葉綠素缺失突變的分子機(jī)制研究進(jìn)展

趙春梅

摘 要 葉綠素是光合作用中重要的色素分子，主要參與光能的吸收，其含量與光合作用效率密切相關(guān)。葉綠素缺失會(huì)直接影響植物的光合作用和生長(zhǎng)發(fā)育。葉綠素合成受阻是導(dǎo)致葉綠素缺失的最直接原因，同時(shí)葉綠素合成調(diào)控、光系統(tǒng)的組裝、葉綠體蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程發(fā)生變化也會(huì)導(dǎo)致葉綠素缺失。

關(guān)鍵詞 葉綠素；缺失突變；分子機(jī)制；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：S652.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.7.012

葉綠素缺失突變是植物界中比較常見(jiàn)的一種突變形式，由于葉綠素含量降低、葉片呈現(xiàn)黃化甚至白化現(xiàn)象，目前在擬南芥、煙草、番茄、甜瓜、水稻、玉米、大麥等植物中都有發(fā)現(xiàn)[1-7]。突變體由自然突變、人工誘變等方法獲得[8]。葉綠素是與光合作用相關(guān)的重要色素，因此葉色突變體成為研究葉綠素生物合成、光合作用機(jī)制以及葉綠體功能的重要材料；由于葉色突變表型直觀可見(jiàn)，還可以作為標(biāo)記性狀應(yīng)用于作物育種。近年來(lái)，人們?cè)谌~綠素缺失突變機(jī)制方面的研究取得了一定進(jìn)展。導(dǎo)致葉綠素缺失突變的原因和機(jī)制比較復(fù)雜，其中分子水平上的基因突變是導(dǎo)致葉綠素缺失的主要原因。

1 葉綠素生物合成途徑中的基因突變

葉綠素是由含有Mg原子的卟啉環(huán)與脂肪烴側(cè)鏈構(gòu)成的四吡咯大環(huán)分子，參與光合作用的光能捕獲、光能及電子的轉(zhuǎn)移。擬南芥中葉綠素生物合成從L-谷氨酰-tRNA到葉綠素a，葉綠素a再經(jīng)葉綠素酸酯a加氧酶氧化即形成葉綠素b，整個(gè)生物合成過(guò)程需要15步反應(yīng)，涉及由27個(gè)基因編碼的15種酶[9-10]，每一個(gè)酶基因突變都會(huì)直接影響葉綠素的合成。

葉綠素前體物質(zhì)ALA合成是卟啉合成的第一步并且是此合成過(guò)程中的限速反應(yīng)。在植物中ALA合成包含2個(gè)步驟：1） 谷氨酰t-RNA還原酶（GluTR）還原谷氨酰t-RNA（Glu-tRNA）生成成glutamate-1-smialdehyde（GSA）；2） Glutamate-1-semialdehyde-2，1-aminomutase （GSAM）將GSA轉(zhuǎn)化成ALA。GluTR與GSAM直接影響葉綠素的合成。在Euglena gracilis中，因底物Glu-tRNA的RNA基因發(fā)生點(diǎn)突變C56→U而影響葉綠素合成[11]。GSAM與葉綠素含量密切相關(guān)，在轉(zhuǎn)antisense Gsa（GSAM gene）基因植株及GSAM突變體中葉綠素含量降低甚至檢測(cè)不到[12]。ALA的合成還受植物體內(nèi)GluTR結(jié)合蛋白調(diào)控。ALA轉(zhuǎn)變?yōu)槿~綠素前體物質(zhì)原脫植基葉綠素需要光驅(qū)動(dòng)催化，如無(wú)光則導(dǎo)致原脫植基葉綠素積累而造成光氧化傷害。黑暗中GluTR結(jié)合蛋白FLU與GluTR結(jié)合使得谷氨酰t-RNA無(wú)法合成ALA，而另一種GluTR結(jié)合蛋白pgr7無(wú)論在有光或無(wú)光都可以與GluTR結(jié)合形成ALA，所以在黑暗情況下也有少量的ALA合成。擬南芥pgr7突變體在幼苗發(fā)育過(guò)程中葉綠素含量低[13]。

膽色素原脫氨酶（PBGD）是卟啉合成過(guò)程中的第二個(gè)限速酶。在玉米cf1突變體中PBGD含量降低，葉片呈現(xiàn)黃綠相間的顏色[14]。原卟啉原氧化酶（PPO，由ppo1基因編碼）是葉綠素與亞鐵血紅素共同合成途徑中一個(gè)酶，直接影響葉綠素的合成。擬南芥ppo1突變體由原卟啉原IX向原卟啉IX轉(zhuǎn)化受阻，導(dǎo)致原卟啉原IX大量增加，葉綠素含量降低，而亞鐵血紅素合成路徑未影響，亞鐵血紅素含量變化不大。由于葉綠素含量的降低，類囊體復(fù)合體包括PSI、PSII、細(xì)胞色素b6f復(fù)合體、ATP合酶、LHCI、LHCII的一些蛋白亞基含量都大幅降低[15]。葉綠素是含Mg的色素分子，當(dāng)原卟啉IX合成后，要將Mg2+螯合到卟啉環(huán)中產(chǎn)生Mg-原卟啉。Mg2+螯合酶是催化該反應(yīng)的關(guān)鍵酶也是限速酶，它由3個(gè)亞基CHLH、CHLD和CHLI構(gòu)成[16]。Mg2+螯合酶亞基基因突變會(huì)導(dǎo)致葉片葉綠素缺失，在大麥chlorina-125突變體中，由于CHLI亞基突變導(dǎo)致淺綠葉色[17]，而水稻淺綠色突變體phyB（光敏色素B基因）則通過(guò)抑制ChlH（Mg2+螯合酶H亞基基因）和GUN4（Mg2+螯合酶激活因子基因）基因表達(dá)來(lái)調(diào)控葉綠素的合成[18]。

2 葉綠體蛋白基因突變

除了與葉綠素合成相關(guān)的基因外，植物體內(nèi)其他代謝路徑中的一些酶基因變化也能夠?qū)е氯~綠素缺失。

2.1 光系統(tǒng)組裝蛋白突變

葉綠素主要分布于類囊體，與光系統(tǒng)I （PSI）、光系統(tǒng)II（PSII）相結(jié)合。PSI、PSII組裝受阻不能形成完整的復(fù)合體而無(wú)法正常結(jié)合葉綠素分子，導(dǎo)致葉片葉綠素缺失。Ycf3和Ycf4是PSI組裝蛋白，對(duì)于PSI在葉綠體中的積累必不可少[19]。煙草Ycf4敲除突變體主要影響核心復(fù)合體，導(dǎo)致葉綠素a/b的比率降低，葉片呈現(xiàn)淺綠色[20]。大麥y(cè)cf3突變體在低溫時(shí)葉色正常，當(dāng)溫度升高到32 ℃時(shí)葉色變淡，葉綠素大量減少。ycf3基因由3個(gè)外顯子和2個(gè)內(nèi)含子構(gòu)成，內(nèi)含子1屬于II組內(nèi)含子，本身具有核糖酶剪切功能，并且二級(jí)結(jié)構(gòu)保守。在ycf3突變體內(nèi)，內(nèi)含子1序列發(fā)生突變導(dǎo)致其RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。低溫對(duì)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)影響不大，其功能也未發(fā)生較大變化，葉片顏色正常。高溫對(duì)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)影響很大，從而干擾到內(nèi)含子的剪切功能，使ycf3基因突變。Ycf3蛋白的突變使PSI的組裝及積累受影響[21]。擬南芥pyg7-1蛋白同樣與PSI組裝或穩(wěn)定相關(guān)，在pyg7-1中PSI亞基雖然能夠合成，但不能形成穩(wěn)定的復(fù)合體，葉片表現(xiàn)為葉綠素缺失[22]。PsbP是PSII的外周蛋白。在煙草中通過(guò)RNAi方式干擾PsbP的表達(dá)，LHCII–PSII超復(fù)合體的組裝或穩(wěn)定性受到破壞，一些不完整的PSII中間體被破壞而進(jìn)入修復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致葉綠素?zé)o法與之結(jié)合[23]。TLA2基因是核基因編碼定位到葉綠體的FTSY （SRP受體）蛋白，在綠藻中葉綠體FTSY（CpFTSY）的作用是將光系統(tǒng)外周蛋白（LHCs）整合到類囊體膜中，tla2突變主要是影響到PSII，導(dǎo)致葉綠素含量下降。萊茵衣藻tla2突變體中葉綠素含量?jī)H為野生型的20%～25%[24]。

2.2 葉綠體信號(hào)識(shí)別顆粒

葉綠體信號(hào)識(shí)別顆粒（cpSRP）的功能是引導(dǎo)由核基因編碼蛋白定位到葉綠體，葉綠體蛋白如果無(wú)法定位到葉綠體內(nèi)相應(yīng)的位置會(huì)導(dǎo)致葉綠素缺失。擬南芥葉綠體信號(hào)識(shí)別蛋白cpSRP43主要功能是將捕光復(fù)合物（LHC）定位到類囊體膜上。LHC通常包含幾百個(gè)葉綠素分子及數(shù)量不等的類胡蘿卜素分子，如果LHC無(wú)法定位到葉綠體中，葉綠素失去與之結(jié)合的載體，這必然導(dǎo)致葉綠素含量降低，擬南芥cpSRP43突變體中由核基因編碼的天線蛋白含量下降達(dá)50%左右[25]。另一葉綠體信號(hào)識(shí)別顆粒蛋白cpSRP54主要參與共翻譯及翻譯后類囊體蛋白的分選，cpSRP54突變體中也是LHC組分發(fā)生變化，光保護(hù)蛋白PsbS增加，而光系統(tǒng)I/II比率降低，葉綠素含量也隨之降低[26]。

2.3 RNA 聚合酶

植物葉綠體轉(zhuǎn)錄需要2種RNA聚合酶共同協(xié)作完成，一是核基因編碼的RNA聚合酶，另一是質(zhì)體基因編碼的RNA聚合酶（PEP）[27-28]。RpoTp是核基因SCABRA3（SCA3）編碼的葉綠體RNA聚合酶，SCA3突變體中葉綠體基因rpoB、rpoC1、clpP和accD表達(dá)有所改變，這些亞基變化直接影響葉綠體蛋白的合成。玉米（Zea mays）中與PEP相關(guān)蛋白突變主要通過(guò)影響質(zhì)體 tRNAs的轉(zhuǎn)錄導(dǎo)致葉綠素含量變化[27-28]。

2.4 類囊體膜蛋白及相關(guān)蛋白突變

類囊體膜蛋白或與之相關(guān)蛋白的變化也是導(dǎo)致葉綠素含量變化的重要因素之一。葉綠體熱休克蛋白Hsp93是一個(gè)多功能的蛋白，它是ClpP蛋白酶的分子伴侶也是葉綠體內(nèi)膜易位子（TIC）的傳動(dòng)組分。Hsp93是可溶性的基質(zhì)蛋白，但其N-末端與類囊體膜相關(guān)并且參與葉綠體蛋白的輸入。擬南芥Hsp93突變體呈現(xiàn)淺綠色，轉(zhuǎn)AtHsp93V擬南芥可以恢復(fù)Hsp93突變體的葉色變淺的表型。另一分子伴侶Cpn60的功能是參與蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)以及蛋白質(zhì)的折疊作用[29]。Cpn60由6個(gè)亞基組成，包含3個(gè)α亞基和3個(gè)β亞基。OsCpn60α1是水稻葉綠體rbcL折疊的關(guān)鍵因子，oscpn60α1突變體苗期呈現(xiàn)淺綠色[30]。水稻非致死性白化苗是由于Rubisco小亞基突變引起，而rbcL無(wú)法正確折疊，Rubisco的功能一定受到影響，這也許是osCpn60α1突變導(dǎo)致葉綠素缺失的原因。

2.5 RNA編輯

RNA編輯是葉綠體中廣泛存在的現(xiàn)象，最典型的是將細(xì)胞器中C→U的轉(zhuǎn)換，通過(guò)RNA編輯方式可以調(diào)控基因的表達(dá)。在玉米中具有RNA編輯功能的細(xì)胞器RNA識(shí)別結(jié)構(gòu)域蛋白（organellar RNA recognition motif protein，ORRM）突變導(dǎo)致多個(gè)RNA位點(diǎn)無(wú)法正確編輯，葉綠素含量降低。玉米Zm-orrm1突變體中由于petB-668、ycf3-185、ycf3-44、rpoB、rpl20、rps8等位點(diǎn)不能正確編輯而導(dǎo)致PetD、PsaD、RbcL、AtpB、PsbA等含量降低，特別是PetD、PsaD含量分別不到野生型的10%和25%。PetD、PsaD及Ycf3都是與光系統(tǒng)密切相關(guān)的蛋白，這些蛋白含量的降低一定會(huì)影響葉綠素的積累[31]。

3 展望

植物葉綠素缺失突變是最為直觀的突變形式，在植物中普遍存在。雖然葉綠素缺失的表型相似，但每種突變機(jī)制各有不同，并且葉綠素與光合作用密切相關(guān)，因此研究葉綠素缺失突變機(jī)制能更好地了解光合作用機(jī)制。葉綠體是半自主性細(xì)胞器，葉綠體蛋白大多數(shù)由核基因編碼合成后輸入到葉綠體中，同時(shí)葉綠體內(nèi)還要進(jìn)行一些蛋白的合成，導(dǎo)致葉綠體內(nèi)生物過(guò)程比較復(fù)雜，影響葉綠素含量的因素也比較多。葉綠素合成過(guò)程相關(guān)酶突變是導(dǎo)致葉綠素含量降低的最直接原因，這一過(guò)程的調(diào)控蛋白也間接影響葉綠素的合成；位于類囊體膜上與葉綠素相結(jié)合的蛋白復(fù)合體如PSI、PSII以及LHCs組裝受阻也是導(dǎo)致葉綠素缺失的重要因素。還有些蛋白的變化與葉綠素并無(wú)直接關(guān)系，但也會(huì)導(dǎo)致葉綠素缺失，如分子伴侶、與RNA編輯相關(guān)的蛋白等，這對(duì)于深入研究葉綠體生理代謝過(guò)程特別是一些調(diào)控作用的研究具有重要的意義。

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（責(zé)任編輯：敬廷桃）