連接葉綠體和植物細胞死亡的新的易位子相關組分研究

　　3月11日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心上海植物逆境生物學研究中心研究員Chanhong Kim研究組等完成的題為TIC236 gain-of-function mutations unveil the link between plastid division and plastid protein import的研究論文，在線發表在PNAS上。該研究揭示了一種新的葉綠體外膜易位子相關組分CRUMPLED LEAF（CRL）。CRL的缺失被證明會干擾擬南芥的質體分裂并誘導自發性免疫反應，即光依賴的局部性細胞死亡（Li et al., 2020；Wang et al., 2020）。

　　發育中的細胞通過質體分裂來確保在細胞分裂之前產生適宜數量的質體，該過程需要將一系列質體分裂有關蛋白（plastid-division machinery proteins，PDM proteins）轉運到葉綠體中。任何重要的PDM有關組分的缺失均會造成巨型葉綠體產生，以及每個細胞中葉綠體數量的大量減少。包括crl在內的幾個質體分裂缺陷的擬南芥突變體均發生了葉片部位的點狀細胞死亡（Li et al., 2020），類似病變模擬突變體（lesion mimic mutants，LMM）表現出的光依賴性超敏反應樣（hypersensitive response-like）細胞死亡的表型。crl突變體的巨型葉綠體還誘導細胞周期的異常以及核內復制（endoreduplication）活性的增強，從而導致植物體生長受阻（Hudik et al., 2014）。

　　CRL是一個細胞核編碼的葉綠體外膜蛋白。此蛋白較短的N末端位于葉綠體內外膜間隙，隨后是一個跨膜結構域，其較長的C端含有一個位于細胞質中的色素分子裂合酶（lyase）CpcT/CpeT結構域，此結構域與藍細菌中T型裂合酶同源。盡管CRL的裂合酶結構域保留了與藻藍膽素（phycocyanobilin，PCB）結合的能力，但在擬南芥中，藻藍膽素結合能力與crl誘導的細胞死亡表型之間沒有明顯相關性（Wang et al., 2020），這表明高等植物中的CRL蛋白已發展出不同的功能。

　　在正向遺傳篩選中，研究發現了三個crl突變體的抑制子（suppressor of crl，spcrl）。鑒定發現，三個抑制子皆在TIC236基因上產生了顯性的功能獲得型（gain-of-function，GF）突變。該基因編碼的TIC236蛋白是葉綠體易位子復合體的重要組分（Chen et al., 2018）。這些突變顯著增加了PDM組分向葉綠體內部的轉運，并完全回復了crl突變體的表型。crl和tic236基因敲減突變體均表現出有缺陷的質體分裂表型，且CRL和TIC236在易位子復合體中相互作用，這表明CRL-TIC236模塊對質體分裂至關重要。與crl的質體分裂缺陷表型一致，CRL蛋白能夠與重要的質體分裂蛋白的轉運肽（transit peptides）相互作用，而tic236-gf突變通過增加TIC236蛋白的穩定性增強了這些PDM組分的轉運。研究通過反向遺傳分析進一步揭示了CRL和SP1（一種RING型泛素E3連接酶）以及與質體蛋白酶FTSH11之間的遺傳相互作用，這兩種酶分別在TOC（葉綠體外膜易位子）和TIC蛋白（葉綠體內膜易位子）的周轉（turnover）中發揮作用（Ling et al., 2019；Adam et al., 2019）。由于易位子蛋白水平增加，SP1或FTSH11的缺失在不同程度上回復了crl突變體的表型。

　　研究表明，CRL是一個轉運易位子相關組分，其缺失會阻礙質體的分裂；正如在crl突變體中觀察到的一樣，敲減TIC236會導致植物體的多種病變表型和質體分裂缺陷；CRL和TIC236可能在膜間隙相互作用，這與TIC236-GF突變回復crl表型一致；增加轉運易位子豐度的三種途徑，包括SP1或FTSH11的敲除，以及功能獲得型TIC236突變，皆可回復crl突變體的質體分裂異常和細胞死亡的表型；TIC236-GF突變可能為改造易位子以提高葉綠體蛋白轉運效率提供新策略。

　　研究工作得到中科院和國家自然科學基金的支持。

TIC236功能獲得型突變位點在spcrl抑制子突變體中的鑒定。A、crl抑制子突變體spcrl1、spcrl2和spcrl3的宏觀及微觀表型。上圖：有代表性的在土壤中生長的21日齡植物圖像（比例尺：1 cm）；中圖：共聚焦顯微鏡圖像顯示葉肉細胞中的葉綠素自發熒光信號；下圖：10日齡的擬南芥子葉細胞死亡表型，經臺盼藍染色（trypan blue, TB）后的圖像（比例尺：0.5 mm）。B、全基因組測序揭示了導致表型回復的錯義突變都發生在編碼TIC236蛋白的單個遺傳位點上，如紅色星號所示。