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Plant Cell | 中科院植物逆境中心揭示细胞核/叶绿体双定位蛋白调节植物细胞死亡的新机制

花匠小妙招
2025-10-16 20:58

叶绿体植物体内重要的细胞器，也是光合作用的主要场所。近年来的研究发现，叶绿体的作用不仅在光合作用方面有重要作用，同时，也作为生物感受器，感知外界环境中的胁迫信号，调节植物对逆境环境的适应性。许多胁迫信号分子如活性氧、水杨酸等在叶绿体内产生，这些信号分子可以通过叶绿体到细胞核的逆行信号通路，调节细胞核基因的表达。叶绿体是由古蓝细菌通过内共生过程，逐渐演化成植物细胞里的细胞器。因此，叶绿体中仍包含有少量的基因组，用于合成光合作用相关的蛋白。叶绿体中总蛋白数量超过4000个，其中有95%以上由细胞核基因编码合成。因此，协调细胞核基因和叶绿体基因的表达，对于组装叶绿体，维持叶绿体完整性和活性有重要作用。

近日，The Plant Cell 在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所上海植物逆境生物学研究中心 Chanhong Kim 研究组题为 Uncoupled Expression of Nuclear and Plastid Photosynthesis-associated Genes Contributes to Cell Death in a Lesion Mimic Mutant 的研究论文。该研究首次报道了细胞核/叶绿体双定位蛋白SIB1同步调节细胞核和叶绿体编码的光合作用相关蛋白来调控植物细胞死亡的新机制。

过去几年的研究，发现在叶绿体中许多信号分子可以影响细胞核基因的表达。但是这些信号分子如何将叶绿体信号传递到细胞核还不清楚。拟南芥 LSD1 (lesion simulating disease 1) 蛋白定位于细胞质和细胞核，被认为是叶绿体和细胞核之间信号传递的媒介。拟南芥lsd1 突变体会产生严重的细胞死亡，并且这种细胞死亡受到光的调控。LSD1 通过调节活性氧和水杨酸之间的正反馈循环从而控制植物的细胞死亡以及防御反应。

在本项研究中，通过转录组分析，科研人员发现 lsd1 植株在产生细胞死亡前，与光合作用相关的细胞核基因的表达显著上升，通过代谢组分析发现植物水杨酸也会升高。水杨酸诱导 SIB1 基因高度表达。SIB1 编码一个细胞核和细胞质双向定位的蛋白。通过免疫共沉淀和质谱分析发现，SIB1 蛋白在细胞核中结合转录因子 GLK1/2, 上调与光合作用相关的基因的表达。将 SIB1 基因突变以后，lsd1 植株的细胞死亡的表型得以明显缓解。然而，在 lsd1 突变体中，由于光合作用相关的细胞核基因表达上调，打乱了光系统II中的光合作用蛋白稳态从而导致大量单线氧产生。单线氧通过激发叶绿体到细胞核的逆行信号引起 lsd1 突变体的细胞死亡。可以说，这些过量积累的单线氧正是造成 lsd1 突变体细胞程序性死亡的元凶。若将 lsd1 突变体中的单线氧感应蛋白 EXECUTER1 基因突变，lsd1 突变体的细胞死亡就得到缓解。这些结果揭示了从水杨酸到单线氧的信号传导通路通过改变光合作用相关蛋白的表达调控细胞死亡的新机制。