植物在開發(fā)新的葉綠體時(shí)使用單一的溝通途徑

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

當(dāng)一棵新植物從種子發(fā)芽并開始生長(zhǎng)其第一片葉子時(shí)，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(zhuǎn)化為能量，那賦予生命的陽光會(huì)通過產(chǎn)生有害的化學(xué)物質(zhì)(稱為活性氧物質(zhì))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(xì)胞的中央DNA中心(細(xì)胞核)之間傳遞通信信號(hào)。

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

東京大學(xué)的Masuda Tatsuru教授說：“ GUN1一直以來都是一個(gè)謎。”他是正在進(jìn)行的研究的負(fù)責(zé)人，也是最近發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的最終作者。

GUN1以前很難研究，因?yàn)楸M管植物細(xì)胞在其整個(gè)生命過程中都能產(chǎn)生更多的蛋白質(zhì)，但該蛋白質(zhì)卻在陽光下迅速降解。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，GUN1影響另一個(gè)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(shí)期，GUN1結(jié)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(gè)五邊形環(huán)構(gòu)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(duì)它們?nèi)绾卧诩?xì)胞內(nèi)移動(dòng)以及它們?cè)诼猛局兴龅氖虑橹跎佟?/p>

在一系列使用從幼葉中分離出的GUN1的實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到該蛋白質(zhì)直接與血紅素和其他四吡咯結(jié)合，從而控制了細(xì)胞的血紅素生成。

Masuda說：“我們建議GUN1與血紅素結(jié)合，阻止其從葉綠體移動(dòng)到細(xì)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(huì)降解，因此它僅釋放血紅素將信號(hào)發(fā)送至細(xì)胞核，而葉綠體則有光可將其光合作用轉(zhuǎn)化為能量。

Masuda說：“了解葉綠體是如何自然構(gòu)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(qiáng)度的光照下)進(jìn)行光合作用的方式。”

GUN1是一組六個(gè)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(duì)所有GUN蛋白進(jìn)行了表征，從而可以更詳細(xì)地了解四吡咯如何促進(jìn)葉綠體與細(xì)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(jié)合的位置，并繼續(xù)追蹤血紅素在細(xì)胞周圍的轉(zhuǎn)運(yùn)。”