植物在開發(fā)新的葉綠體時使用單一的溝通途徑

日本和英國的研究人員發(fā)現(xiàn)了嫩葉如何構建其第一批葉綠體(植物細胞的能量工廠)的新細節(jié)。研究人員確定了這種蛋白質的新作用，這種蛋白質于25年前首次被發(fā)現(xiàn)，但直到現(xiàn)在仍未表征。

當一棵新植物從種子發(fā)芽并開始生長其第一片葉子時，它就在生存的過程中建立了葉綠體。如果沒有葉綠體將陽光轉化為能量，那賦予生命的陽光會通過產(chǎn)生有害的化學物質(稱為活性氧物質)而使植物從內(nèi)而外燃燒。建立葉綠體需要在發(fā)育中的葉綠體和植物細胞的中央DNA中心(細胞核)之間傳遞通信信號。

研究人員表征的蛋白質 GUN1在葉綠體和細胞核之間的這種交流中起著重要作用，但其作用的細節(jié)尚不清楚。

東京大學的Masuda Tatsuru教授說：“ GUN1一直以來都是一個謎。”他是正在進行的研究的負責人，也是最近發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上的最終作者。

GUN1以前很難研究，因為盡管植物細胞在其整個生命過程中都能產(chǎn)生更多的蛋白質，但該蛋白質卻在陽光下迅速降解。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，GUN1影響另一個擬議的通信分子的產(chǎn)生和釋放。

在葉片發(fā)育的第一天和沒有陽光的時期，GUN1結合一種含鐵的分子，該分子最近由替代或基于植物的“肉類”工業(yè)而聞名：植物血紅素。

植物血紅素是一類稱為四吡咯的化合物的一部分，四吡咯是由四個五邊形環(huán)構成的大分子，這些五邊形環(huán)將中心的金屬原子拴在一起，例如鐵(血紅素)或鎂(葉綠素)。四吡咯是大多數(shù)生物體內(nèi)生命必不可少的古老分子。盡管研究人員了解四吡咯是如何形成的，但對它們?nèi)绾卧诩毎麅?nèi)移動以及它們在旅途中所做的事情知之甚少。

在一系列使用從幼葉中分離出的GUN1的實驗中，研究人員觀察到該蛋白質直接與血紅素和其他四吡咯結合，從而控制了細胞的血紅素生成。

Masuda說：“我們建議GUN1與血紅素結合，阻止其從葉綠體移動到細胞核，這可能有助于確保葉綠體有效發(fā)育。”

由于GUN1在存在陽光的情況下會降解，因此它僅釋放血紅素將信號發(fā)送至細胞核，而葉綠體則有光可將其光合作用轉化為能量。

Masuda說：“了解葉綠體是如何自然構建的，也許有一天可以使我們潛在地操縱植物在不利條件下(例如在非常高或非常低強度的光照下)進行光合作用的方式。”

GUN1是一組六個基因突變的一部分，這些突變均影響葉綠體和核基因組之間的通訊方式。其他GUN蛋白也與其他類型的四吡咯分子相互作用。研究人員希望，現(xiàn)在已經(jīng)對所有GUN蛋白進行了表征，從而可以更詳細地了解四吡咯如何促進葉綠體與細胞核之間的通訊。

Masuda說：“我們的下一步將是精確定位GUN1沿蛋白與血紅素或其他四吡咯結合的位置，并繼續(xù)追蹤血紅素在細胞周圍的轉運。”