解毒能力，進而影響水稻籽粒砷、硫和硒積累的分子機制，為培育低砷富硒水稻新品種提供了新的基因資源。半胱氨酸合成是生物體基礎代謝途徑之一，該研究結果為進一步明確植物半胱氨酸合酶復合體的生理生化功能及調控機制提供了重要的研究工具。
該研究工作由南京農業大學趙方杰課題組完成，德國海德堡大學Rüdiger Hell教授課題組參與部分研究工作。趙方杰課題組已畢業的博士生孫晟凱為該論文的第一作者，趙方杰為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金重點國際合作等項目的資助。
日期：2021-03-09
砷是一種在土壤中廣泛存在的類金屬，對生物的毒性很強。稻田淹水條件下土壤中的砷容易被活化，加上水稻根系吸收砷的能力較強，導致水稻比其他禾谷類作物更容易積累砷，稻米是人體砷攝入的主要來源。因而，控制稻米砷積累對保障農產品質量安全和人體健康具有重要意義。土壤砷污染還可能引起水稻砷毒害，造成水稻減產。與砷相反，硒是人體必需的微量元素，對增強人體免疫功能和抗氧化延緩衰老具有重要作用。全球將近四分之三的稻米硒含量偏低，滿足不了人體對硒的需求，提高稻米硒含量對改善人體硒營養狀況意義重大。
趙方杰團隊通過正向遺傳學的方法克隆到水稻耐砷突變體astol1的基因OsASTOL1。該基因編碼一個定位于葉綠體的半胱氨酸合酶（OAS-TL），astol1突變體中該蛋白的第189位絲氨酸（S）突變為天冬酰胺（N）。一系列實驗證明OsASTOL1S189N喪失了OAS-TL酶活性，但由于有其它同工酶的存在，并不影響半胱氨酸合成。與野生型相比，OsASTOL1S189N增強了與絲氨酸乙酰轉移酶（SAT）形成的半胱氨酸合酶復合體（CSC）的穩定性，提高了水稻體內SAT酶活性，導致半胱氨酸合成的關鍵底物O-乙酰絲氨酸（OAS）積累，而OAS又是調控硫代謝的信號物質，從而正向調控硫和硒的吸收和同化，提高水稻體內硫和硒含量，同時增加硫代謝產物包括半胱氨酸、谷胱甘肽和植物螯合素的合成，增強水稻對砷的解毒能力，并使更多的砷截留在根部，最終造成水稻耐砷、稻米降砷富硒的表型（圖1）。該研究還發現該突變位點在所有的細菌和植物的OAS-TL蛋白都具有保守性，定向突變的擬南芥AtOAS-TL AS102N也具有增強CSC復合體穩定性的特征。因此，水稻OsASTOL1蛋白S189N突變在喪失本身功能的同時獲得了新的功能，使得硫吸收和代謝的開關處于打開的狀態，對硫和硒吸收與代謝途徑起到四兩拔千斤的調控作用（圖2）。該研究還表明，過多的OsASTOL1S189N會影響水稻生長，在突變體astol1中過量表達野生型的OsASTOL1可以起到平衡作用，逆轉對生長的負效應。
該項研究揭示了水稻半胱氨酸合酶復合體影響硫代謝和砷解毒能力，進而影響水稻籽粒砷、硫和硒積累的分子機制，為培育低砷富硒水稻新品種提供了新的基因資源。半胱氨酸合成是生物體基礎代謝途徑之一，該研究結果為進一步明確植物半胱氨酸合酶復合體的生理生化功能及調控機制提供了重要的研究工具。
該研究工作由南京農業大學趙方杰課題組完成，德國海德堡大學Rüdiger Hell教授課題組參與部分研究工作。趙方杰課題組已畢業的博士生孫晟凱為該論文的第一作者，趙方杰為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金重點國際合作等項目的資助。
日期：2021-03-09
