6月11日，我校生命科學(xué)學(xué)院王宏斌教授課題組與上海師范大學(xué)彭連偉教授課題組聯(lián)合在PNAS期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“LOW PHOTOSYNTHETIC EFFICIENCY 1 is required for light-regulated photosystem II biogenesis in Arabidopsis”的研究論文，闡釋了光如何控制D1的合成并調(diào)控光系統(tǒng)II的生物發(fā)生。我校生命科學(xué)學(xué)院特聘研究員靳紅磊、博士生符梅和上海師范大學(xué)彭連偉教授課題組的博士生段志坤為共同第一作者，我校生命科學(xué)學(xué)院王宏斌教授為通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、面上項(xiàng)目，以及農(nóng)業(yè)部轉(zhuǎn)基因?qū)ｍ?xiàng)等的資助。
光合作用是地球上最重要的生化反應(yīng)，通過(guò)利用太陽(yáng)光能將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣。植物葉綠體中的光系統(tǒng)II（PSII）對(duì)于光合作用至關(guān)重要，通過(guò)捕獲光能完成水的光解和質(zhì)體醌的還原。PSII是一個(gè)由多蛋白亞基和色素分子共同組成的超級(jí)大分子復(fù)合物，目前對(duì)于PSII組成及結(jié)構(gòu)的了解不斷深入，但其生物發(fā)生的調(diào)控機(jī)制卻知之甚少。值得注意的是，D1作為PSII的光反應(yīng)中心蛋白，決定了PSII的生物發(fā)生與功能維持，而不斷變化的自然環(huán)境會(huì)導(dǎo)致D1呈現(xiàn)高度不穩(wěn)定性。因此，植物需要有效控制D1的合成，但其精細(xì)調(diào)控機(jī)理并不清楚。
LPE1介導(dǎo)光調(diào)控的PSII生物發(fā)生調(diào)控模式圖
通過(guò)系統(tǒng)篩查，研究人員鑒定到一個(gè)高等植物特有的PSII生物發(fā)生調(diào)控因子——LPE1（LOW PHOTOSYNTHETIC EFFICIENCY 1）。通過(guò)生理學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)和遺傳學(xué)等手段研究發(fā)現(xiàn)，LPE1基因突變導(dǎo)致PSII活性劇烈降低，PSII生物發(fā)生嚴(yán)重受阻；同時(shí)光PSII核心蛋白D1的合成明顯受損。值得注意的是，LPE1編碼一個(gè)葉綠體PPR蛋白，直接與D1編碼基因psbA mRNA的5'UTR結(jié)合，從而招募核糖體并啟動(dòng)D1蛋白的翻譯。更重要的是，LPE1同時(shí)與已知的D1翻譯因子HCF173（HIGH CHLOROPHYLL FLUORESCENCE 173）互作，促使HCF173與psbA mRNA結(jié)合，協(xié)同參與調(diào)控PSII生物發(fā)生。
更有趣的是，該研究發(fā)現(xiàn)光可以誘導(dǎo)D1蛋白的表達(dá)，并且主要在翻譯水平實(shí)現(xiàn)控制。光誘導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，光可以促進(jìn)LPE1與psbA mRNA的5'UTR結(jié)合。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，光可能通過(guò)改變?nèi)~綠體中的氧化還原狀態(tài)，調(diào)節(jié)LPE1的分子內(nèi)二硫鍵及蛋白結(jié)構(gòu)，從而影響其與psbA mRNA的結(jié)合活性。
該工作首次鑒定到高等植物中D1翻譯調(diào)控過(guò)程中psbA mRNA的直接結(jié)合因子，揭示了PSII生物發(fā)生的光調(diào)控機(jī)制，對(duì)于理解植物光合作用與生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)控機(jī)理具有重要的理論價(jià)值。
論文鏈接：http://www.pnas.org/content/early/2018/06/07/1807364115
