2021年11月19日，浙江大學郭江濤、楊巍和鄭紹建三個實驗室組成的合作團隊在Cell Research上線上發表了題為Structural Basis of ALMT1-Mediated Aluminum Resistance in Arabidopsis的研究論文（連結），解析了擬南芥ALMT1通道蛋白（AtALMT1）多種狀態下的三維結構，結合電生理實驗、分子動力學類比和擬南芥體內實驗，闡明了AtALMT1介導的鋁啟動蘋果酸轉運的分子機理。
全世界約有30-40%的可耕地和50%的潜在可耕地屬於酸性土壤，鋁離子毒害是該類土壤中限制作物生產的主要因素。在長期適應過程中，植物進化出了多種耐鋁機制。其中，植物通過根尖細胞向胞外分泌蘋果酸等有機酸螯合根際土壤溶液中的鋁離子，從而消除其毒性，是植物抵禦鋁毒的主要途徑。早在2004年研究者已發現植物根細胞鋁啟動的蘋果酸分泌是由蘋果酸轉運蛋白（Aluminum-activated Malate Transporter，ALMT1）介導的。之後，研究者證實了在小麥、擬南芥、油菜、大豆、黑麥等多種植物中該機制具有保守性，但對於鋁如何啟動ALMT1轉運蘋果酸仍不得而知。
該研究表明，AtALMT1結構是一個新型的陰離子通道結構。AtALMT1以二聚體形式組裝成一個陰離子通道，每個亞基包含6個跨膜螺旋（TM1-6）和6個胞質側的螺旋（H1-H6）。來自兩個亞基的十二個跨膜螺旋組裝成離子通透孔道（圖1）。
圖1 AtALMT1的結構。A，AtALMT1的冷凍電鏡三維重構（左）和卡通模型（右）的側視圖（上）和俯視圖（下）。B，AtALMT1單個亞基的側視圖。C，AtALMT1的拓撲結構。
在蘋果酸結合的AtALMT1結構中，研究人員觀察到蘋果酸位於AtALMT1的離子通透孔道中間，與兩對精氨酸殘基（Arg80和Arg165）相互作用（圖2A，2B）。研究人員通過分子動力學類比和電生理實驗驗證了這一蘋果酸結合位點。在電生理實驗中，這兩個關鍵精氨酸的突變都能顯著影響AtALMT1對蘋果酸的通透，其中Arg165突變使AtALMT1完全喪失蘋果酸傳導的功能（圖2C）。
在鋁離子結合的AtALMT1結構當中，研究人員發現鋁離子主要結合在AtALMT1的細胞外側，由TM1-2 loop和TM6上的三個帶負電的胺基酸殘基配比特（Asp40、Glu156和Asp160）（圖2D，2E）。電生理實驗表明，這三個位點胺基酸的突變會顯著降低AtALMT1介導的鋁啟動的蘋果酸的通透（圖2F）。
圖2 AtALMT1中蘋果酸和細胞外側鋁離子的結合位點。A，離子通透孔道中的一對保守的精氨酸Arg80和Arg165。B，蘋果酸與兩對精氨酸相互作用。C，精氨酸Arg80和Arg165突變顯著降低AtALMT1對蘋果酸的通透。D，AtALMT1中細胞外側鋁離子的結合位點。E，鋁離子與周圍的酸性胺基酸Asp40、Glu156和Asp160相互作用。F，Asp40、Glu156和Asp160突變顯著降低AtALMT1介導的鋁啟動的蘋果酸的通透。
為驗證AtALMT1中蘋果酸和鋁離子結合位點的胺基酸的作用，研究人員培育了這些胺基酸突變的擬南芥轉基因株系。發現在沒有鋁離子的情况下，突變系表現出與野生型相似的根生長和蘋果酸分泌；在鋁離子處理後，突變系表現出顯著降低的根生長和蘋果酸分泌，表現出與功能缺失突變體almt1相似的錶型（圖3）。囙此，這些體內實驗進一步確認了蘋果酸和鋁離子結合位點的胺基酸在鋁啟動蘋果酸轉運中的重要作用。
圖3擬南芥體內驗證AtALMT1中蘋果酸和鋁離子結合位點的胺基酸的作用。A-B，野生型、AtALMT1缺失突變株almt1、蘋果酸結合位點精氨酸突變株R80A和R165A的根系生長（A）和蘋果酸分泌（B）。C-D，野生型、AtALMT1缺失突變株almt1、鋁離子結合位點突變株E165A和D160A的根系生長（C）和蘋果酸分泌（D）。
未結合鋁離子的AtALMT1處於關閉狀態，結合鋁離子的AtALMT1通道處於開放狀態。通過比較關閉狀態和開放狀態的AtALMT1的結構，研究人員提出了鋁離子啟動AtALMT1的分子機制。在酸性條件下，鋁離子結合在AtALMT1的胞外側TM1-2 loop和TM6之間，與三個酸性殘基（Asp40、Glu156和Asp160）配比特，引起TM1-2 loop和TM5-6 loop構象變化，從而導致Ile53殘基向外運動，引起孔道開放（圖4）。
圖4細胞外側鋁離子啟動AtALMT1。A，未結合鋁離子（藍色）和結合鋁離子（綠色）的AtALMT1的結構比較俯視圖。B，未結合鋁離子的AtALMT1的離子通透路徑。C，結合鋁離子的AtALMT1的離子通透路徑。
上述研究解析了AtALMT1多種狀態下的三維結構，完美詮釋了AtALMT1介導的鋁啟動蘋果酸轉運的分子機理，為基於蛋白結構設計ALMT1功能獲得性突變體以增强作物根系鋁啟動的蘋果酸分泌（圖5），進而培育耐鋁作物提高酸性土壤的生產力提供理論指導
圖5鋁啟動AtALMT1轉運蘋果酸的分子機理。
郭江濤實驗室博士生王江勤、楊巍實驗室餘夏飛博士、鄭紹建實驗室丁忠傑研究員和中科院深圳先進科技研究員的張小康研究員為論文的共同第一作者。鄭紹建實驗室的博士生袁甜參與了該工作。郭江濤、楊巍和鄭紹建為共同通訊作者。本研究還得到了中國海洋大學徐錫明副研究員的支持。本研究受科技部重點研發計畫、國家自然科學基金委、浙江省傑青等項目的資助。
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https://www.nature.com/articles/s41422-021-00587-6