中科院遗传所储成才团队揭示RLI1/HINGE1精细调控氮磷平衡的分子机制

来源：植物生物学

2020年12月11日，中科院遗传发育所储成才团队在《Molecular Plant》发表了题为"Modulation of Nitrate-Induced Phosphate Response by RLI1/HINGE1 in Nucleus"的研究论文。该研究揭示了RLI1/HINGE1精细调控NIPR入核的分子机制。RLI1 /HINGE1在硝酸盐诱导下被PHR2转录激活，并可以直接激活磷饥饿诱导基因的表达。更重要的是，RLI1 /HINGE1与PHR2竞争以结合细胞核中的阻遏蛋白SPX，释放PHR2以进一步增强磷酸盐响应，在硝酸盐供应充足的情况下对N-P平衡进行精细调控。 

植物通常会在固定的位置完成其整个生命周期，而环境和营养条件却在不断变化。氮（N）和磷（P）的协调利用对于维持营养平衡，并实现植物的最佳生长至关重要。因此，了解植物如何保持不同养分特别是N和P之间的平衡具有重要意义。拟南芥AtNRT1.1（OsNRT1.1B是在水稻中的同源蛋白）被鉴定为硝酸盐受体，通过磷酸化开关感应硝酸盐浓度。硝酸盐信号通过促进PHR2的胞质核穿梭激活水稻中的Pi响应，这是由NRT1.1B介导的OsSPX4实施的。但是，在硝酸盐诱导下，PHR2如何被调节激活核中PSI基因的表达仍不清楚。 

该研究通过分析RNA-seq，发现转录因子RLI1/HINGE1被硝酸盐显著诱导。GAL4激活实验表明，RLI1可以充当转录激活因子，直接上调基因表达。RLI1-OE株系在成熟叶片中表现出明显的叶尖坏死表型，这是Pi毒性的典型症状。RLI1-OE株系比野生型（WT）在叶片中积累的Pi量明显更高，下游Pi 转运基因 (PT) 和Pi饥饿响应基因PSI，表明RLI1可以通过激活PSI基因表达来触发Pi反应。

图1 RLI1是硝酸盐诱导的转录因子，参与调节Pi响应。

进一步的，作者获得了RLI1突变体，包括T-DNA插入突变体rli1-T和CRISPR / Cas9敲除突变体rli1-C。在rli1-T和rli1-C突变体中，硝酸盐诱导的PSI基因均被显著抑制，表明RLI1 参与调控NIPR。水稻原生质体中的双重荧光素酶（LUC）瞬时转录活性测定表明，PHR2可以激活RLI1的启动子，而RLI1的表达在PHR2-OE株系中也上调。在phr2和nrt1.1b突变体中，均显著抑制硝酸盐诱导RLI1的表达。综上表明，RLI1位于PHR2的下游。

为研究RLI1的相互作用蛋白，作者在植物中的进行了IP-MS。通过Co-IP等多种技术证明，SPX2可以与RLI1相互作用。存在一种假设，硝酸盐诱导的RLI1积累将大大增加RLI1与SPX2相互作用，并因此释放PHR2。通过LUC互补实验表明，RLI1可以通过与PHR2竞争来干扰PHR2-SPX2互作。

图2 RLI1可以通过与PHR2竞争来干扰PHR2-SPX2互作。

RLI1可能会从SPX2结合中释放PHR2，并恢复PHR2的反式激活活性。为了验证这一推测，作者在水稻原生质体中以OsIPS1启动子为报告基因进行了Dual-LUC活性测定。结果表明，PHR2对OsIPS1启动子具有非常高的反式激活活性，与SPX2共表达后，PHR2被显著抑制。随着共表达系统中RLI1数量的增加，相对LUC活性随之增加，表明PLI2的反式激活活性被RLI1恢复。此外，在RLI1-OE株系中敲除PHR2也显著降低了PSI基因的表达和叶片中的Pi浓度，表明RLI1在激活PSI基因中的功能很大程度上取决于PHR2。总的来说，RLI1可以通过与SPX2竞争性相互作用激活PSI基因的表达，从而释放反式激活活性。

图3 RLI1与SPX2竞争互作而释放其反式激活活性。

中国科学院遗传与发育研究所的Zhihua Zhang和Zhao Li为该文的共同第一作者，储成才研究员为该论文的共同通讯作者。该研究得到中国国家重点研究发展计划，国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

图4 RLI1工作模式图