磷酸盐转运蛋白介导单硫代砷酸盐吸收的机制及其植物毒性研究

《Plant, Cell & Environment》：Phosphate Transporters Mediate the Uptake of Monothioarsenate

本研究发现磷酸盐转运蛋白（PHT）是单硫代砷酸盐（MTA）进入细胞的关键通道。通过酵母和拟南芥模型证实PHO84/Pht1;1对MTA的转运功能，突变体表现出更高的MTA耐受性和更低的砷积累。MTA在植物体内高效转化为亚砷酸盐（AsIII）并激活植物螯合素（PC）通路，但其吸收速率远低于砷酸盐（AsV）。该研究揭示了硫代砷酸盐的环境归趋新机制，为降低农作物砷污染提供了靶点。

　　

引言

砷（As）作为环境中毒性最强的元素之一，主要通过饮水和食物链威胁人类健康。在淹水土壤环境中，硫代砷酸盐已成为新型砷污染物，其中单硫代砷酸盐（MTA）因在稻田孔隙水中广泛存在且能被作物吸收并转运至籽粒而备受关注。然而，其跨膜转运机制始终未知。本研究通过多模型验证了"磷酸盐转运蛋白介导MTA吸收"的假说，为理解硫代砷酸盐的环境行为开辟新视角。

材料与方法

采用化学合成法获得纯度97.3%的MTA。以酿酒酵母BY4742野生型（WT）和_pho84突变体为模型，进行50μM砷酸盐（As^V）、亚砷酸盐（As^III）和MTA的短期吸收实验。植物实验选用拟南芥哥伦比亚生态型（Col-0）及其突变体_pht1;1（缺失主要磷酸盐转运蛋白）和_phr1phl1（磷酸盐饥饿响应缺陷）。通过水培、平板和液体培养体系，分析植株生长、色素含量、砷积累与形态转化，以及硫醇代谢物谱。

结果

1. 1.
   酵母模型验证转运机制：WT对As^V的吸收速率是MTA的20倍，而_pho84突变体的MTA吸收降低75%（图1）。4℃对照实验证实转运为蛋白质依赖性。
2. 2.
   拟南芥突变体耐受性增强：在低磷条件下，_pht1;1和_phr1phl1对50μM MTA和12.5μM As^V的耐受性显著高于WT，表现为根长增加、生物量升高、叶绿素含量提升以及花青素积累减少（图2）。高磷条件可逆转该差异。
3. 3.
   砷积累与形态转化：10μM处理24小时后，WT根部对As^{V的吸收量是MTA的150倍。两种突变体在MTA处理下根部和地上部砷积累均显著降低（图3）。形态分析显示MTA在植物体内高效转化为AsIII，转化率超80%（图4）。}
4. 4.
   解毒通路激活：As^V和MTA处理均能诱导植物螯合素（PC2、PC3、PC4）合成，且根部积累量远高于地上部（图5），证实As^III是主要毒性形态。

讨论

本研究首次揭示磷酸盐转运蛋白（PHO84/Pht1;1）对MTA的转运功能，其吸收效率远低于As^V可能与空间构象差异有关。突变体耐受性增强与砷积累减少的耦合现象，说明调控磷酸盐转运通路可成为降低作物砷污染的新策略。MTA在体内高效转化为As^III并激活PC通路，但残留的MTA可能通过硫释放或直接毒性作用导致特异毒效应。未来需通过细胞级分辨技术探究MTA转化动力学，为农产品安全提供理论支撑。

结论

磷酸盐转运蛋白是MTA进入植物的主要通道，其低吸收率与高毒性之间的矛盾暗示MTA可能存在独特毒理机制。该研究为硫代砷酸盐的环境风险评估和农作物砷污染防控提供了关键靶点。