游离态铝（Al3+）严重抑制植物根部生长，是酸性土壤限制作物生产的主要因素之一。植物主要利用胞外拒铝和胞内耐受策略来响应铝毒害。这两种策略均涉及到物质的跨膜运输：例如前者通过质膜定位的转运体将苹果酸/柠檬酸等有机酸排到根外以螯合Al3+，后者主要将胞内的铝区域化到液泡来实现的。有机酸阴离子的跨膜运输依赖于膜两侧的质子电化学梯度所形成的推动力。在模式植物拟南芥中，质膜定位的质子泵(PM H+-ATPase)，液泡质子泵（V-ATPase）和质子焦磷酸酶（V-PPase）分别维持质膜和液泡膜的质子梯度，控制各种离子进出入这两种膜系统。但是， 在铝胁迫下，拟南芥如何利用质子泵调节和平衡耐铝策略的分子机制尚不清楚。

近日，南京大学 兰文智 教授课题组和加州大学伯克利分校 栾升 Plant Physiology 发表了题为 Defective Vacuolar Proton Pump Enhances Aluminum Resistance in Arabidopsis 的研究论文， 揭示了拟南芥通过抑制液泡质子泵以激活胞外拒铝的分子机制。

由于V-ATPase的A亚基成员VHA-a2和VHA-a3是V-ATPase重要组分，它们的突变破坏胞质与液泡的物质运输，使植物表现出对多种过量金属离子高度敏感的生长表型【1,2】。在探讨VHA-a2和VHA-a3的金属离子吸收与pH的关系研究过程中，该研究意外地发现拟南芥vha-a2 vha-a3突变体表现出耐铝胁迫的生长表型，而且含有较低的Al（图1）。通过基因表达分析和酶活测定，发现铝胁迫抑制VHA-a2和VHA-a3的表达和液泡质子泵活性，并伴随着PM H+-ATPase活性的增加。在排除其它液泡质子泵组分在该突变体的Al耐性的关系后，利用生物化学和遗传学等方法发现铝诱导的PM H+-ATPase活性增加与vha-a2 vha-a3突变体的Al抗性增强之间存在相关性。有意思的是，该活化的PM H+-ATPase不直接赋予铝抗性，而是提高质膜两侧的质子梯度，促进质膜定位的苹果酸转运体ALMT1和柠檬酸转运体MATE将有机酸阴离子排出质外体。 在排除液泡Al存储和耐低磷的这两种可能后，该研究认为拟南芥抑制液泡质子泵活性以激活质膜定位的有机酸转运体系（包括质子泵和转运体）的活性，从而揭示液泡质子泵参与的耐铝性与胞外拒铝的相关性。

图1. 拟南芥vha-a2 vha-a3突变体的耐铝性。野生型（WT）和突变体(mutant)在铝胁迫下的生长表型（A），根部铝含量（B），Hematoxylin（C）和Morin染色(D)。

液泡是成熟植物细胞最大的细胞器，也是苹果酸和柠檬酸等有机酸存储场所。那么，为何在铝胁迫下，植物根能分泌出足量的有机酸？该研究发现，无需提高有机酸代谢，拟南芥通过抑制液泡质子泵活性降低有机酸进入液泡，而激活质膜转运系统将胞内有机酸大量分配到质外体。该研究还发现，当质外体分配受阻时，液泡质子泵活性反而被激活，表明胞内铝耐受可能为备用方案。根据这些结果， 该研究提出液泡质子泵通过驱动有机酸的分配调节胞外和胞内耐Al毒的模型 （图2）。

图2. 质子泵参与胞外/胞内铝耐性的拮抗模式图

南京大学为该论文的第一完成单位，南京大学博士生 张丰 为该论文的第一作者，加州大学伯克利分校 唐仁杰 博士，南京大学 杨永华 教授和 赵福庚 副教授以及西北大学 付爱根 教授参与指导， 栾升 教授和 兰文智 教授为通讯作者。

据悉，该合作团队对植物细胞物质转运机理进行了多年的研究。近年来，鉴定出介导胞质磷酸根进入液泡的液泡磷转运体VPTs家族（PNAS, 2015, doi: 10.1073/pnas.1514598112；Plant Physiol, 2019, doi: 10.1104/pp.18.01424 点击查看此前的报道：南京大学/加州大学合作揭示液泡维持植物生殖发育阶段磷稳态的新机制），发现控制PIN类蛋白上质膜的胆碱转运体CTL1(PLoS Biol., 2017, doi: 10.1371/journal.pbio.2004310.)，叶绿体锰吸收转运体CMT1(Mol Plant, 2018, doi: 10.1016/j.molp.2018.04.007 点击查看此前的报道：国内外研究团队“背靠背”报道新的调控高等植物叶绿体维持锰稳态的转运蛋白CMT1)，内源危险信号分子PEPs调控根部生长（Plant Cell, 2019, doi: 10.1105/tpc.18.00757点击查看此前的报道：Plant Cell | 南京大学/加州大学合作团队发现免疫反应调控植物根生长的新机制）等多项研究成果。

参考文献：

【1】Krebs M, Beyhl D, Grlich E, Al-Rasheid KA, Marten I, Stierhof YD, Hedrich R, Schumacher K. Arabidopsis V-ATPase activity at the tonoplast is required for efficient nutrient storage but not for sodium accumulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Feb 16;107(7):3251-6.

【2】Tang RJ, Liu H, Yang Y, Yang L, Gao XS, Garcia VJ, Luan S, Zhang HX. Tonoplast calcium sensors CBL2 and CBL3 control plant growth and ion homeostasis through regulating V-ATPase activity in Arabidopsis. Cell Res. 2012 Dec;22(12):1650-65. doi: 10.1038/cr.2012.161.

http://www.plantphysiol.org/content/early/2019/07/26/pp.19.00626