磷脂酰肌醇作为一类重要的结构性和调节性膜脂，对于细胞的各种生理功能起着非常重要的作用。磷脂酰肌醇的代谢调控主要依赖于特异性磷脂酰肌醇激酶和磷脂酰肌醇磷酸酶，从而使不同的磷脂酰肌醇分子发生相互转化。目前，对于磷脂酰肌醇的调节功能，以及依赖于磷脂酰肌醇调控的靶分子还不是很清楚。此外，人们对于植物中磷脂酰肌醇类分子调控细胞形态建成和生长发育的分子机制也知之甚少。尽管如此，在一定程度上紊乱磷脂酰肌醇代谢过程可以被用来评估其调控效应，有助于挖掘下游相关的靶蛋白。
12月27日，Plant Physiology在线发表了中科院分子植物卓越创新中心/植物生理生态研究所林鸿宣研究组题为A SAC phosphoinositide phosphatase controls rice development via hydrolyzing PI4P and PI(4,5)P2的研究论文。该研究首次报道了水稻SAC磷酸酶特异性水解磷脂酰肌醇-4-磷酸(PI4P)和磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸[PI(4,5)P2)]，以及磷脂酰肌醇-4, 5-二磷酸通过特异性抑制Arp2/3复合体介导的肌动蛋白微丝聚合过程影响细胞骨架重排，进而调控植物细胞形态建成的分子机制。
在该项研究中，作者首先利用大穗高产的籼稻品种桂朝2号(GC)和源于美国的矮秆小穗粳稻品种CB，通过图位克隆，定位了一个控制水稻每穗粒数和株高的QTL位点，并命名为GRAIN NUMBER AND PLANT HEIGHT 1 (GH1)。近等基因系NIL-GH1CB和GH1基因功能缺失突变体都表现出株高变矮、每穗粒数减少的表型。该结果表明，GH1是水稻生长发育所必需的关键基因。研究发现，GH1基因编码一个含有suppressor of actin (SAC) 结构域，且两次跨膜的磷酸酶。来源于亲本CB的GH1CB等位基因含有多个SNPs，其中一个C到T的突变直接导致GH1CB蛋白翻译提前终止，从而使其丧失了磷酸酶活性。然而，来源于亲本GC的GH1GC具有明显的磷酸酶活性，并且只特异性对PI4P和PI(4,5)P2进行去磷酸化修饰。脂质结合实验进一步表明，GH1GC蛋白可以特异性结合PI4P和PI(4,5)P2，而GH1CB蛋白失去了脂质结合能力。亚细胞定位结果发现，GH1定位于内质网上发挥功能。
作者接着通过ELISA实验检测了体内PI4P和PI(4,5)P2的含量，研究发现，相较于近等基因系NIL-GH1GC，GH1CB突变导致NIL-GH1CB叶片和根尖区PI4P和PI(4,5)P2含量明显升高。因此，GH1突变可能导致了PI4P和PI(4,5)P2代谢紊乱，使得细胞内积累了大量的PI4P和PI(4,5)P2。细胞学实验进一步发现，GH1CB突变使得水稻茎秆和根尖细胞长度减小，根尖细胞内肌动蛋白微丝骨架紊乱，而且叶片细胞内高尔基体和叶绿体发育受阻。这些结果表明，由GH1缺失突变导致的过度累积的PI4P和PI(4,5)P2可能通过调控细胞微丝骨架参与植物细胞形态建成，影响细胞的大小。
有趣的是，进一步通过体外肌动蛋白微丝聚合实验发现，PI4P 和PI(4,5)P2可以抑制Arp2/3复合体介导的肌动蛋白微丝成核和分枝形成过程，但是PI(4,5)P2表现出更加明显的特异性和剂量依赖效应。此外，pull-down实验发现PI(4,5)P2能够和成核因子VCA蛋白竞争性结合Arp2/3复合体。这些结果表明，由于GH1突变导致细胞内PI(4,5)P2超量积累，过度累积的PI(4,5)P2可能特异性抑制了Arp2/3复合体介导的肌动蛋白微丝成核和分枝形成，从而紊乱了细胞骨架。因此作者推测，PI(4,5)P2可能作为Arp2/3复合体潜在的竞争性抑制剂发挥作用。
综上所述，该项研究不仅揭示了SAC磷酸酶通过PI(4,5)P2调控植物生长发育的分子机制，更重要的是发现了PI(4,5)P2可能作用于保守的Arp2/3复合体，从而参与调控细胞微丝骨架重排，为磷脂酰肌醇调控植物细胞形态建成提供了新的分子证据，也为作物产量的遗传改良提供了新的思路。
林鸿宣研究组博士后郭韬和已毕业的陈华昌博士（现为范德堡大学博士后）为该论文的共同第一作者，林鸿宣研究员为通讯作者。研究组单军祥博士、叶汪薇博士、董乃乾博士、陈可博士和博士研究生卢紫琦等参与了部分工作。清华大学生命科学学院黄善金教授和刁敏博士在实验中给予了大力支持和帮助。该项目得到了科技部、国家自然科学基金委、中科院和中国博士后基金会等相关经费资助。
论文链接：/content/early//12/27/pp.19.01131
