Cell | 广州中医药大学王宏斌/靳红磊团队揭示低温环境叶绿体平衡能量产生与胁迫防御的分子机制|介导|叶绿体|王宏斌|细胞|蛋白|靳红磊

9月18日，广州中医药大学中药学院药用植物生理生态研究所王宏斌/靳红磊团队在Cell期刊发表了题为Chloroplasts balance energy production and stress resilience via a cold-induced signaling pathway的研究论文，揭示了低温环境中植物叶绿体平衡能量生产与胁迫防御的分子机制。

叶绿体是绿色植物和藻类等真核自养生物细胞中特有的细胞器。叶绿体不仅是光合作用和物质代谢的重要场所，同时也是环境应答的重要感受器。叶绿体可以将环境胁迫信号与光合作用、物质代谢、有机物储存等重要生物学过程高度偶联，是植物系统性应答环境胁迫的中枢。温度是自然界中最为重要的环境因子之一，极端环境温度会降低光合作用效率，并影响植物生长发育。研究发现，低温会抑制光合作用效率。然而，长期以来，植物叶绿体如何感知和应答低温并不清楚。

针对这一重要科学问题，研究团队采用正向遗传学策略开展了模式植物拟南芥突变体的大规模筛选。研究团队鉴定到两个低温条件下光合作用的负调控因子——RAF3和RAF6。低温条件下，与野生型相比，raf3和raf6突变体表现出显著提高的光合作用效率。RAF3和RAF6编码两个B3 型RAF类蛋白激酶。正常条件下，RAF3主要定位于细胞质；RAF6主要定位于质膜。有趣的是，低温处理后，它们均穿梭至叶绿体中并形成双蛋白激酶模块。进一步研究发现，分子伴侣蛋白HSP70-1介导RAF3/6的叶绿体转运。进入叶绿体后，RAF3/6与光系统II核心蛋白D1和捕光天线蛋白LHCB1等结合并催化其磷酸化；磷酸化后的光系统II蛋白从类囊体基粒侧向基质侧迁移进而发生降解，最终抑制了光合作用效率。

图1. RAF3/6抑制叶绿体光合作用

考虑到叶绿体作为环境胁迫应答枢纽，可以通过逆行信号调控细胞核基因表达，那么RAF3/6介导的光合抑制是否会影响细胞核基因表达？RNA-seq分析发现，RAF3和RAF6缺失降低细胞核低温防御相关基因的表达。研究发现，在低温条件下，RAF3/6能够磷酸化叶绿体—细胞核穿梭蛋白WHY1，促使WHY1从叶绿体向细胞核转移，并激活CBF、CAMTA等低温防御相关基因表达，从而适应低温环境。基于此，本研究提出了一个低温感知和应答的“两阶转导模型”：第一阶段，低温诱导RAF3/6进入叶绿体，重塑叶绿体光合系统，抑制光合作用；第二阶段，RAF3/6通过WHY1介导的级联调控将叶绿体状态传递至细胞核，激活低温防御基因表达和防御反应。因此，RAF3/6在叶绿体中扮演双重角色，在踩光合“刹车”的同时，还能够踩防御“油门”。

图2. RAF3/6激活细胞核低温防御反应

在长期进化中，植物温度适应相关基因的遗传变异与地理纬度呈现较强的相关性。为了分析RAF3/6是否包含纬度相关遗传变异，研究团队对1001种全球不同纬度拟南芥生态型群体中的RAF3/6进行了遗传变异分析。结果发现，RAF6包含一个与地理纬度显著相关的单核苷酸多态性（SNP）变异位点。该变异能够改变RAF6与分子伴侣蛋白HSP70-1的相互作用，进而影响其低温条件下的叶绿体转运和低温适应性。高纬度地区RAF6基因型编码的蛋白（RNF6132D）可以顺利输入叶绿体，而低纬度地区RAF6基因型编码的蛋白（RNF6132N）则无法进入叶绿体。然而，RAF3没有发现明显的纬度相关的SNP位点。这提示，RAF3可能介导一种“保障型”低温适应的机制，而RAF6则介导一种进化过程中的“增强型”的低温适应机制。

图3. RAF6包含纬度相关的温度适应遗传变异位点

综上所述，该研究首次发现了低温信号由细胞表面和细胞质向叶绿体转导的传递介质，提出了由蛋白磷酸化介导的植物能量生产和防御反应的平衡模型，阐释了植物主动降低光合作用和生长发育来增强低温防御的生存智慧，为理解植物环境适应机制提供了新视角。值得关注的是， RAF3/6在植物中具有较高的保守性，这为植物低温适应性的遗传改良提供重要基因资源和方法策略。

4. RAF3/6介导的叶绿体能量产生及胁迫防御平衡模型

广州中医药大学为本论文的第一作者单位和唯一通讯作者单位，青年骨干教师段素娟博士为第一作者，靳红磊教授和王宏斌教授为共同通讯作者。中山大学王金发教授和崖州湾国家实验室王海洋教授参与了本研究。本研究得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金、区域创新发展联合基金重点项目以及广州中医药大学“造尖工程”等项目的资助。广州中医药大学岭南中药资源教育部重点实验室、中医证候全国重点实验室、科技创新中心等平台对本研究提供了重要支撑。

广州中医药大学药用植物生理生态所研究团队长期从事植物环境调控相关研究，近年来在“叶绿体环境胁迫应答机制”方面取得了系列原创性研究成果：阐释了叶绿体光系统稳态维持及损伤修复的自我保护机理，揭示了叶绿体—细胞核信号反馈及功能协调的协同应答机制，建立了环境胁迫信号“细胞表面感知—叶绿体信号转导—细胞核防御反应”的全信号传递路径；并将相关的环境应答机制应用在了药用植物品质改良中。相关研究发表在Cell、PNAS、Molecular Plant、Plant Cell、Nature Communications、Cell Reports、Plant Biotechnology Journal等国际期刊。