氮和碳是植物中最重要的两种元素，需要保持平衡才能使植物维持最佳生长。植物中RuBisCO酶催化CO2与3C化合物的结合，从而将碳固定，然而由于RuBisCO对O2的亲和力，也会形成2C化合物2-磷酸乙醇酸酯。为了从RuBisCO氧合中回收碳，启动光呼吸途径将2C化合物转化成3C化合物。这一过程需要中间体在细胞器(质体、线粒体和过氧化物体)之间穿梭，但是迄今为止很少发现转运体。植物从土壤中吸收大量的氮，主要以硝酸盐和铵的形式摄入。然而，由于土壤中的氮含量并不稳定，植物在自然环境中经常缺氮，从而限制了它们的生长。并且植物需要碳骨架来将硝酸盐和铵转化为有机氮氨基酸，这是生物量积累的基石。了解植物如何平衡碳和氮的含量，以及植物如何应对氮的缺乏，是植物生物学领域的重要问题，对提高作物产量具有重要意义。
2023年4月13号，国际期刊NaturePlants在线发表了台湾中央研究院分子生物学研究所Yi-Fang Tsay题为 “Study of vacuole glycerate transporter NPF8.4 reveals a new role of photorespiration in C/N balance” 的最新研究。该研究表明，NPF8.4是一种甘油酸转运蛋白，可在氮耗尽时将光呼吸碳中间产物甘油酸隔离到液泡中，从而阐明了光呼吸参与氮流过程的新功能。
首先为了确定哪种NPF转运蛋白参与了氮耗竭，通过RNA测序分析发现，拟南芥NPF8.4/PTR4响应2天的N耗竭处理。已发表的NPF8.4三个转录版本NPF8.4a/NPF8.4b/NPF8.4c均检测到读数，其中NPF8.4b占60%。进一步通过RT-qPCR验证，在N限制条件下，NPF8.4a/b/c的表达均受到N耗竭的诱导。由于转录剪切差异，NPF8.4a编码557个氨基酸和12个跨膜结构域的蛋白质，而NPF8.4b和NPF8.4c在转录物的中间具有终止密码子，因此分别编码302和311个氨基酸的蛋白质，每个仅具有6个跨膜结构域。
进一步利用pNPF8.4: GFP-NPF 8.4转基因植物原生质体，表明NPF 8.4定位于液泡膜，与已报道的NPF8.4a定位一样（图1）。通过蛋白western blot检测蛋白该荧光信号主要代表NPF8.4b。并且NPF8.4b主要在叶片中脉附近的叶肉细胞中表达（图2）。
图1.NPF8.4主要转录本编码的NPF8.4b定位于液泡膜
图2. NPF8.4b在叶片中脉附近的叶肉细胞中表达
进一步鉴定获得3个NPF8.4的突变体株系，其中npf8.4-1和npf8.4-2由于同时缺陷NPF8.4a/b/c转录本导致缺N条件下植株生长迟缓和植物早衰表型。而npf8.4-3由于仍保留NPF8.4b的转录本因而并未表现出N耗竭的缺陷表型，因此NPF8.4b对于植物在氮耗尽条件下维持旺盛生长具有重要作用（图3）。
图3.在缺氮条件下npf8.4-1和npf8.4-2突变体表现出生长迟缓和早衰的表型，而npf8.4-3则没有
进一步代谢组学分析发现，与野生型相比，npf8.4-1在N耗尽2天后原生质体中的甘油酸含量显著增加，而野生型液泡中的甘油酸含量显著增加，但npf8.4-1突变体的甘油酸含量保持不变，表明NPF8.4负责响应于N消耗时液泡中甘油酸增（图4）。进一步通过非洲爪蟾卵母细胞中检测到的甘油酸流出活性表明，当定位于液泡膜时，NPF8.4a和NPF8.4b可以将甘油酸运输到液泡中（图5）。
图4.NPF8.4负责在液泡中储存甘油酸以响应N耗竭
图5.NPF8.4a和NPF8.4b表现出甘油酸转运活性
为了进一步了解N缺乏条件下光呼吸途径的作用，作者进行了时间进程分析，实验结果表明，光呼吸速率和大多数光呼吸相关基因的表达，如HPR 1和SHMT 1，响应氮耗竭而上调，然后下降。作者假设N耗竭引起的增强的光呼吸活性释放的NH4+作为N源以朝向更高的C/N比重塑氨基酸的组成。因此，在短期缺氮条件下触发光呼吸途径可能提供临时氮源，以帮助植物维持其代谢和生长。同时也发现缺N条件下npf8.4生长迟缓的表型可以通过提高CO2浓度阻遏光呼吸水平而得以挽救。表明NPF8.4的生理功能之一与光呼吸有关，并且NPF8.4对于植物缓解增强光呼吸对N缺乏的影响是重要的。
图6.光呼吸途径响应2天的氮耗竭而被刺激
图7.当响应短期N耗竭而刺激光呼吸途径时，NPF8.4将光呼吸碳中间体甘油酸隔离到液泡中的模式图
综上所述，该研究发现NPF8.4作为甘油酸转运蛋白，定位于液泡膜，将光呼吸碳中间体甘油酸内流转运至液泡中。NPF8.4和大多数光呼吸相关基因的表达，以及光呼吸速率的上调响应短期N耗竭。而npf8.4突变体的生长迟缓和早衰表型，表明NPF8.4介导的在液泡中隔离光呼吸碳中间体甘油酸的调节途径对于减轻氮缺乏时C/N比增加的影响是重要的。因此，该文章对NPF8.4的研究揭示了光呼吸在氮流中的新作用，以应对短期的氮耗竭。
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