林金星研究组PNAS文章解析离子转运

　　

生物通报道：来自中科院植物研究所，北京大学，卡内基科学研究院等处的研究人员发表了题为“Single-particle analysis reveals shutoff control of the Arabidopsis ammonium transporter AMT1;3 by clustering and internalization”的文章，发现了细胞质膜铵转运蛋白AMT1;3在活细胞中的转运调控机制，由此揭示了植物细胞能够通过膜蛋白的不同聚合方式和内吞降解，实现自我保护的机制。

这一研究成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上，文章的通讯作者是植物所林金星研究员，林金星研究员主要从事胞吞与胞吐过程中细胞膜蛋白成分的标记和实时成像研究，以及植物细胞中单分子的动态观测, 以及囊泡和细胞器的活体追踪与动力学特性等方面的研究。

离子转运是植物摄取营养元素的重要环节。铵态氮是植物生长的一种重要营养成分，但过量吸收铵会对植物自身产生毒害作用。在长期的进化过程中，植物形成了独特的自我调控机制。植物主要通过铵转运蛋白（ammonium transporter，AMT）实现对铵根离子的吸收，但其在活细胞中的转运过程以及调节机制尚不明确。

在这篇文章中，研究人员应用可变角度的全内反射荧光显微镜（VA-TIRFM）和荧光相关光谱技术（FCS），结合单颗粒追踪分析技术，在单分子水平上对拟南芥根表皮细胞质膜铵转运蛋白AMT1;3进行了活体动态分析。

研究发现，在正常以及铵缺乏的条件下，AMT1;3在质膜上主要以三聚体的功能形式存在；但在高铵胁迫下，AMT1;3在特定的膜微区迅速聚集，随后通过内吞进入胞质降解，使质膜上具有转运活性的AMT1;3蛋白减少，细胞的铵转运能力降低。在AMT1;3的内吞过程中，笼形蛋白依赖的途径和膜微区依赖的途径分别介导了不同的调控方式。

这项研究以一种全新的视角，揭示了植物细胞能够通过膜蛋白的不同聚合方式和内吞降解，实现自我保护的机制。

关于转运蛋白，近期全球12位著名的植物生物学家在Nature杂志上指出，他们发现了植物转运蛋白的重要属性，转运蛋白不仅会穿过农作物的生物膜来对抗有毒的金属和昆虫，也能提高农作物的抗盐性和耐旱性、控制水分流失并存储糖分，最新发现将对全球农业产生深远影响，有助于满足不断增加的全球人口对食物和能源的渴求。

其中一项研究中，研究人员在植物体内发现了一种钠转运蛋白，这种转运蛋白在保护植物免受盐分胁迫方面起关键作用，盐分胁迫会导致种植在灌溉土地上的农作物大幅减产。目前研究人员已经将这种钠转运蛋白用于育种研究中，对小麦作物进行了遗传学处理，让其更耐盐分胁迫。在标准环境下，新的耐盐小麦品系与正常小麦品系的产量没有差别，但是在盐分胁迫环境中，耐盐小麦则能将产量提高25%。

（生物通：万纹）

原文摘要：

Single-particle analysis reveals shutoff control of the Arabidopsis ammonium transporter AMT1;3 by clustering and internalization

Ammonium is a preferred source of nitrogen for plants but is toxic at high levels. Plant ammonium transporters (AMTs) play an essential role in NH4+ uptake, but the mechanism by which AMTs are regulated remains unclear. To study how AMTs are regulated in the presence of ammonium, we used variable-angle total internal reflection fluorescence microscopy and fluorescence cross-correlation spectroscopy for single-particle fluorescence imaging of EGFP-tagged AMT1;3 on the plasma membrane of Arabidopsis root cells at various ammonium levels. We demonstrated that AMT1;3-EGFP dynamically appeared and disappeared on the plasma membrane as moving fluorescent spots in low oligomeric states under N-deprived and N-sufficient conditions. Under external high-ammonium stress, however, AMT1;3-EGFPs were found to amass into clusters, which were then internalized into the cytoplasm. A similar phenomenon also occurred in the glutamine synthetase mutant gln1;2 background. Single-particle analysis of AMT1;3-EGFPs in the clathrin heavy chain 2 mutant (chc2 mutant) and Flotllin1 artificial microRNA (Flot1 amiRNA) backgrounds, together with chemical inhibitor treatments, demonstrated that the endocytosis of AMT1;3 clusters induced by high-ammonium stress could occur mainly through clathrin-mediated endocytic pathways, but the contribution of microdomain-associated endocytic pathway cannot be excluded in the internalization. Our results revealed that the clustering and endocytosis of AMT1;3 provides an effective mechanism by which plant cells can avoid accumulation of toxic levels of ammonium by eliminating active AMT1;3 from the plasma membrane.