磷是植物生长发育必需的大量营养元素，主要以无机磷酸盐（inorganic phosphate，Pi）的形式被植物吸收和利用。然而，土壤中的磷酸盐易与金属离子结合形成难溶性沉淀，导致其有效性低、流动性差，使作物对磷的吸收利用效率长期处于较低水平。为适应复杂多变的磷营养环境，植物进化出了一套精密的磷吸收、转运与再分配系统，以维持体内磷稳态并满足不同组织和器官的生长发育需求。
在这一磷吸收与再分配网络中，作物籽粒中的磷积累尤为关键，它不仅影响种子发育，还关系到粮食品质、植酸含量及农业磷资源利用效率。已有研究表明，水稻SPDT（SULTR-like phosphorus distribution transporter）定位于节间维管组织，负责磷向发育籽粒中的再分配。敲除 OsSPDT 可显著降低籽粒中磷和植酸含量，同时对植株生长和产量影响较小，因此 OsSPDT 被认为是培育低植酸水稻和提高作物磷利用效率的重要靶点。然而，OsSPDT蛋白如何识别和转运磷，其构象变化如何与转运过程耦联，长期缺乏直接的结构和动力学证据。
近日，华中农业大学刘主课题组在Science China Life Sciences在线发表题为Structural and dynamic insights into SPDT for phosphorus allocation in rice的研究论文，报道了水稻磷转运蛋白OsSPDT的冷冻电镜结构，结合单分子荧光共振能量转移（smFRET）技术，对其构象变化进行了可视化分析，揭示了其识别、转运磷的分子机制。
在本研究中，研究团队建立了一套基于蛋白脂质体重构—放射性同位素检测、异源酵母、细胞等功能实验，系统证实了OsSPDT蛋白具有磷转运功能，并揭示其转运过程依赖质子驱动力。基于OsSPDT蛋白的高分辨率结构，研究团队解析了其二聚体组装方式、跨膜区结构特征以及磷结合位点，鉴定出一系列参与磷识别与转运的关键氨基酸位点（图1）。进一步研究发现，OsSPDT蛋白胞质侧存在由带正电氨基酸构成的磷释放通道，而E370关键残基可能参与质子耦联过程，协同驱动磷跨膜转运。
图1. OsSPDT识别磷的结构基础
为了进一步理解 OsSPDT蛋白在转运过程中的构象变化，研究团队整合单分子荧光smFRET 技术，在单分子水平可视化分析OsSPDT蛋白的动态构象转换。结果显示，OsSPDT蛋白并非处于单一静态构象，而是在不同构象状态之间发生动态转换。通过分别监测Gate–STAS和Gate–Core之间的距离变化，研究者发现 STAS 结构域与跨膜区之间存在动态相互作用，并可能通过调节Core 结构域的位置变化参与稳定特定构象状态。进一步的STAS缺失实验表明，缺失 STAS 后构象平衡发生明显改变，提示 STAS 结构域在调控 OsSPDT蛋白构象动态和转运循环中具有重要作用。
图2. STAS结构域介导的转运调控模型
综上，该研究采用整合结构生物学策略，联合冷冻电镜、单分子荧光和多种功能实验，系统揭示了水稻 OsSPDT蛋白识别和转运磷的分子基础，提出了 STAS 结构域调控 OsSPDT蛋白构象动态与转运循环的机制模型（图2）。该研究为理解植物体内磷再分配的分子机制提供了结构与动态证据，也为调控籽粒磷积累、培育低植酸作物提供了一定理论基础。
华中农业大学生命科学技术学院硕士生何海涛，博士生刘艳和博士生张杰为论文共同第一作者。刘主教授为论文通讯作者。广州实验室先进生物成像平台为电镜数据收集提供了重要支撑和帮助，研究工作得到国家自然科学基金等项目的大力支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1007/s11427-026-3403-5
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