AOX介導的線粒體與葉綠體之間的信號傳導

林宏輝，張大偉，李鵬旭，翟晨蕾，韓雪瑩

（四川大學　a.生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室；b.生命科學學院，成都 610064）

AOX介導的線粒體與葉綠體之間的信號傳導

林宏輝，張大偉，李鵬旭，翟晨蕾，韓雪瑩

（四川大學a.生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室；b.生命科學學院，成都 610064）

交替氧化酶是植物抗氰呼吸途徑重要的末端氧化酶。在植物轉(zhuǎn)綠過程中，AOX缺陷突變體表現(xiàn)出葉綠素積累延遲的現(xiàn)象。最近的研究表明。這種葉綠素積累的延遲在高光條件下更為顯著，主要原因在于相關(guān)質(zhì)體酶的轉(zhuǎn)運受阻，而這些酶可以催化四吡咯或葉綠醇的生物合成。同時，抑制抗氰呼吸也伴隨著質(zhì)體NADPH/NADP+比率的增加，尤其是在高光處理條件下。因此表明，光照強度可以通過一個代謝信號在植物轉(zhuǎn)綠過程中影響葉綠素的合成，而這個代謝信號很可能與AOX改變質(zhì)體中 NADPH/NADP+的比率有關(guān)。總之，AOX介導的線粒體和葉綠體之間信號傳導對維持光合作用能力至關(guān)重要。

交替氧化酶；代謝信號；NADPH/NADP+比率；光合效率

0 引 言

細胞核，質(zhì)體和線粒體是植物細胞中3種儲存基因組遺傳信息的細胞器。核編碼基因調(diào)控質(zhì)體和線粒體功能以及發(fā)育過程的大多數(shù)方面。反之，質(zhì)體和線粒體也可以將反向信號傳遞給細胞核［1］。其中一個反向信號與包括鎂-原卟啉 IX（Mg-Proto IX）在內(nèi)的葉綠素生物合成前體物質(zhì)（四吡咯）相關(guān)，盡管這種觀點還存在很大爭議［2-6］。另外一個反向信號是由抑制質(zhì)體基因的表達（PGE）所誘導的［7］。糖類、光照、活性氧（ROS）以及光合電子傳遞鏈的氧化還原狀態(tài)也會參與到這些反向信號通路中［8，9］。近些年有研究發(fā)現(xiàn)類異戊二烯的前體物質(zhì)2-C-甲基-D-赤蘚糖醇-2，4-環(huán)二磷酸（MEcPP）在脅迫情況下會引起核編碼質(zhì)體相關(guān)基因的表達［10］。此外，3，5'二磷酸腺苷（PAP）從葉綠體進入到細胞核的過程中也會產(chǎn)生反向信號［11］。光敏色素相關(guān)蛋白磷酸酶5（PAPP5）和葉綠體膜包被的植物同源結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)錄因子PTM也可能參與到質(zhì)體和細胞核之間的信號通路中［12，13］。最近的研究表明線粒體和葉綠體之間存在一些信號通路，其中AOX發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［14-18］。

本文是我們對AOX介導的葉綠體和線粒體之間的細胞動力學代謝信號途徑相關(guān)研究的一些見解。此外，對信號途徑中的突出問題進行了初步探討。

1 AOX在優(yōu)化光合作用過程中的作用

高等植物中線粒體呼吸鏈包含ATP偶聯(lián)的細胞色素（cyt）途徑和AOX途徑。AOX途徑是呼吸電子傳遞鏈的分支途徑，它在輔酶Q分支，省略掉了細胞色素途徑的最后幾步，其末端氧化酶是AOX［19-21］。AOX可以直接利用來自水的氧催化泛醌。同時 AOX不是質(zhì)子泵，AOX途徑作為電子儲存槽會降低ATP的產(chǎn)生。因此，AOX可能會防止細胞的過度還原［22］。AOX催化一種能量耗散的呼吸途徑，在佛焰花序的產(chǎn)熱，細胞應對環(huán)境脅迫如減少活性氧（ROS）的形成和優(yōu)化光合作用過程中發(fā)揮重要作用［15，17，23］。

許多研究已經(jīng)證明線粒體的代謝反應過程在優(yōu)化光合作用過中具有重要作用［24，25］。近期研究表明，非生物脅迫情況下擬南芥的AOX對光合作用響應環(huán)境變化具有重要作用［16，17，26-29］。一般情況下，正常生長的AOX突變植株aox1a中光合作用只受到輕微影響，包括稍微降低的CO2吸收率和O2釋放率［30，31］，稍微升高的循環(huán)電子傳遞（CET）速率［16］，以及高光處理后輕微增強的光抑制敏感性［28］。總之，AOX缺陷植株表現(xiàn)出光合作用能力的抑制，其潛在機制可能是線粒體AOX可以作為一個緩沖池通過蘋果酸/草酰乙酸穿梭途徑代謝由葉綠體光合作用產(chǎn)生的過多還原力［32，33］。與擬南芥相似，最近的研究發(fā)現(xiàn)生長在高光下缺失AOX的煙草植株光合作用速率降低10%—15%。同時，這項研究還表明較低的光合作用速率是由氣孔導致的而不是因為光合作用的生物化學過程受到了限制，進一步研究證實AOX缺失植株保衛(wèi)細胞中的NO穩(wěn)態(tài)失衡導致了氣孔運動的限制［34］。

2 AOX在葉綠體和線粒體信號傳遞過程中的作用

AOX可以通過更普遍的作用影響新陳代謝，比如ROS，活性氮，碳和氮的平衡和ATP/ADP比率等都是與AOX相關(guān)的代謝信號元件。但有一些報告是關(guān)于AOX衍生的葉綠體和線粒體之間的代謝信號。植物生長在不同的環(huán)境中要保持高效的光合作用，這需要線粒體AOX消耗來自葉綠體過量的還原當量［14-17］。在aox1a突變體中，葉綠素的累積受到延遲，同時植株對強光脅迫的耐受性較低［16，17］。AOX2可以利用自身的轉(zhuǎn)運多肽進入到葉綠體，這可能與葉綠體發(fā)育早期AOX2參與補充質(zhì)體末端氧化酶行使功能有關(guān)［35］。最近的研究證實線粒體AOX調(diào)控質(zhì)體NADPH/NADP+比率的變化可以作為一種新陳代謝信號調(diào)控質(zhì)體蛋白的轉(zhuǎn)運和葉綠素的生物合成［18］。同樣的，NADH脫氫酶是一種線粒體蛋白質(zhì)復合物的組成元件，NADH脫氫酶基因缺失突變體表現(xiàn)出光合作用強度降低［36］。另一方面，在葉綠體發(fā)育突變體albostrians中線粒體的發(fā)育也被抑制［36］。

十余年的研究發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸途徑在維持光合作用效率的過程中存在著精細的調(diào)控機制［28，35，37］。在高光下aox1a突變體的光系統(tǒng)II運作效率受到影響，并且光系統(tǒng)I周圍的循環(huán)電子傳遞（CET-PSI）的活性是增加的［16］。相應的在低光照條件下，CEI-PSI缺失突變體在葉綠體基質(zhì)中累積過量的還原當量，并且AOX和參與蘋果酸/草酰乙酸穿梭途徑的酶具有較高的活性［15］。這其中可能存在一種調(diào)控機制，NADPH可能作為一種連接線粒體和葉綠體的代謝信號分子（圖1）。同時，許多與光合作用和葉綠素合成相關(guān)的葉綠體蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運受到這種代謝信號的調(diào)控（圖1）。

光是一種對植物生長至關(guān)重要的環(huán)境因子，它調(diào)控植物的光合作用和呼吸作用［17］。當AOX途徑受阻時，線粒體中將累積過多的NADH，然后通過蘋果酸/草酰乙酸穿梭途徑將還原當量傳遞到葉綠體中以NADPH存在。最終質(zhì)體中NADPH/NADP+比率升高導致質(zhì)體處于過還原狀態(tài)。然后，包括卡爾文-本森循環(huán)相關(guān)酶和光合電子傳遞鏈相關(guān)元件在內(nèi)的質(zhì)體蛋白轉(zhuǎn)運受到阻礙，因此會擾亂光合作用的光反應和暗反應。光照可以誘導ROS的產(chǎn)生，AOX基因表達和抗氰呼吸［23］。另外，光受體，光敏色素，向光素和隱花色素直接促進AOX基因的表達［17］。這個反饋回路對植物的高光脅迫抗性是很重要的。通過這種代謝信號，植物細胞監(jiān)測線粒體的活動，然后及時調(diào)整質(zhì)體的功能來保持更好的氧化還原穩(wěn)態(tài)。

先前的大多數(shù)關(guān)于葉綠體和線粒體之間相互關(guān)系的研究是在成熟植物中進行的［14-17］。最近的研究表明在植物幼苗中這兩種細胞器之間也存在著密切的聯(lián)系。這種代謝信號的生理學意義在于幼苗期調(diào)控植物的初期發(fā)育，成苗期調(diào)控植物對環(huán)境脅迫的適應性。

在受到AOX調(diào)控的體質(zhì)蛋白中，鐵氧化還原蛋白NADP+-氧化還原酶（FNR）是整合碳同化、碳異化、氮同化，硫同化和其他重要代謝過程至關(guān)重要的酶。一方面，它是一種光合作用電子傳遞鏈組成元件。另一方面，它作為質(zhì)體氧化還原傳感器。在光合作用電子傳遞反應過程中葉型FNR-L1催化最后的反應（電子從鐵氧化還原蛋白（Fd）轉(zhuǎn)移到 NADP+產(chǎn)生NADPH），并形成一種異源二聚體FNR-L2［38-40］。此外，Tic62是一種質(zhì)體膜易位子元件（膜嵌入蛋白復合體），并且可以與FNR相互作用。Tic62調(diào)控的質(zhì)體蛋白在葉綠體膜和基質(zhì)間的穿梭過程受氧化還原狀態(tài)（NADPH/NADP+比率）的影響［27，38，40］.它可能是NADPH/NADP+比率調(diào)控質(zhì)體蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵步驟（圖1）。除了對光合作用和氧化還原穩(wěn)態(tài)的影響，還原型鐵氧化還原蛋白也提供電子使亞硝酸鹽還原酶催化亞硝酸鹽還原，或者供給參與同化反應的許多其他鐵氧化還原蛋白相關(guān)的酶［41］。

圖1　葉綠體和線粒體之間信號通路模型圖

3 總結(jié)和展望

葉綠體和線粒體是植物細胞中重要的細胞器。葉綠體和線粒體到細胞核的反向信號已經(jīng)得到充分的研究。然而，很少有報道是關(guān)于葉綠體和線粒體之間的信號傳遞和相關(guān)的信號元件。AOX衍生的質(zhì)體 NADPH/NADP+比率的變化和蘋果酸/草酰乙酸穿梭系統(tǒng)可能作為一種代謝信號調(diào)控質(zhì)體蛋白的轉(zhuǎn)運和葉綠素的合成，但這不是連接葉綠體和線粒體間的唯一途徑。葉綠體和線粒體之間的聯(lián)系也可能由抗壞血酸合成途徑所介導［42］。瓜氨酸-鳥氨酸穿梭系統(tǒng)和谷氨酸-谷氨酰胺穿梭系統(tǒng)也可能與葉綠體和線粒體之間的代謝信號相關(guān)［37］。遺傳學，基因組學和蛋白組學相結(jié)合能使我們在系統(tǒng)生物學水平上理解葉綠體和線粒體之間的信號傳遞。顯然，在下一個十年將有更令人興奮的發(fā)現(xiàn)。

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AOX-Derived Signal Transduction Between M itochondria and Chlorop last

LIN Honghui，ZHANG Dawei，LIPengxu，ZHAIChenlei，HAN Xueying
（a.M inistry of Education Key Laboratory for Bio-Resource and Eco-Environment；b.College of Life Science，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

Alternative oxidase（AOX）plays a key role in cyanide（CN）-resistant respiratory pathway，and thatchlorophyll accumulation will be largely delayed in AOX knockoutmutant.Recent studies showed that this delay of chlorophyll accumulation wasmore significant under the high light condition and mainly attributed to the blocked import of the concerned plastidial enzymes，a catalyzer of tetrapyrrole or phytol biosynthesis.Inhibition of cyanideresistant respiration was also accompanied by the increase of plastid NADPH/NADP+ratio，especially under the high light treatment.It thus suggests that light intensity affects chlorophyll synthesis during greening process by a metabolic signal，which may be attributed to the AOX-derived plastidial NADPH/NADP+ratio change.Therefore，AOX-derived signal between mitochondrion and chloroplast is essential for facilitating and sustaining the photosynthetic capacity.

alternative oxidase；metabolite signaling；NADPH/NADP+ratio；photosynthesis activity

Q946

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.01.005

1673-5072（2016）01-0039-05

2015-12-22

國家基礎(chǔ)研究計劃（973計劃，2015CB150100）；國家自然科學基金項目（91417305，31470342，31400211）

林宏輝（1968—），男，四川仁壽人，博士，教授，博士生導師，主要從事作物呼吸代謝與光合作用、植物病理、作物抗性生理及其適應逆境的分子機理以及園林植物生物技術(shù)領(lǐng)域的研究工作。

林宏輝，E-mail：hhlin@scu.edu.cn