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PBJ|上海市农业科学院薛永团队揭示OsPT4介导的硒代蛋氨酸合成代谢与积累新机制

  • 2026-10-18 10:10:35
PBJ|上海市农业科学院薛永团队揭示OsPT4介导的硒代蛋氨酸合成代谢与积累新机制
近日，Plant Biotechnology Journal杂志在线发表了由上海市农业科学院生态环境保护研究所薛永课题组撰写的“OsPT4 Facilitates Selenomethionine Transport and Biosynthesis to Enhance Seed Accumulation in Rice: Molecular Mechanisms and Biotechnological Potential” 研究论文。该论文揭示了OsPT4介导的 硒代蛋氨酸（SeMet） 合成代谢与积累机制，并为开发具有更高营养和治疗价值的硒强化水稻品种提供了策略。
硒（Se）是维持人体健康的必需微量元素，参与抗氧化防御、免疫稳态与生殖健康等多重过程(Clark et al., 1998; McKenzie et al., 1998; Foresta et al., 2002; Ryan-Harshman and Aldoori,  2005; Shin et al., 2007)。流行病学与干预研究显示，适当补硒有助于降低多类疾病风险。与无机硒（如硒酸盐、亚硒酸盐）相比，有机硒（如硒代蛋氨酸、硒代半胱氨酸、甲基硒代半胱氨酸）具有更高的生物利用度与更低的毒性，更适合通过食物途径实现长期、安全、温和的营养改善。
水稻（Oryza sativa L.）是全球超过一半人口的口粮作物；然而在我国，约七成以上耕地存在不同程度的硒贫乏，这导致部分地区人群日常膳食硒摄入不足(Dinh et al., 2018)。因此，阐明水稻中硒的吸收和积累机制，并结合分子育种来增强硒生物强化，对于确保人类获得足够的硒摄入量至关重要。

先前的研究表明磷酸盐（Pi）转运蛋白可能介导了植物对硒的吸收和转运过程。OsPT2介导水稻对于亚硒酸盐的吸收(Zhang et al., 2014)。超表达OsPT8可以增加烟草中的硒含量(Song et al., 2017)。此外，在之前的研究中，研究团队证实OsPT4作为一种高亲和磷酸盐转运蛋白，在Pi的高效利用中发挥着关键作用，负责Pi的吸收和向地上部分的转运，并显著促进种子胚胎发育(Zhang et al., 2015; Sun et al., 2023)。上海市农业科学院薛永团队解析了OsPT4介导的SeMet合成代谢和积累新机制，全文主要研究结果如下：

1. OsPT4促进水稻地上部硒积累

为了研究OsPT4基因在不同硒条件下的时空表达模式，使用qRT-PCR检测了野生型(WT)水稻在不同硒浓度处理下，不同部位(根部和地上部)在不同时间点的OsPT4相对表达水平。实验结果表明，施用硒可同时提高根系和地上部分OsPT4的相对表达量。然而，根系中的响应更快但更短暂，而地上部分中的诱导作用则更为持久，这可能是由于硒的运输过程存在延迟。这表明OsPT4可能参与了后续的硒转运。为了更好地了解OsPT4在不同硒浓度处理下对水稻硒积累的影响，测定了WT水稻和OsPT4转基因株系在不同硒浓度处理下，20分钟内的硒吸收和积累速率。ospt4突变体的硒积累速率最低，而过表达则显著提高了硒的积累速率。基于这些结果，可以看出OsPT4能够促进地上部分硒的积累，并提高不同硒处理条件下硒的积累速率。

图1OsPT4在不同硒处理条件下对硒积累与转运的影响

2. OsPT4增强硒处理下水稻地上部的耐受性

为了进一步探究OsPT4在不同硒浓度下对水稻生长的影响,将WT和OsPT4转基因株系水稻幼苗置于不同浓度亚硒酸盐溶液中进行水培处理，14天后测量地上部和根部的生物量。结果发现OsPT4突变降低了地上部生物量，而过表达则提高了植株和根部的干重，表明OsPT4能够提高水稻在不同硒处理下的地上部和根系生物量。通过对不同浓度硒处理下水稻幼苗表型观察发现，硒浓度的增加显著抑制了水稻幼苗的生长。为了研究OsPT4对水稻高硒耐受性的影响，实验采用四参数逻辑回归模型拟合了硒浓度的EC50和IC50值，结果表明OsPT4提高了地上部中的IC50值，并且对高浓度硒处理条件下地上部的生长抑制具有一定的缓解作用。

图2 OsPT4增强富硒条件下水稻地上部的耐受性

3. OsPT4在不同形态硒的转运和积累中发挥作用

由于有机硒和无机硒在生物有效性和毒性方面存在显著差异，近测量总硒无法完全反应硒的生物学效应，因此实验还分别测量了水稻中有机硒和无机硒的含量。结果有趣的发现OsPT4突变降低了植株中有机硒的浓度，而过表达则提高了有机硒的浓度，OsPT4对有机硒，尤其是硒代蛋氨酸（SeMet）的积累具有显著的促进作用。OsPT4对无机硒的影响不太规律，在0.5 μM 硒处理条件下，OsPT4突变导致无机硒含量显著降低，而过表达则无此影响。在1 μM和2 μM 硒处理条件下，OsPT4突变均降低了幼苗中无机硒的积累。相反，在两种处理条件下，OsPT4过表达分别表现出对无机硒积累无影响和下调。这些结果表明OsPT4在运输SeMet的过程中发挥重要作用。

图3 OsPT4对地上部有机硒和无机硒积累及比例的影响

4. OsPT4在调节SeMet前体的合成和代谢方面起着关键作用

为了进一步阐明OsPT4在硒施用条件下调控不同形态硒积累的分子机制，对WT水稻和OsPT4转基因系进行转录组测序，并进行氨基酸浓度检测和qRT-PCR分析。OsPT4突变降低了与蛋氨酸(Met)生物合成和降解相关的基因的表达水平，而过表达则提高了Met生物合成相关基因的表达水平，并降低了Met降解相关基因的表达水平。这表明OsPT4可能通过调节Met的合成和代谢来促进SeMet的合成。

图4 OsPT4转基因株系地上部Cys和Met的代谢途径网络分析

5. OsPT4增加籽粒中SeMet及富含硒的微米级球形颗粒的积累

在水稻生殖生长阶段，测定了WT和OsPT4 转基因系在不同硒处理土壤条件下，不同组织中硒的浓度，并使用 LA-ICP-MS 和 TOF-SIMS 分析了籽粒中硒的分布和微米级球形颗粒的硒富集情况。OsPT4 突变降低了种子中硒的浓度，而过表达则提高了种子中 SeMet 的浓度，并促进了硒富集的微米级球形颗粒的形成。

图5 OsPT4对籽粒内富含硒的微米级颗粒积累的影响

这项研究揭示了OsPT4作为水稻中高亲和力Pi转运蛋白，在介导不同形式硒的运输和积累方面的作用。OsPT4促进SeMet和硒富集的微米级球形颗粒在籽粒中的积累，这些发现为OsPT4介导的SeMet转运和代谢机制提供了新的见解，并为开发具有更高营养和治疗价值的硒强化水稻品种提供了策略。
上海海洋大学联合培养硕士研究生杨阳、上海市农业科学院孙丽娟副研究员，以及吉林省农业科学院魏嘉副研究员为论文共同第一作者，上海市农业科学院薛永研究员与孙雅菲副研究员为该研究工作共同通讯作者。南京农业大学徐国华教授与孙淑斌教授，以及江西农业大学张芳博士参与了本研究指导工作。本研究得到了上海市农业科技创新联合育种攻关项目、上海市青年科技启明星计划、上海市自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70465

References:

Clark, L. C., B. Dalkin, A. Krongrad, et al. 1998. “Decreased Incidence of Prostate Cancer With Selenium Supplementation: Results of a Double-Blind Cancer Prevention Trial.” British Journal of Urology 81, no. 5: 730–734.

Dinh, Q. T., Z. Cui, J. Huang, et al. 2018. “Selenium Distribution in the Chinese Environment and Its Relationship With Human Health: A Review.” Environment International 112: 294–309.

Foresta, C., L. Flohé, A. Garolla, A. Roveri, F. Ursini, and M. Maiorino. 2002. “Male Fertility Is Linked to the Selenoprotein PhospholipidHydroperoxide Glutathione Peroxidase.” Biology of Reproduction 67, no. 3: 967–971.

McKenzie, R. C., T. S. Rafferty, and G. J. Beckett. 1998. “Selenium: An Essential Element for Immune Function.” Immunology Today 19, no. 8: 342–345.

Ryan-Harshman, M., and W. Aldoori. 2005. “The Relevance of Selenium to Immunity, Cancer, and Infectious/Inflammatory Diseases.” Canadian Journal of Dietetic Practice and Research 66, no. 2: 98–102.

Shin, S. H., M. J. Yoon, M. Kim, et al. 2007. “Enhanced Lung Cancer Cell Killing by the Combination of Selenium and Ionizing Radiation.” Oncology Reports 17, no. 1: 209–216.

Song, Z., H. Shao, H. Huang, et  al. 2017. “Overexpression of the Phosphate Transporter Gene OsPT8 Improves the Pi and Selenium Contents in Nicotiana Tabacum.” Environmental and Experimental Botany 137: 158–165.

Sun, Y., F. Zhang, J. Wei, et al. 2023. “Phosphate Transporter OsPT4, Ubiquitinated by E3 Ligase OsAIRP2, Plays a Crucial Role in Phosphorus and Nitrogen Translocation and Consumption in Germinating Seed.” Rice 16: 54.

Zhang, F., Y. Sun, W. Pei, et  al. 2015. “Involvement of OsPht1;4 in Phosphate Acquisition and Mobilization Facilitates Embryo Development in Rice.” Plant Journal 82, no. 4: 556–569.

Zhang, L., B. Hu, W. Li, et al. 2014. “OsPT2, a Phosphate Transporter, Is Involved in the Active Uptake of Selenite in Rice.” New Phytologist 201: 1183–1191.

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