植物葉綠體發(fā)育及調(diào)控研究進(jìn)展

1、植物學(xué)報(bào) Chinese Bulletin of Botany 2014, 49 (3): 337345, HYPERLINK / doi: 10.3724/SP.J.1259.2014.00337專題論壇植物葉綠體發(fā)育及調(diào)控研究進(jìn)展李保珠*, 趙孝亮, 彭雷棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南省植物逆境生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 開封 475004摘要 植物的光合作用幾乎是所有生物生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的重要細(xì)胞器。盡管葉綠 體發(fā)育及調(diào)控一直受到人們的關(guān)注, 但其裝備及調(diào)控的分子機(jī)制尚不完全清楚。該文對葉綠體裝備過程、葉綠體發(fā)育調(diào)控 及質(zhì)體-細(xì)胞核反向信號

2、的研究進(jìn)展進(jìn)行概述, 以使人們從整體上認(rèn)識葉綠體發(fā)育及調(diào)控機(jī)制。關(guān)鍵詞 葉綠體, 發(fā)育調(diào)節(jié), 質(zhì)體-細(xì)胞核反向信號李保珠, 趙孝亮, 彭雷 (2014). 植物葉綠體發(fā)育及調(diào)控研究進(jìn)展. 植物學(xué)報(bào) 49, 337345.葉綠體是普遍存在于陸地植物、藻類和部分原生 生物中執(zhí)行光合作用的半自主性細(xì)胞器。葉綠體的 形狀和大小因植物種類不同而具有較大差異, 并 受到光 照等 環(huán)境條 件的 影響從 而產(chǎn) 生適應(yīng) 性變 化。葉綠體的發(fā)育受到核基因編碼蛋白因子的調(diào)控, 同時(shí)細(xì)胞核接受傳遞葉綠體發(fā)育狀況及功能狀態(tài)的 質(zhì)體反向信號(plastid retrograde signaling), 它們相 互協(xié)調(diào),

3、共同促成質(zhì)體的最佳發(fā)育及功能的充分發(fā) 揮。本文基于前人的研究工作, 對葉綠體發(fā)育過程及 其調(diào)控機(jī)制進(jìn)行綜述。1 高等植物葉綠體發(fā)育的基本途徑葉綠體的發(fā)育在某種程度上代表著進(jìn)化史上的一個(gè) 奇跡。種子植物的葉綠體是從一個(gè)無光合能力的前驅(qū) 結(jié)構(gòu)前質(zhì)體/原質(zhì)體發(fā)育而來(Waters and Lang- dale, 2009)。前質(zhì)體在隨后的發(fā)育過程中根據(jù)所處 的位置以及接受光的程度, 分化成為葉綠體、白 色體、淀粉質(zhì)體和有色體等功能各異的質(zhì)體。光是葉綠體發(fā)育的必要條件, 可被一系列能夠感 受特定波長的蛋白所感知, 蛋白通過構(gòu)象變化與下游 信號分子相互作用。感受紅光和遠(yuǎn)紅光的光敏色素 (phytochr

4、ome A/B, phyA/B)及感受藍(lán)光和紫外光的 隱花色素(cryptochrome, cry)是負(fù)責(zé)調(diào)控光形態(tài)建成的兩類光受體(Jiao et al., 2007)。光敏色素相互作用 因子(phytochrome-interacting factors, PIFs)是一類 能夠與光敏色素相互作用的螺旋-環(huán)-螺旋(helix-loop- helix)家族轉(zhuǎn)錄因子, 在光下phyB轉(zhuǎn)移至核內(nèi)并結(jié)合 PIF3, 啟動自身磷酸化, 進(jìn)而調(diào)節(jié)光形態(tài)建成相關(guān)基 因的轉(zhuǎn)錄(Huq et al., 2004; Bauer et al., 2004)。研究 表明 , PIF3 負(fù)調(diào)節(jié) 編碼 葉綠素 合成

5、調(diào)節(jié)酶 基因 HEMA1、GUN5以及光合系統(tǒng)PSI中LHCA1、PsaE1 基因的表達(dá) (Goslings et al., 2004; Shin et al., 2009) 。 PIF1 則能夠 與原 葉綠素 酸酯 氧化還 原 酶 PORC的啟動子相互作用, 部分控制葉綠素的合成 (Moon et al., 2008)。也就是說, PIFs家族基因強(qiáng)烈抑 制光形態(tài)建成, 特別是葉綠體的發(fā)育。幼苗一旦能夠光合自養(yǎng), 其光形態(tài)建成的下一階 段將是活化頂端分生組織, 進(jìn)而形成子葉和葉綠體, 實(shí)現(xiàn)原質(zhì)體向葉綠體的轉(zhuǎn)變。在葉出現(xiàn)之前, 暴露于 光下的頂端分生組織(shoot apical merist

6、em, SAM) 的轉(zhuǎn)錄組分析表明, 細(xì)胞分裂素(cytokinin, CTK)和 赤霉素(gibberellin, GA)正調(diào)控相關(guān)基因、核糖體相關(guān) 基因等的表達(dá), 使蛋白翻譯及細(xì)胞增殖加速。隨后這 些受誘導(dǎo)表達(dá)的蛋白參與葉綠體裝備相關(guān)基因的表 達(dá)(Lpez-Juez et al., 2008)。光敏色素和隱花色素在 葉原基內(nèi)帶動葉綠體裝備過程, 包括核編碼蛋白的輸 入、 葉綠素水平 上升、類囊 體中光合電 子傳遞 收稿日期: 2013-03-29; 接受日期: 2013-06-25基金項(xiàng)目: 河南省科技廳基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃(No.132300413211)、河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目

7、(No.14A180032)和河南大學(xué)科 研基金(No.2012YBZR027)* 通訊作者。E-mail: HYPERLINK mailto:lbzto1 lbzto1338 植物學(xué)報(bào) 49(3) 2014(photosynthetic electron transport, PET)復(fù)合物的形 成等一系列平行事件的進(jìn)行。葉綠體的裝備需要從細(xì)胞質(zhì)中輸入大量核基因 編碼的蛋白。大多數(shù)核編碼的葉綠體蛋白能夠被質(zhì)體 膜識別并通 過 Toc/Tic 復(fù) 合物進(jìn)行轉(zhuǎn) 運(yùn) (Soll and Schleiff, 2004)。Toc/Tic復(fù)合體的主要組分受到光的 正調(diào)節(jié)而且對底物具有特異性。AtTOC3

8、3在幼苗中強(qiáng) 烈表達(dá), 其突變可造成光合蛋白的輸入及積累上的缺 陷(Kubis et al., 2003)。AtToc159的亞基由AtTOC- 159、AtTOC132、AtTOC120及AtTOC90編碼, 其對底物運(yùn)輸?shù)鞍滓脖憩F(xiàn)出強(qiáng)烈的選擇性(Bauer et al., 2000)。Toc/Tic的差異表達(dá)可能提供一種葉綠體早期 發(fā)育階段光合蛋白輸入的有效策略(Jarvis and Soll, 2001; Agne and Kessler, 2009)。除了Toc/Tic復(fù)合物 參與葉綠體蛋白輸入外, 核編碼葉綠體蛋白的輸入還 可通過其它方式實(shí)現(xiàn)。一些類囊體功能蛋白, 如形成 葉綠素復(fù)合

9、體的蛋白(light-harvesting chlorophyll, Lhc)被基質(zhì)葉綠體信號識別顆粒(cpSRP43/54)所識 別, 進(jìn)而調(diào)節(jié)蛋白插入內(nèi)膜。研究表明, Lhc的完全插 入 需要 膜定位 蛋白 ALB3 的協(xié) 助 (Bellafiore et al., 2002)。類囊體裝備是葉綠體組裝的重要環(huán)節(jié)。前質(zhì)體內(nèi) 膜經(jīng)過折疊形成囊泡, 囊泡經(jīng)過聚集、增殖發(fā)育成基 粒片層或間質(zhì)片層。在此過程中, 核編碼催化類胡蘿 卜素和葉綠素合成后期階段的相關(guān)酶也出現(xiàn)在質(zhì)體 膜上。同時(shí), 葉綠素與葉綠素結(jié)合蛋白形成復(fù)合體并 插入內(nèi)膜, 作為蛋白輸入過程的持續(xù)(Hoober et al., 2007)

10、。許多研究表明, 囊泡似乎更適合攜帶1個(gè)單位 的葉綠素、酶和光合蛋白穿越基質(zhì)融合到發(fā)育中的類 囊體上(Austin and Staehelin, 2011)。內(nèi)膜相關(guān)蛋白 VIPP1 等因子驅(qū)動囊泡折疊形成類囊體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu), GTPases(如擬南芥FZL等)可能在類囊體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裝 備過程中發(fā)揮作用。VIPP1突變使植物不能形成正常 的類囊體及囊泡(Kroll et al., 2001; Aseeva et al., 2007; Zhang et al., 2012)。THF1(thylakoid formation 1)是位于類囊體和基質(zhì)中的葉綠素代謝相關(guān)蛋白。在 thf1突變體的葉綠體中出現(xiàn)

11、了許多缺少類囊體膜的囊 泡(Wang et al., 2004; Wu et al., 2011)。葉綠體被膜 的半乳糖酯在類囊體形成過程中也扮演著重要角色 (Kelly and Dormann, 2004; Kobayashi et al., 2007)。 成熟葉綠體內(nèi)膜與類囊體膜之間存在直接的連接點(diǎn),表明兩者在一定程度上呈現(xiàn)動態(tài)連接(Shimoni et al., 2005)。Gao等(2006)的研究表明, 維持動態(tài)類囊體結(jié) 構(gòu)需要FZL, FZL突變使植物產(chǎn)生大而不規(guī)則的葉綠 體和容易堆積的小囊泡, 但其影響葉綠體發(fā)育的機(jī)制 尚不清楚。在葉綠體生物組裝過程中, 為了與細(xì)胞分裂及生 長相

12、一致必須進(jìn)行增殖。研究表明, 葉綠體的分裂發(fā) 生在葉綠體形成的早期(Pyke, 1999; Okazaki et al., 2009)。FtsZ1和FtsZ2是植物中與細(xì)菌分裂蛋白同源 的組分(Osteryoung and McAndrew, 2001), 葉綠體 分裂初期這2種蛋白共同組成內(nèi)分裂環(huán)。研究表明, DRP5B(dynamin related protein 5B)蛋白圍繞在葉 綠體外層(Miyagishima et al., 2006), 與葉綠體分裂 及大小等發(fā)育狀況相匹配(Okazaki et al., 2009)。質(zhì) 體分裂蛋白PDV1和PDV2形成一種胞質(zhì)類組分, 是 細(xì)

13、胞內(nèi)葉綠體數(shù)量的主要機(jī)械性決定因素(Okazaki et al., 2009)。pdv1和pdv2突變體中含有大且不規(guī)則 的葉綠體(Miyagishima et al., 2006)。相反, 超表達(dá) PDV1和PDV2的擬南芥葉肉細(xì)胞中會產(chǎn)生小而多的 葉綠體(Okazaki et al., 2009)。FtsZ參與內(nèi)圈分裂環(huán) 的裝備, 外圈環(huán)部分地被PDV蛋白招募并由錨定于 外部膜上的 DRP5B 蛋白 組成 (Holtsmark et al., 2013)。這種圍繞葉綠體中心相分離的環(huán), 通過二分 體產(chǎn)生2個(gè)葉綠體。研究發(fā)現(xiàn), 在分生組織中PDV的 活性較高, 葉中PDV蛋白的減少與葉齡及葉

14、綠體分 裂等因素有關(guān)(Okazaki et al., 2009)。2 細(xì)胞特異葉綠體的發(fā)育被子植物在進(jìn)化過程中逐漸發(fā)育出分布于不同類型 細(xì)胞中且具備差異功能的亞型葉綠體。擬南芥(Ara- bidopsis thaliana)和煙草(Nicotiana tabacum)的表皮 細(xì)胞中存在小且未完全發(fā)育的葉綠體, 這與表皮細(xì)胞 具保護(hù)功能相一致。氣孔保衛(wèi)細(xì)胞葉綠體的光合活性 對氣孔功能的充分發(fā)揮至關(guān)重要(Lawson, 2009)。特 異細(xì)胞中質(zhì)體發(fā)育的差別, 可能是細(xì)胞自主因子的正 調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào) 作用受抑制 的共同結(jié)果 (Waters and Langdale, 2009)。除了根中具備抑制葉綠體

15、發(fā)育功能 的光合抑制子COP/DET/FUS家族外(Kwok et al., 1996), 關(guān)于特異細(xì)胞葉綠體發(fā)育機(jī)理尚知之甚少。真葉的葉綠體由分生組織的原質(zhì)體在葉原基出李保珠等: 植物葉綠體發(fā)育及調(diào)控研究進(jìn)展 339現(xiàn)時(shí)發(fā)育而來, 而子葉中的葉綠體則是由白色體在光 下快速轉(zhuǎn)化而成。 SCO是葉綠體定位的延伸因子 G(elongation factor G, EF-G), 其突變造成子葉顏色 改變, 但不影響真葉葉綠體的發(fā)育, 表明SCO在子葉 的葉綠體發(fā)育中扮演重要角色。有研究表明, SCO功 能的發(fā)揮與蔗糖營養(yǎng)信號有關(guān)(Albrecht et al., 2006; Ruppel and H

16、angarter, 2007)。擬南芥CYO1也參與 子葉葉綠體的發(fā)育過程, 與大腸桿菌DnaJ類似, 具 有預(yù)測的鋅指結(jié)構(gòu)區(qū)域(Shimada et al., 2007), 推測 類囊體內(nèi), 該區(qū)域在富含半胱氨酸殘基蛋白(例如光 合體系組成蛋白)的折疊過程中起作用。C4植物(如玉米(Zea mays)等)的光合作用由葉 肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞共同完成。葉肉細(xì)胞的葉綠體 主要進(jìn)行CO2固定, 真正的卡爾文循環(huán)在維管束鞘細(xì) 胞中進(jìn)行。玉米兩種細(xì)胞的葉綠體存在明顯的差別。 葉肉細(xì)胞葉綠體富含基質(zhì), 積累PSII, 缺少淀粉; 而 維管束鞘細(xì)胞葉綠體缺少基質(zhì), 積累核酮糖-1,5-二 磷酸, 包含大量

17、的淀粉顆粒。同時(shí), 兩種亞型葉綠體 蛋白質(zhì)組成也都具有各自的特異性(Majeran et al., 2005)。高等植物及苔蘚中存在一種編碼Myb類轉(zhuǎn)錄 因子的GLK(golden2-like, GLK)家族基因。該家族成 員在植物中的功能具保守性, 每種植物至少存在2種 GLK基因, 其主要功能是調(diào)節(jié)參與編碼植物葉綠素合成組分(包括My-螯合酶亞基等)基因的表達(dá)(Papen- brock et al., 1997; Adhikari et al., 2011; de Dios Barajas-Lpez et al., 2013)。GLK家族基因在不同類 型光合細(xì)胞中的表達(dá)存在差異(Rossi

18、ni et al., 2001;Yasumura et al., 2005)。擬南芥和苔蘚的GLK家族成 員在促進(jìn)核基因表達(dá)上存在功能冗余(Fitter et al., 2002; Yasumura et al., 2005; Waters et al., 2009)。 玉米ZmGLK1在葉肉細(xì)胞中表達(dá), 而同源的ZmGLK2 在維管束鞘細(xì)胞中表達(dá)較強(qiáng)。它們在葉肉細(xì)胞及維管 束鞘細(xì)胞中的分化與各自主要功能相一致(Chang et al., 2012)。 Langdale和 Kidner(1994) 的研 究表明 , ZmGLK2的突變特異破壞維管束鞘細(xì)胞內(nèi)光合器官 的發(fā)育, 但對葉肉細(xì)胞中的葉

19、綠體沒有影響(Lang- dale and Kidner, 1994)。推測GLKs可能起源于單個(gè) 的GLK基因, 復(fù)制促使亞功能出現(xiàn), 進(jìn)而在C4植物 中促進(jìn)雙態(tài)葉綠體的發(fā)育(Wang et al., 2013)?；?家族內(nèi)同源體的差異表達(dá)可能與基因調(diào)節(jié)區(qū)的功能 選擇相關(guān), 不同的啟動子識別可能部分負(fù)責(zé)不同途徑的葉綠體生物裝備(Sage, 2004)。Covshoff等(2008) 的研究表明, Zmhcf136突變體幼苗致死, PSII活性喪 失, 同時(shí)葉肉細(xì)胞葉綠體基質(zhì)匱乏, 但維管束鞘細(xì)胞 的葉綠體發(fā)育不受影響(Covshoff et al., 2008)。玉米 中編碼DnaJ類蛋白

20、BSD2的基因突變僅在維管束鞘 細(xì)胞中表現(xiàn)出不規(guī)則的葉綠體(Brutnell et al., 1999)。 這些葉綠體發(fā)育同源基因差異表達(dá)的確定, 為揭示亞 型葉綠體的不同結(jié)構(gòu)特征及差異功能提供了基礎(chǔ)。然 而, 已鑒定出的在葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞中C4植 物特異缺陷突變體仍然很少。3葉綠體發(fā)育過程的調(diào)控核編碼蛋白的輸入, 為成熟葉綠體的發(fā)育提供了物質(zhì) 及功能基礎(chǔ)。輸入的蛋白參與并調(diào)控葉綠體基因的轉(zhuǎn) 錄、轉(zhuǎn)錄后加工及翻譯等過程。葉綠體基因轉(zhuǎn)錄所需 的RNA聚合酶包括質(zhì)體編碼的RNA聚合酶(plasmid encoding RNA polymerase, PEP)和核基因編碼的 RNA 聚合 酶

21、(nuclear encoded RNA polymerase, NEP)。研究表明, 核編碼的西格瑪(SIG)因子在控制 葉綠體中RNA聚合酶與啟動子結(jié)合中起關(guān)鍵作用 (Lysenko, 2007)。在光下, SIG因子激活質(zhì)體基因表 達(dá), 引起光合反應(yīng)核心蛋白(如PsbD等)的表達(dá), 同時(shí) 調(diào)節(jié)RNA加工和核糖體的裝備。在擬南芥中已鑒定出 6個(gè)編碼SIG因子的核基因。這些SIG因子利用質(zhì)體 RNA聚合酶啟動特異基因的轉(zhuǎn)錄, SIG2和SIG6也被 認(rèn)為在子葉脫黃化中具有特殊的功能(Woodson et al., 2013)。在玉米中已經(jīng)鑒定出5個(gè)ZmSIG因子, 其 中前4個(gè)定位于質(zhì)體并作

22、用于質(zhì)體特異基因的轉(zhuǎn)錄, 而ZmSIG2B除了具備葉綠體SIG因子活性外, 也在 線粒體基因轉(zhuǎn)錄中發(fā)揮一定的作用(Beardslee et al., 2002)。SIG家族成員功能上存在冗余, 互補(bǔ)測試、啟 動子互換及突變分析等都有助于闡明基因組織特異 性和功能的差異性。核編碼蛋白對葉綠體RNA編輯、 轉(zhuǎn)錄后加工、維持RNA的穩(wěn)定性等起重要作用(Vaistij et al., 2000)。陸生植物萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)葉綠體基因在翻譯的過程中需要進(jìn)行內(nèi)含 子的剪切和外顯子的拼接。研究發(fā)現(xiàn), 這些葉綠體基 因轉(zhuǎn)錄物的拼接需要來自核編碼蛋白質(zhì)因子的參與。 玉

23、米的核基因CRS1和CRS2發(fā)生突變, 會嚴(yán)重影響 葉綠體中許多II類內(nèi)含子的剪切過程(Jenkins et al.,340 植物學(xué)報(bào) 49(3) 20141997; Vogel et al., 1999; Ostheimer et al., 2003)。 某些核編碼蛋白通過控制葉綠體核糖體裝配等方式 調(diào)控葉綠體基因的翻譯。在低溫環(huán)境下, 擬南芥葉綠 體核糖體的組裝需要核編碼DIM1的參與(Tokuhisa et al., 1998)。研究發(fā)現(xiàn), 核基因與葉綠體基因翻譯之 間存在一一對應(yīng)的調(diào)控關(guān)系。如衣藻tab1-F15基因的 突變導(dǎo)致葉綠體的psaB mRNA不能翻譯; 玉米atp1 基因突

24、變導(dǎo)致葉綠體atpB/E mRNA不能翻譯。4 葉綠體-細(xì)胞核反向信號一方面, 核基因編碼的組分參與調(diào)控葉綠體基因的表 達(dá); 另一方面, 細(xì)胞核也時(shí)刻接受來自質(zhì)體且體現(xiàn)質(zhì) 體自身發(fā)育及功能狀況的反向信號, 使得細(xì)胞核編碼 的葉綠體蛋白種類和數(shù)量能夠更好地適應(yīng)質(zhì)體發(fā)育 及功能發(fā)揮的需求。研究表明, 質(zhì)體反向信號至少通過包括質(zhì)體基因 表達(dá)(plastidial gene expression, PGE)、質(zhì)體代謝物 質(zhì)(四卟啉等)、質(zhì)體蛋白輸入、活性氧產(chǎn)生和活性氧 其它相關(guān)過程等在內(nèi)的多種途徑來向細(xì)胞核傳遞質(zhì) 體發(fā)育及功能狀態(tài)信號, 進(jìn)而調(diào)節(jié)核基因的表達(dá) (Pfannschmidt, 2010)。

25、質(zhì)體基因表達(dá)似乎是協(xié)調(diào)不 同質(zhì)體類型早期發(fā)育階段中核編碼質(zhì)體基因表達(dá)所 需(Kanervo et al., 2008)。質(zhì)體基因表達(dá)出現(xiàn)缺陷時(shí), 多種核編碼質(zhì)體蛋白 ( 如 LHCB) 受到負(fù)調(diào)控 (Pe- saresi et al., 2006; Koussevitzky et al., 2007)。各種 研究結(jié)果顯示, 質(zhì)體基因表達(dá)途徑只在成熟葉中存在 (Pesaresi et al., 2006)。同時(shí), 質(zhì)體基因表達(dá)隨質(zhì)體 內(nèi)氧化還原狀態(tài)的變化而變化。擬南芥PRIN2是質(zhì)體 定位的轉(zhuǎn)錄激活蛋白, 能夠促進(jìn)被質(zhì)體編碼RNA聚 合酶啟動的質(zhì)體基因轉(zhuǎn)錄。該基因的突變使得擬南芥 對質(zhì)體氧化還原

26、狀態(tài)不敏感(Chateigner-Boutin et al., 2008; Arsova et al., 2010)。prin2突變體中質(zhì)體 基因較低的表達(dá)水平破壞正調(diào)節(jié)信號或誘導(dǎo)產(chǎn)生核 編碼質(zhì)體蛋白表達(dá)的負(fù)調(diào)節(jié)信號(Kindgren et al., 2012)。葉綠體的代謝狀況以代謝物為信號調(diào)控核基因 的表達(dá)。研究表明, 四卟啉參與葉綠體與細(xì)胞核之間 的信息交流。葉綠體受到損傷會使四卟啉代謝受影響, 且作為一種信號調(diào)節(jié)相關(guān)核基因的表達(dá)。在綠藻和高 等植物中, 四卟啉途徑的受損表現(xiàn)為影響光合相關(guān)核基因(PhANGs)的表達(dá)(Cornah et al., 2003; Alawady and Gr

27、imm, 2008; von Gromoff et al., 2008; Zhang et al., 2012)。對葉綠體與細(xì)胞核之間通訊交流削弱的 gun突變體的研究表明, Mg-原卟啉IX(Mg-protoIX)和Mg-原卟啉IX單甲基酯(Mg-protoMe)是影響核基因表 達(dá)的主要卟啉類物質(zhì)。Mg-原卟啉的積累為葉綠體調(diào) 控核基因的表達(dá)所需(Mochizuki et al., 2001; Gray, 2003)。De Dios Barajas-Lpez等(2013)推測, Mg- 原卟啉影響葉綠素合成及擴(kuò)散, 或穿梭于葉綠體被膜 至細(xì)胞溶質(zhì)中傳遞質(zhì)體信號。同時(shí), Mg-原卟啉的積累 與

28、光合相關(guān)核基因的表達(dá)降低存在相關(guān)性(De Dios Barajas-Lpez et al., 2013)。最新研究表明, Mg-原卟 啉IX積累的變化與Lhcb表達(dá)的變化并不匹配; 相反, 通過合成酶復(fù)合物所產(chǎn)生代謝物的流量可能導(dǎo)致這 種信號的產(chǎn)生(Moulin et al., 2008; Pfannschmidt, 2010) 。質(zhì)體中的甲 基赤藻糖醇 (methylerythritol cyclodiphosphate, MEcPP)是質(zhì)體甲基赤藻糖醇磷 酸鹽途徑中產(chǎn)生的類異戊二烯前體, 誘導(dǎo)核編碼的脅 迫反應(yīng)中質(zhì)體蛋白的表達(dá)。近來該物質(zhì)被證實(shí)為重要 且特異的反向信號代謝物(Xiao et

29、 al., 2012)。葉綠體的氧化還原狀態(tài)可激發(fā)反向信號調(diào)控核 基因的表達(dá)(Fey et al., 2005; Tadini et al., 2012)。氧 化還原狀態(tài)對核基因的調(diào)控被認(rèn)為是一種適應(yīng)性的 過程, 使細(xì)胞核基因的表達(dá)能夠適應(yīng)外界條件的改 變, 進(jìn)而提高光合效率及避免光損傷(Kindgren et al., 2012)。質(zhì)體醌(plastoquinone, PQ)被認(rèn)為是影響核 基因表達(dá)的氧化還原信號產(chǎn)生位點(diǎn)。高等植物中, PQ 的氧化還原狀態(tài)與其它信號結(jié)合在一起共同實(shí)現(xiàn)對 核基因的精細(xì)調(diào)控(Fernndez and Strand, 2008)。 研究發(fā)現(xiàn), 多種核基因, 如質(zhì)體

30、藍(lán)素基因(PETE)、抗 壞血酸過氧化酶基因(APX2)和早期光誘導(dǎo)蛋白基因 (ELIP2)等均受到PQ氧化還原狀態(tài)的調(diào)節(jié)(Schtze et al., 2008)。2 000多個(gè)擬南芥核編碼光反應(yīng)蛋白中, 有54個(gè)受到PQ氧化還原狀態(tài)的嚴(yán)格調(diào)控(Fey et al., 2005)。葉綠體中主要產(chǎn)生包括1O2 、O2、H2O2 和OH等形式的活性氧, 它們可能作為信號分子調(diào)節(jié)葉綠體及細(xì)胞核基因的表達(dá), 從而使細(xì)胞更好地適應(yīng)環(huán) 境。大量的植物抗氧化脅迫基因的表達(dá)受到來自葉綠 體ROS的調(diào)控。同時(shí), PQ氧化還原狀態(tài)也容易受到外 界條件的影響。外源施加H2O2能夠刺激葉綠體APX2 (chloro

31、plast APX2, cAPX2)和鋅指轉(zhuǎn)錄因子ZAT10李保珠等: 植物葉綠體發(fā)育及調(diào)控研究進(jìn)展 341及ZAT12的表達(dá), 施加過氧化氫酶則能消除這種效果 (Rossel et al., 2007; Fernndez and Strand, 2008; Kindgren et al., 2012)。還有研究顯示, 1O2和H2O2相互作用共同影響PQ氧化還原狀態(tài)調(diào)節(jié)的信號系統(tǒng)(Laloi et al., 2007)。盡管其作用機(jī)制還不甚清楚, 但 可以確信葉綠體產(chǎn)生的ROS在調(diào)節(jié)核基因表達(dá)方面 發(fā)揮了重要作用。GUN1是質(zhì)體定位的PPR蛋白, 受到氧化還原、 Mg-原卟啉IX及細(xì)胞器基因

32、表達(dá)調(diào)節(jié)途徑的影響。 GUN1的突變使細(xì)胞器轉(zhuǎn)錄翻譯抑制子林肯霉素對核 表達(dá)質(zhì)體蛋白的抑制受阻, 該基因突變體中LHCB的 表達(dá)較高(Koussevitzky et al., 2007; Cottage et al., 2010; Sun et al., 2011)。 越來越多的研究表明, GUN1至少整合了細(xì)胞器基因表達(dá)及氧化還原調(diào)節(jié)途 徑, 為質(zhì)體產(chǎn)生或傳輸刺激的公共信號至細(xì)胞核中所 需。ABI4是參與植物激素ABA反應(yīng)中具順式作用元件 (cis-acting elements)的轉(zhuǎn)錄因子。研究證明ABI4作 為調(diào)節(jié)因子作用于gun-突變體中受影響基因的上游 序列, 在質(zhì)體反向信號中扮演重

33、要角色(Larkin et al., 2003; Koussevitzky et al., 2007)。ABI4的突變引起 相對較弱的gun表型, 表明其它的調(diào)節(jié)因子也參與 PGE對核編碼質(zhì)體蛋白的調(diào)控(Len et al., 2012)。同 時(shí), ABI4在傳遞有關(guān)抗壞血酸的信息中扮演重要角 色, 其具體作用為促進(jìn)細(xì)胞對氧化脅迫的緩沖能力 (Foyer et al., 2012)。能夠從葉綠體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核中 的蛋白, 是潛在的質(zhì)體信號攜帶者。PTM是一個(gè)定位 于葉綠體膜上的轉(zhuǎn)錄因子, 全長PTM蛋白僅在葉綠 體外膜中存在, 且被證實(shí)調(diào)控PhANG的表達(dá), 進(jìn)而 調(diào)節(jié)葉綠體信號。PTM蛋白的N

34、端有1個(gè)分子量約為 58 kDa的區(qū)域在細(xì)胞器基因表達(dá)抑制劑達(dá)草滅或質(zhì) 體蛋白合成抑制子林肯霉素的存在下能夠在細(xì)胞核 中積累, 通過蛋白酶體加工, 把來自質(zhì)體的信號釋放 到核中(Sun et al., 2011)。gun1突變體中PTM的N端 (N-PTM)在核中的積累明顯弱于野生型, 同時(shí)突變體 表型被N-PTM的組成型表達(dá)所回補(bǔ), 表明GUN1對 PTM功能的發(fā)揮很重要(Len et al., 2012)。ABI4在 ptm突變體中的表達(dá)明顯減少, N-PTM在細(xì)胞核中的 釋放與脅迫誘導(dǎo)的ABI4表達(dá)之間存在聯(lián)系。PTM的 PHD區(qū)域結(jié)合ABI4的啟動子, 調(diào)節(jié)ABI4的表達(dá), 這 種調(diào)節(jié)

35、作用與組蛋白的修飾有關(guān)(Sun et al., 2011)。 對 gun1ptm 和 abi4ptm 兩 個(gè)雙突變 體 的分析顯 示 ,GUN1、PTM及ABI4作用于同一信號途徑中。也就是 說, 葉綠體膜結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子PTM連接葉綠體信號蛋 白GUN1和細(xì)胞核調(diào)節(jié)因子ABI4, 進(jìn)而共同作用于質(zhì) 體信 號從葉綠 體轉(zhuǎn)向細(xì) 胞核的過 程 (De Dios Barajas-Lpez et al., 2013)。這種確認(rèn)的信號途徑中, 仍然存在諸如PTM如何感受反向信號、何種途徑依賴 于PTM與細(xì)胞核進(jìn)行交流等懸而未決的問題?？傊? 葉綠體-細(xì)胞核之間存在著時(shí)刻向細(xì)胞核 傳遞的能體現(xiàn)葉綠體發(fā)育狀態(tài)及

36、功能狀況的逆向信 號, 但對這方面的研究卻進(jìn)展緩慢。5 研究展望經(jīng)過幾十年的努力, 人們對植物葉綠體的發(fā)育調(diào)控有 了比較深入的了解。執(zhí)行光合作用的同時(shí), 葉綠體在 感知并轉(zhuǎn)導(dǎo)環(huán)境脅迫信號中也發(fā)揮著重要作用。作為 重要的植物細(xì)胞器, 其發(fā)育及調(diào)控機(jī)制非常復(fù)雜, 受 到內(nèi)外多種因素的影響, 其中涉及核編碼質(zhì)體蛋白的 輸入、質(zhì)體基因表達(dá)的調(diào)控、質(zhì)體-細(xì)胞核反向信號 途徑等多個(gè)方面。然而, 一直備受青睞的質(zhì)體-細(xì)胞核 反向信號途徑的研究進(jìn)展較慢, 相關(guān)過程及調(diào)控的分 子機(jī)制仍不清楚。這將是今后人們努力探尋的重要方 向。參考文獻(xiàn)Adhikari ND, Froehlich JE, Strand DD,

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