2023年10月26日，《自然植物》（Nature Plants）在线发表了杨光辉和郭岩课题组合作研究论文《拟南芥钾盐超敏1（SOS1）Na⁺/H⁺反转运蛋白活性调节的结构基础》（Structural basis for the activity regulation of Salt Overly Sensitive 1 in Arabidopsis salt tolerance）。该文章解析了拟南芥SOS1的原子分辨率结构，并对SOS1的胞内区功能和活性调节方式进行探究。

土地盐碱化在世界范围内影响着植物的生长和作物的生产，土壤的盐碱化使植物遭受盐胁迫。盐胁迫是植物面临的一种主要非生物胁迫。植物在适应盐胁迫的过程中进化出了一系列抗盐信号通路，其中以SOS信号通路为代表。SOS信号通路由核心组分钠/氢反转运蛋白SOS1，丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶SOS2和钙离子结合蛋白SOS3/SCABP8组成。植物受到盐胁迫时，由SOS3和SOS2激活位于质膜上的SOS1，SOS1发挥转运活性，将胞质内多余的钠离子直接排出细胞外，发挥抗盐功能。SOS1在多种植物中高度保守，与其他来自植物，动物或微生物的钠/氢反转运蛋白相比，SOS1有着独特的胞内结构域。在长期研究过程中人们发现胞内结构域对于SOS1的活性起着重要的作用，但具体的调节机制尚不清楚。

图1. sos1突变体的盐敏感表型分析

课题组首先对之前鉴定到的几种sos1突变体进行了表型分析，这些突变分布在SOS1的跨膜区和胞内区。sos1突变体具有明显的盐敏感表型，将生长在1/2 MS培养基上6天的sos1突变体转移至含有50 mM NaCl的1/2 MS培养基上处理6天，各sos1突变体主根长度和鲜重均显著低于野生型，并且通过NMT发现，在盐胁迫下各sos1突变体的钠离子净流速均显著低于野生型。

课题组随后对拟南芥SOS1的结构进行了解析，在结构解析过程中获得了两种不同构象的SOS1。构象1 (Class1) 的SOS1胞内结构域处于稳定的状态，分辨率为2.9Å。构象2 (Class2) 的胞内结构域处于不稳定状态，分辨率为3.7 Å。SOS1通过形成同源二聚体发挥功能。文章通过钠离子转运缺陷型酵母AXT3K的钠离子耐受实验，结合之前研究的定义，从结构上将SOS1划分为负责Na⁺转运的跨膜结构域 (Transmembrane domain, TMD) 和胞内结构域 (Cytoplasmic domain, CPD)。CPD中包含贴近细胞膜，起到调节转运活性功能的近膜结构域 (Interfacial domain, IFD)，起到激活作用的环核苷酸结合结构域类似区 (cyclic nucleotide-binding domain-like domain, CNBD-like domain)，以及起到抑制作用的自抑制结构域 (Autoinhibition domain, AI domain)。完善了此前Quintero FJ等人研究中提出的模型。

图2. SOS1的三维结构及功能结构域的划分

通过比对两种构象的结构和3D可变性分析 (3D Variability Analysis, 3DVA) 揭示了SOS1的胞内结构域可能的构象变化及其和跨膜区的关联。结合对高活性形式SOS1Δ998的结构研究，研究者提出了SOS1胞内结构域在调节转运活性过程中发挥作用的机制：无盐胁迫时SOS1处于自抑制状态，AI domain通过结合稳定胞内结构域，抑制SOS1的活性；当植物受到盐胁迫时SOS1被激活后，其AI domain被释放，同源二聚体中两个SOS1的胞内结构域相互靠近，并整体向胞质方向移动，拉动着TMD中负责Na⁺转运的核心结构域 (Core domain) 发生构象变化，增强SOS1的转运活性，向外排出Na⁺。

文章借助结构信息推测了几个sos1突变体植株中SOS1功能异常的基础，此外还鉴定到了保守的底物Na⁺结合位点，通过分子动力学模拟揭示了IFD上负电势腔的作用。总之，对拟南芥SOS1结构和功能关系的研究，为解答SOS1在调节转运活性过程中发挥作用的机理，以及调节SOS1转运活性和抗盐植物培育提供了分子基础。

图3. SOS1转运Na⁺的工作模型

生物学院博士生张延明、周佳琦、倪徐平、深势科技的王沁蕊博士为共同第一作者。生物学院博士生贾雨田、徐瑕、付鹏，强基计划（生物科学）本科生吴昊洋做出了重要贡献。生物学院杨光辉教授为通讯作者，该研究受到了郭岩教授的大力支持，深势科技的温翰博士做出了重要贡献。该项目受到国家重点研发计划，国家自然科学基金，中国高校基本科研业务费，中国农业大学分子设计育种前沿科学中心和中国科协青年人才托举工程的资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41477-023-01550-6