揭秘拟南芥 IRT1 无序环的金属感应奥秘：为植物金属平衡调控 “解锁” 新认知

为探究 IRT1 如何感知非铁金属及介导 CIPK23 招募，研究人员对 IRT1 调节环进行研究。结果发现该环结合 Zn2+和 Mn2+，D173 参与金属配位和感知。这深化了对植物金属吸收调控的理解。

　　在植物的生长过程中，铁元素起着至关重要的作用。它参与光合作用的电子传递反应，对植物的健康生长不可或缺。然而，铁元素在自然界中常以不溶性的氧化铁 / 氢氧化物形式存在，这使得植物获取铁元素变得困难。一旦缺铁，植物就会出现生长不良、叶片严重黄化等问题；但铁过量同样有害，会引发细胞内的芬顿反应，产生活性氧物种，损伤植物细胞。除了铁，植物还需要摄取其他二价金属离子，如锌（Zn²⁺）、锰（Mn²⁺）等 。在这些金属离子的摄取过程中，拟南芥的铁调节转运蛋白 1（IRT1）发挥着关键作用。IRT1 是一种位于质膜上的蛋白质，在铁缺乏的条件下，它能帮助植物从土壤中吸收铁。不过，IRT1 的底物范围很广，它还能运输 Zn²⁺、Mn²⁺等其他二价金属离子。当土壤中铁含量较低且 IRT1 高度表达时，这些金属离子可能会在植物体内过度积累，带来潜在的危害。

此前的研究虽然揭示了 IRT1 在转录水平和翻译后水平的一些调控机制，但对于 IRT1 如何选择性地结合金属离子，以及这种结合如何引发下游调控过程，仍然存在许多未知。为了深入探究这些问题，来自国外的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《Biochemical Journal》上。

研究人员主要运用了圆二色谱（CD）、核磁共振（NMR）、微尺度热泳（MST）等技术。他们通过合成 IRT1 调节环（氨基酸 144 - 185）的相关肽段，并对其进行研究。

在结构特征方面，研究发现 IRT1 调节环是一个内在无序区域（IDR）。通过结构预测软件和 CD 光谱分析，表明该区域具有高度无序性，CD 光谱呈现出典型的随机卷曲构象特征。NMR 光谱进一步证实了这一点，1D ¹H NMR 光谱显示信号分散性差，2D H¹-H¹ NOESY 光谱虽发现存在一个涉及¹⁵⁵AVGI¹⁶⁰疏水残基的转角，但整体仍缺乏明确的二级结构。

金属结合对 IRT1 调节环结构的影响研究中，研究人员在肽段中逐次加入 Zn²⁺，并记录 CD 光谱和 NMR 光谱。结果显示，Zn²⁺结合并未改变调节环的整体结构，但引起了一些小的结构变化，如信号变宽。NMR 光谱还表明，IRT1 的富含组氨酸基序参与了 Zn²⁺的结合，D173 也可能参与金属配位。研究人员通过设计多种突变肽段进行实验，进一步验证了这些结论。

在金属结合亲和力的研究上，MST 实验表明，IRT1 调节环与 Zn²⁺和 Mn²⁺的结合亲和力处于纳摩尔范围。其中，与 Zn²⁺的结合亲和力更强，野生型 IRT1 环与 Zn²⁺结合的解离常数（K_d）为 33 ± 2.1 nM，与 Mn²⁺结合的 K_d为 114 ± 62 nM 。突变实验显示，组氨酸残基和 D173 对金属结合亲和力有重要影响。

研究人员还分析了 D173 在 IRT1 对金属过量反应中的作用。通过在酵母和植物中表达 IRT1 突变体进行实验，发现 D173 参与了 Zn²⁺和 Mn²⁺的感知以及 IRT1 在非铁金属胁迫下的正常降解过程。

综合来看，该研究揭示了 IRT1 调节环的金属感应特性和结构特征，明确了组氨酸残基和 D173 在金属结合和信号传导中的重要作用。这不仅为理解植物如何优化铁吸收、限制非铁金属积累提供了理论依据，也为后续通过生物技术调控植物重金属积累奠定了基础，在植物营养和环境科学领域具有重要的意义。