植物从根中吸收铁的机制阐明-期待开发改善不良土壤的新一代肥料-理化学研究所(理研)生命功能科学研究中心蛋白质功能结构研究小组高级研究员山形敦史、白水美香子小组组长、公益财团法人三得利生命科学财团生物有机科学研究所综合生物分子功能研究部特聘研究员村田佳子、德岛大学研究生院医齿药学研究部(药学领域)教授难波康祐、 东京大学研究生院农学生命科学研究科应用生命工学专业的寺田透副教授、京都大学研究生院理学研究科化学专业的深井周也教授等共同研究小组根据转运体[2]的立体结构分析，阐明了禾本科植物吸收土壤中的麦根酸铁[1]的机制。 本研究成果有望为改善约占全部陆地三分之一的碱性不良土壤[3]，开发使用麦根酸[1]及其类似物的新一代肥料做出贡献。 植物会从根部吸收生长所需的铁，但在碱性不良土壤中，铁以难溶于水的三价铁[1]的形式存在，会严重阻碍铁的吸收。 另一方面，水稻和大麦从根中分泌出被称为麦根酸的螯合剂[4]，它吸收与三价铁结合成为水溶性的麦根酸铁。 麦根酸铁的吸收由根细胞膜上的被称为Yellow stripe1(YS1 ) [5]的转运蛋白负责，但运送麦根酸铁的结构至今尚不清楚。
此次，联合研究小组利用低温电子显微镜[6]，对YS1和麦根酸铁的复合体、YS1和麦根酸类似物铁离子的复合体的立体结构进行了分析。 并且，通过分子动力学模拟[7]，明确了YS1识别麦根酸铁并结合，向根内侧输送的部分机制。
本研究刊登在网络科学杂志《Nature communications》( 11月23日)上。  麦根酸获铁策略与运输麦根酸铁的转运蛋白YS1的结构 背景 目前，全球约三分之一的陆地是不适合植物生长的碱性不良土壤。 在碱性不良土壤中，铁以极其难溶于水的三价铁的形式存在，因此会明显阻碍植物根部对铁的吸收。 铁是所有生物都必须的，碱性不良土壤中铁的吸收阻碍被认为是植物生长阻碍的主要原因之一。
麦子、水稻、玉米等禾本科作物，其根会分泌一种叫做麦根酸的螯合剂。 麦根酸是日本研究人员从麦根中分离出来的，英语中也标记为mugineic acid。 麦根酸与三价铁结合成为麦根酸铁，将三价铁溶出到水中。 通过从根部吸收溶出的麦根酸铁，植物可以高效地吸收铁(图1左)。 也证明了通过喷洒麦根酸可以显著恢复水稻在碱性不良土壤中的生长(图1右)，麦根酸作为新一代肥料的实用化备受期待。麦根酸结合的三价铁的吸收由根的细胞膜蛋白质——被称为Yellow stripe1(YS1 )的转运蛋白负责(图1左)。 但是到目前为止，还不知道YS1是如何识别和搬运麦根酸铁的。 
图1麦根酸吸收铁的机制和DMA及PDMA改善水稻生长 联合研究小组首先利用低温电子显微镜确定了大麦来源的YS1的立体结构。 结果表明，YS1形成了两个YS1分子在作为脂质的胆固醇类似物质的中介下结合的二聚体(图2A )。
接着，着手分析YS1和麦根酸铁复合体的结构。 虽然很难从天然中得到足够质量和数量的麦根酸进行结构分析，但是成功地高效化学合成了麦根酸之一的2'-脱氧麦根酸( DMA )，解决了这个问题。 通过得到的YS1和2'-脱氧麦根酸铁( Fe(III )-DMA )的复合体的立体结构，明确了YS1特异性识别与铁结合的麦根酸的部位(图2B上)。
要将麦根酸作为肥料喷洒，课题是高合成成本和麦根酸在土壤中不稳定。 联合研究小组的难波康祐教授等人开发出了更廉价且稳定的麦根酸类似物，并于2021年发表了脯氨酸脱氧麦根酸( PDMA ) (注)。 PDMA在土壤中具有适度的生物降解性和比DMA更好的生长促进效果，在实际的碱性不良土壤中，通过施用PDMA也能收获大米，因此作为新一代肥料备受期待。
此次，与铁结合的PDMA(Fe(III )-PDMA )和YS1复合体的结构分析也取得了成功，明确了Fe(III )-PDMA与Fe(III )-DMA结合在完全相同的地方(图2B下)。 这表明PDMA在与DMA相同的机构中起作用。
并且，利用分子动力学模拟分析了YS1作为转运体的作用机制。 结果显示，YS1与氢离子结合引起的YS1的结构变化，是麦根酸铁从细胞的外向内运送机制的一部分(图2C )。  图2 YS1转运蛋白的结构和转运机制 用带状模型表示了低温电子显微镜捕捉到的YS1转运体的结构。 胆固醇半琥珀酸(胆固醇的类似物质)介导两个YS1分子形成二聚体。
b ) YS1转运体中的麦根酸铁( Fe(III )-DMA )结合部位的结构和合成的麦根酸类似物与铁的复合体( Fe(III )-PDMA )结合部位的结构。
C )分子动力学模拟揭示了YS1的转运机制。 认为YS1二聚体以二聚体形成域(深绿色)为立足点，麦根酸铁结合域(浅绿色)起作用(上)。 分子动力学计算表明，当氢离子( H+ )与三个天冬氨酸( D446、D490、D494 )结合时，会发生输运结构变化(下)
注) Suzuki，m.et al.development of a mugineic acid family phytosiderophore analog as an iron fertilizer.NAT commun 12，1558 ( 2021 ) 今後の期待2022年11月15日，世界总人口突破80亿，预计今后12年将增加10亿人口。 不久的将来，担心会出现严重的粮食困难，稳定的粮食供应是紧急的课题。 全世界约30%是不适合耕作的碱性不良土壤，如果能将其转换为耕地，粮食问题的解决将会取得很大的进步。 麦根酸及其类似物作为能够改善碱性不良土壤的划时代的新一代肥料备受瞩目。
本研究是山形敦史上级研究员和村田佳子特任研究员长达11年的共同研究成果，不仅详细阐明了麦根酸铁是如何被植物的根吸收的，还证明了合成麦根酸类似物PDMA与麦根酸具有同样的机制作用，推动了PDMA今后的实际应用。并且，本研究中明确的YS1立体结构信息，为设计新的麦根酸类似物奠定了基础，可以期待新一代肥料的开发取得飞跃性进展。 補足説明1.1.
1.麦根酸铁、麦根酸、三价铁麦根酸是名字由来为“麦根分泌的酸”的氨基酸的一种。 禾本科植物根中分泌的天然螯合剂，与难溶性三价铁(氧化值为+3的铁)结合，称为麦根酸铁，易溶于水。 另外，已知其与二价铁、钴、铜也结合，容易溶解于水。 作为以改善碱性不良土壤为目标的新一代肥料备受关注。 
麦根酸的化学结构式
2 .转运蛋白
存在于生物膜上的膜蛋白，通过生物膜进行物质的运输。 是维持生命功能所必须的重要蛋白质。
3 .碱性不良土壤
是pH值在7以上的碱性土壤的总称，相当于石灰质土壤和盐类集聚土壤等。 与铁成分容易溶解的酸性土壤不同，在碱性土壤中铁成分不溶解，因此植物无法吸收，导致缺铁。
4 .螯合剂
以将特定的金属离子夹入立体结构中的方式结合的物质，金属与螯合剂结合而成的化合物称为络合物。 成为络合物的金属即使在水溶液中也不会沉淀而维持可溶化状态。 柠檬中含有的柠檬酸也作为螯合剂的一种而广为人知。
5.Yellow stripe 1 (YS1 )
特异性地输送与特定金属离子结合的麦根酸及其类似物(脱氧麦根酸等)的转运体。 2001年从玉米根中被鉴定出来。 缺失该蛋白质会阻碍铁的吸收，导致叶绿体的形成不全。 结果显示，叶子和茎呈黄色条状变色的Yellow stripe表现型。
6 .低温电镜
在液氮温度(-196℃)下观察急速冻结的试样的电子显微镜。 通过在低温下进行观察，不仅可以防止电子束对试样的损伤，还可以在含有本来发挥作用的水和水溶性分子的状态下观察生物分子。 近年来，由于直接电子检测器的利用和图像分析技术的提高，特别是生物分子的高分辨率结构分析成为可能，2017年成为诺贝尔化学奖的对象。
7 .分子动力学模拟
使用计算机的分子模拟法之一。 使用根据经验确定的势能函数计算构成分子的各原子之间的作用力，基于牛顿方程式F = ma数值求解其运动，从而预测和分析分子运动的方法。联合研究组理化研究所生命功能科学研究中心蛋白质功能结构研究小组
高级研究员山形敦史
领队白水美香子
公益财团法人三得利生命科学财团生物有机科学研究所
综合生物分子功能研究部
特任研究员村田佳子
德岛大学研究生院医药学研究部(药学领域)
教授难波康祐
东京大学研究生院农学生命科学研究科应用生命工程专业
副教授寺田透
京都大学研究生院理学研究科化学专业
教授深井周也 研究支援本研究由理化学研究所运营补助金(生命功能科学研究)实施，日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( b )“利用低温电显微镜的铁络合物运输体的基质识别和运输机制的阐明(研究代表者:山形敦史)”、 同基础研究( c )“输送麦根酸类铁络合物的氨基酸转运体及其在哺乳动物中的作用(研究代表者:村田佳子)”、 同基础研究( a )“荒漠绿化剂麦根酸类的新一代研究:其他物种生物利用麦根酸的分子机制阐明与应用(研究代表人:难波康祐)”“癫痫相关复合体LGI1-ADAM22-PSD-95及其调控因子的结构分析(研究代表人:深井周也)”、 日本医疗研究开发机构( AMED )生命科学创药研究支援基础事业创药等尖端技术支援基础平台( BINDS )“面向综合结构分析的高难度复合体的生产支援和高度化(代表者:白水美香子)”“通过分子模拟对生物高分子功能的预测和解析(代表者:寺田透)”、 由国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST )研究成果最佳开展支援计划( A-STEP )“高活性生物降解性螯合铁肥料的实用化研究(研究负责人:难波康祐)”资助进行。 原论文信息
Atsushi Yamagata、Yoshiko Murata、Kosuke Namba、Tohru Terada、Shuya Fukai、Mikako Shirouzu、 " uptake mechanism of iron-phytosiderophore from the soil based on the structure of yellow stripe transporter "，Nature communications，110 "発表者 理化研究所
生命功能科学研究中心蛋白质功能结构研究小组
高级研究员山形敦史
领队白水美香子
公益财团法人三得利生命科学财团生物有机科学研究所
综合生物分子功能研究部
特任研究员村田佳子
德岛大学研究生院医药学研究部(药学领域)
教授难波康祐
东京大学研究生院农学生命科学研究科应用生命工程专业
副教授寺田透
京都大学研究生院理学研究科化学专业教授深井周也 理化研究所
生命功能科学研究中心蛋白质功能结构研究小组
高级研究员山形敦史
领队白水美香子
公益财团法人三得利生命科学财团生物有机科学研究所
综合生物分子功能研究部
特任研究员村田佳子
德岛大学研究生院医药学研究部(药学领域)
教授难波康祐
东京大学研究生院农学生命科学研究科应用生命工程专业
副教授寺田透
京都大学研究生院理学研究科化学专业
教授深井周也  山形 敦史
報道担当理化研究所宣传室新闻发言人 公益财团法人三得利生命科学财团生物有机科学研究所
综合生物分子功能研究部村田佳子
Email: murata [at] sunbor.or.jp
德岛大学总务部未来创造课宣传系
email:kohokakari [ at ] toku shima-u.AC.jp
东京大学农学部农学生命科学研究科事务部总务科总务组总务宣传信息
email:koho.a [ at ] GS.mail.u-Tokyo.AC.jp
京都大学总务部宣传科国际宣传室
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