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在叶绿素合成调控与功能研究方面取得进展
    

    叶绿素是植物吸收光能的最主要色素。叶绿素的合成对叶绿体发育、光形态建成和光合作用至关重要。叶绿素由一系列酶催化反应合成,参与叶绿素合成的酶受到许多调控,包括转录水平调控和翻译后水平调控等。植物在由黑暗异养生长向见光自养生长的转变过程中,如果黑暗中叶绿素中间产物过量积累,见光后会产生活性氧,严重时会引起蛋白质、脂质和DNA的损伤。而如果叶绿素积累少,光合产能低,则无法正常提供植物生长所需能量。因此,叶绿素合成的精细调控对植物生长发育和环境适应等发挥着重要作用。然而,我们对哪些因子参与精确调控叶绿素合成及其机制知之甚少。

    以水稻为材料,鉴定到一个在光周期下以及暗转光过程中出现氧化斑的水稻突变体,命名为oxp (oxidation under photoperiod)。基因克隆表明,oxp氧化斑的表型是由于OsFLU1 (LOC_Os01g32730)突变造成的。研究表明,水稻基因组包含两个FLU基因,它们的功能相对保守。对OsFLU1的转录调控发现,bHLH型转录因子OsPIL14能够直接结合到OsFLU1的启动子上,促进后者的转录。同时,过量表达OsPIL14的水稻在暗转光的过程中,叶绿素合成显著快于野生型水稻。该研究揭示了水稻在异养生长向自养生长转变过程中OsFLU1调控叶绿素合成的重要作用及其转录调控机制。研究结果于2019年7月10日在线发表于Plant & Cell Physiology。林荣呈研究组硕士研究生李执运和博士研究生莫伟平及南亚热带作物研究所贾利强副研究员为并列第一作者,林荣呈为通讯作者。郭亚龙研究员和杨文强研究员参与部分工作。

    叶绿素合成的关键酶之一原卟啉原IX氧化酶PPO1,催化原卟啉原IX氧化为原卟啉IX的反应。研究组之前发现PPO1通过与MORF蛋白相互作用参与质体RNA编辑(Zhang et al., PNAS 2014)。最近,通过深入的细胞学研究发现,PPO1突变导致有丝分裂过程停滞,雌雄配子发育缺陷,从而植物育性降低。同时,流式细胞仪分析表明,PPO1突变导致体细胞的有丝分裂过程受到抑制。RNA-seq分析发现,PPO1突变引起大量基因表达发生变化,包含细胞周期相关基因。PPO1不仅在绿色组织中高表达,还在有丝分裂活跃的组织(例如花药、胚珠和根尖)中也大量表达。该研究揭示了叶绿体蛋白(特别是叶绿素合成酶类)参与有丝分裂的新功能,也为叶绿体调控细胞周期提供了新的证据。相关研究结果于2019年7月26日在Plant & Cell Physiology在线发表。林荣呈研究组博士研究生李家龙为第一作者,林荣呈为通讯作者。遗传与发育生物学研究所杨维才研究员参与部分工作。

    以上研究工作得到了科技部、农业部和国家自然科学基金委等项目的资助。

文章链接:

https://doi.org/10.1093/pcp/pcz129

https://doi.org/10.1093/pcp/pcz135


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