葉綠素對光合作用至關(guān)重要,其能吸收光能,將電子送入光合電子傳遞鏈,并在反應(yīng)中心驅(qū)動電荷分離反應(yīng)。鎂螯合酶催化Mg2+插入到原卟啉IX中是葉綠素生物合成的第一步。鎂螯合酶由鎂螯合酶I亞基(CHLI)、鎂螯合酶D亞基(CHLD)和鎂螯合酶H亞基(CHLH)三個亞基組成。在催化過程中,I亞基和D亞基首先各自形成六聚體,然后形成I-D復(fù)合物與H亞基結(jié)合完成催化功能。在此過程中,H亞基負(fù)責(zé)與卟啉和Mg2+結(jié)合完成催化,D亞基負(fù)責(zé)維持亞基間的穩(wěn)定性,而I亞基本質(zhì)是ATP酶,主要負(fù)責(zé)ATP的水解。以往對CHLI的研究主要集中在少數(shù)模式物種上,對其關(guān)鍵位點(diǎn)及在其他物種中的功能,尚不明確。
近日,西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院馮嘉玥課題組在Plant Physiology在線發(fā)表了題為“A point mutation in the gene encoding Mg-chelatase subunit I influences strawberry leaf color and metabolism ”的研究論文。該研究報道了草莓CHLI基因第186位氨基酸的突變能引起草莓葉色變異,葉綠素合成受阻,減弱CHLI與其自身的相互作用,進(jìn)而引起鎂螯合酶和ATP酶活性的降低。此外,CHLI亞基的突變,增強(qiáng)了草莓耐弱光性。在弱光下,雜合突變體葉綠體發(fā)育正常,葉綠素合成增加,光合能力增強(qiáng)。
該課題組從前期建立的五葉草莓突變體庫中發(fā)現(xiàn)一株葉片黃化的突變體p240。該突變體在正常光強(qiáng)或高光強(qiáng)下,葉綠體發(fā)育受損,葉片色素合成降低,而在弱光下,其葉綠素積累及光合能力均增強(qiáng)。通過對正常光照條件下p240和野生型(WT)葉片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析及SNPs篩選,結(jié)合p240葉片瞬時轉(zhuǎn)化回補(bǔ)試驗,發(fā)現(xiàn)葉綠素合成基因鎂螯合酶I亞基(CHLI)的第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼釋?dǎo)致p240葉片黃化。
進(jìn)一步通過基因沉默和基因編輯技術(shù)獲得了以森林草莓‘Ruegen’為背景的轉(zhuǎn)基因植株,在沉默株系和基因編輯雜合體中均觀察到與p240一致的表型,而利用基因編輯技術(shù)獲得的CHLI第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼岬募兒贤蛔凅w則表現(xiàn)為葉片白化。因此第186位谷氨酸對草莓葉片葉綠素的合成至關(guān)重要。對CHLI的蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測顯示第186位谷基酸的突變減弱了其與鄰近氨基酸的作用力。酵母雙雜交和雙分子熒光互補(bǔ)試驗證明第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼岵挥绊慍HLI與CHLD的互作,但減弱了CHLI與其自身的相互作用,進(jìn)而引起ATP酶和鎂螯合酶活性的降低,最后導(dǎo)致草莓葉片白化或黃化。
基因編輯雜合株系與p240雜合子的表型一致,表現(xiàn)出一定的耐弱光性,在弱光下,編輯株系葉綠體發(fā)育正常,葉綠素含量增加,光合能力高于野生型。對正常光照條件下編輯株系和野生型的葉片代謝物分析表明,CHLI編輯株系中氨基酸含量增加,碳代謝終產(chǎn)物類黃酮含量降低,黃化植株由于在正常光照強(qiáng)度下葉綠體發(fā)育受損降低了光合能力,打破了碳氮代謝平衡,增強(qiáng)了氮代謝,減弱了碳代謝。
綜上,該研究表明,CHLI第186位谷氨酸通過調(diào)控CHLI自身的互作對葉綠素的合成起關(guān)鍵作用,突變該位點(diǎn)可增強(qiáng)草莓的耐弱光性。研究結(jié)果為研究CHLI在園藝植物葉綠素合成及調(diào)控中的作用提供了重要依據(jù),同時也為設(shè)施草莓耐弱光種質(zhì)的培育提供了候選基因。
園藝學(xué)院在讀博士研究生馬陽陽為論文第一作者,馮嘉玥副教授為通訊作者。園藝學(xué)院文穎強(qiáng)教授、龔春梅教授及佛羅里達(dá)大學(xué)Kevin M. Folta教授、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所周厚成研究員等參與了該研究工作。該研究得到了陜西省農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新與推廣聯(lián)盟重大科技項目(LMZD202102)、西安市農(nóng)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目(22NYGG0006)、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程專項經(jīng)費(fèi)項目(CAAS-ASTIP-2022-ZFRI)和西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗示范站(基地)科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化項目(TGZX2021-20)等項目的支持。
論文鏈接:https://doi.org/10.1093/plphys/kiad247