植生所發現植物三個光合作用複合體協同生成及穩定性維持新機制

　　上海植生所發現植物三個光合作用複合體協同生成及穩定性維持新機制

　　光合作用穩定性複合體上海協同

　　

　　植物基因組編輯(Xixun Hu) · 2016-05-18 13:35

　　

　　5月10日，國際學術期刊自然出版集團夥伴雜誌《Cell Discovery》在線發表了中科院上海生命科學研究院植物生理生態所郭房慶研究組的研究論文「PBR1 selectively controls biogenesis of photosynthetic complexes by modulating translation of the large chloroplast gene Ycf1 in Arabidopsis」。該研究發現高等植物核基因組編碼的RNA結合蛋白PBR1，通過調控葉綠體基因組巨大編碼基因Ycf1在葉綠體中的翻譯效率，進而調節三個光合作用複合體（Photosystem I, cytochrome b6f and NADH dehydrogenase complexes）的協同生成及穩定性的維持。植物光合作用過程極為複雜，作為地球上最大規模利用太陽能將二氧化碳和水同化為有機化合物的途徑，是地球上絕大部分生命體所需能量和氧氣的來源。上述三個複合體在植物光合作用中與光系統II（PSII）及ATP合酶等複合體相互配合，在光能轉換、電子傳遞及還原力生成等一系列複雜生理生化反應中發揮決定性作用。上述的研究進展揭示高等植物多個光合複合體的生成過程不是孤立進行的，而是存在選擇性協同調控機制。      葉綠體作為半自主性的細胞器，其光合複合體亞基分別由葉綠體基因組和核基因組編碼。因此，探索兩個基因組之間交流、對話和協調的分子機制，成為植物光合複合體生成及穩定性維持研究領域一個持續的熱點科學問題。繼該研究組RNA結合蛋白RPS1（Yu et al., 2012）的工作后，為了繼續探究上述科學問題，博士生楊小飛等研究團隊成員在郭房慶研究員的指導下，開展了相關RNA結合蛋白的功能鑒定工作。研究發現RNA結合蛋白編碼基因PBR1敲減（knockdown）選擇性地影響三大光合複合體Photosystem I、 cytochrome b6f 和NADH dehydrogenase的蛋白丰度，抑制光合反應中心的光化學反應效率及電子傳遞過程；在進一步的深入研究中，通過蛋白組和分子標記技術，對野生型、突變體和兩個PBR1過表達株系的葉綠體差異表達蛋白進行了高通量的質譜鑒定和比對分析，確定葉綠體基因組巨大基因Ycf1所編碼蛋白的翻譯效率受PBR1調控。後續系列生化和分子生物學試驗證據表明，PBR1表達量下調導致Ycf1 mRNA與葉綠體核糖體的結合效率顯著降低，進而造成Ycf1蛋白翻譯效率的下降。進一步的遺傳互補驗證也表明，PBR1通過調節Ycf1的翻譯效率，進而調控三個光合作用複合體的協同生成及穩定性的維持。這其中，蛋白互做驗證結果支持Ycf1通過其CC1結構域與光合複合體亞基結合，在三個光合作用複合體生成組裝過程中可能扮演腳手架(scaffold)或「底盤」（platform）的功能。PBR1-Ycf1調控模型的建立，為人們深入了解細胞核編碼調控因子選擇性調節葉綠體光合複合體生成和穩定性維持機制開啟了一個新的窗口。博士生王玉婷、陳思婷、李記開和沈洪濤等參加了論文的部分研究工作。研究工作中得到了中科院上海生命科學研究院植物生理生態所米華玲研究員、黃繼榮研究員和計算生物所朱新廣研究員等的支持和幫助。      該工作得到了國家科技部、國家自然科學基金委員會和中國科學院等項目的資助。