葉綠素對光合作用至關(guān)重要，其能吸收光能，將電子送入光合電子傳遞鏈，并在反應(yīng)中心驅(qū)動電荷分離反應(yīng)。鎂螯合酶催化Mg2+插入到原卟啉IX中是葉綠素生物合成的第一步。鎂螯合酶由鎂螯合酶I亞基（CHLI）、鎂螯合酶D亞基（CHLD）和鎂螯合酶H亞基（CHLH）三個亞基組成。在催化過程中，I亞基和D亞基首先各自形成六聚體，然后形成I-D復合物與H亞基結(jié)合完成催化功能。在此過程中，H亞基負責與卟啉和Mg2+結(jié)合完成催化，D亞基負責維持亞基間的穩(wěn)定性，而I亞基本質(zhì)是ATP酶，主要負責ATP的水解。以往對CHLI的研究主要集中在少數(shù)模式物種上，對其關(guān)鍵位點及在其他物種中的功能，尚不明確。
近日，西北農(nóng)林科技大學園藝學院馮嘉玥課題組在Plant Physiology在線發(fā)表了題為“A point mutation in the gene encoding Mg-chelatase subunit I influences strawberry leaf color and metabolism ”的研究論文。該研究報道了草莓CHLI基因第186位氨基酸的突變能引起草莓葉色變異，葉綠素合成受阻，減弱CHLI與其自身的相互作用，進而引起鎂螯合酶和ATP酶活性的降低。此外，CHLI亞基的突變，增強了草莓耐弱光性。在弱光下，雜合突變體葉綠體發(fā)育正常，葉綠素合成增加，光合能力增強。
該課題組從前期建立的五葉草莓突變體庫中發(fā)現(xiàn)一株葉片黃化的突變體p240。該突變體在正常光強或高光強下，葉綠體發(fā)育受損，葉片色素合成降低，而在弱光下，其葉綠素積累及光合能力均增強。通過對正常光照條件下p240和野生型（WT）葉片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析及SNPs篩選，結(jié)合p240葉片瞬時轉(zhuǎn)化回補試驗，發(fā)現(xiàn)葉綠素合成基因鎂螯合酶I亞基（CHLI）的第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼釋е聀240葉片黃化。
進一步通過基因沉默和基因編輯技術(shù)獲得了以森林草莓‘Ruegen’為背景的轉(zhuǎn)基因植株，在沉默株系和基因編輯雜合體中均觀察到與p240一致的表型，而利用基因編輯技術(shù)獲得的CHLI第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼岬募兒贤蛔凅w則表現(xiàn)為葉片白化。因此第186位谷氨酸對草莓葉片葉綠素的合成至關(guān)重要。對CHLI的蛋白結(jié)構(gòu)預測顯示第186位谷基酸的突變減弱了其與鄰近氨基酸的作用力。酵母雙雜交和雙分子熒光互補試驗證明第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼岵挥绊慍HLI與CHLD的互作，但減弱了CHLI與其自身的相互作用，進而引起ATP酶和鎂螯合酶活性的降低，最后導致草莓葉片白化或黃化。
基因編輯雜合株系與p240雜合子的表型一致，表現(xiàn)出一定的耐弱光性，在弱光下，編輯株系葉綠體發(fā)育正常，葉綠素含量增加，光合能力高于野生型。對正常光照條件下編輯株系和野生型的葉片代謝物分析表明，CHLI編輯株系中氨基酸含量增加，碳代謝終產(chǎn)物類黃酮含量降低，黃化植株由于在正常光照強度下葉綠體發(fā)育受損降低了光合能力，打破了碳氮代謝平衡，增強了氮代謝，減弱了碳代謝。
綜上，該研究表明，CHLI第186位谷氨酸通過調(diào)控CHLI自身的互作對葉綠素的合成起關(guān)鍵作用，突變該位點可增強草莓的耐弱光性。研究結(jié)果為研究CHLI在園藝植物葉綠素合成及調(diào)控中的作用提供了重要依據(jù)，同時也為設(shè)施草莓耐弱光種質(zhì)的培育提供了候選基因。
園藝學院在讀博士研究生馬陽陽為論文第一作者，馮嘉玥副教授為通訊作者。園藝學院文穎強教授、龔春梅教授及佛羅里達大學Kevin M. Folta教授、中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所周厚成研究員等參與了該研究工作。該研究得到了陜西省農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新與推廣聯(lián)盟重大科技項目（LMZD202102）、西安市農(nóng)業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目（22NYGG0006）、中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程專項經(jīng)費項目（CAAS-ASTIP-2022-ZFRI）和西北農(nóng)林科技大學試驗示范站（基地）科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化項目（TGZX2021-20）等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad247
日期：2023-08-10
近日，西北農(nóng)林科技大學園藝學院馮嘉玥課題組在Plant Physiology在線發(fā)表了題為“A point mutation in the gene encoding Mg-chelatase subunit I influences strawberry leaf color and metabolism ”的研究論文。該研究報道了草莓CHLI基因第186位氨基酸的突變能引起草莓葉色變異，葉綠素合成受阻，減弱CHLI與其自身的相互作用，進而引起鎂螯合酶和ATP酶活性的降低。此外，CHLI亞基的突變，增強了草莓耐弱光性。在弱光下，雜合突變體葉綠體發(fā)育正常，葉綠素合成增加，光合能力增強。
該課題組從前期建立的五葉草莓突變體庫中發(fā)現(xiàn)一株葉片黃化的突變體p240。該突變體在正常光強或高光強下，葉綠體發(fā)育受損，葉片色素合成降低，而在弱光下，其葉綠素積累及光合能力均增強。通過對正常光照條件下p240和野生型（WT）葉片轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析及SNPs篩選，結(jié)合p240葉片瞬時轉(zhuǎn)化回補試驗，發(fā)現(xiàn)葉綠素合成基因鎂螯合酶I亞基（CHLI）的第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼釋е聀240葉片黃化。
進一步通過基因沉默和基因編輯技術(shù)獲得了以森林草莓‘Ruegen’為背景的轉(zhuǎn)基因植株，在沉默株系和基因編輯雜合體中均觀察到與p240一致的表型，而利用基因編輯技術(shù)獲得的CHLI第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼岬募兒贤蛔凅w則表現(xiàn)為葉片白化。因此第186位谷氨酸對草莓葉片葉綠素的合成至關(guān)重要。對CHLI的蛋白結(jié)構(gòu)預測顯示第186位谷基酸的突變減弱了其與鄰近氨基酸的作用力。酵母雙雜交和雙分子熒光互補試驗證明第186位谷氨酸突變?yōu)橘嚢彼岵挥绊慍HLI與CHLD的互作，但減弱了CHLI與其自身的相互作用，進而引起ATP酶和鎂螯合酶活性的降低，最后導致草莓葉片白化或黃化。
基因編輯雜合株系與p240雜合子的表型一致，表現(xiàn)出一定的耐弱光性，在弱光下，編輯株系葉綠體發(fā)育正常，葉綠素含量增加，光合能力高于野生型。對正常光照條件下編輯株系和野生型的葉片代謝物分析表明，CHLI編輯株系中氨基酸含量增加，碳代謝終產(chǎn)物類黃酮含量降低，黃化植株由于在正常光照強度下葉綠體發(fā)育受損降低了光合能力，打破了碳氮代謝平衡，增強了氮代謝，減弱了碳代謝。
綜上，該研究表明，CHLI第186位谷氨酸通過調(diào)控CHLI自身的互作對葉綠素的合成起關(guān)鍵作用，突變該位點可增強草莓的耐弱光性。研究結(jié)果為研究CHLI在園藝植物葉綠素合成及調(diào)控中的作用提供了重要依據(jù)，同時也為設(shè)施草莓耐弱光種質(zhì)的培育提供了候選基因。
園藝學院在讀博士研究生馬陽陽為論文第一作者，馮嘉玥副教授為通訊作者。園藝學院文穎強教授、龔春梅教授及佛羅里達大學Kevin M. Folta教授、中國農(nóng)業(yè)科學院鄭州果樹研究所周厚成研究員等參與了該研究工作。該研究得到了陜西省農(nóng)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新與推廣聯(lián)盟重大科技項目（LMZD202102）、西安市農(nóng)業(yè)重點產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目（22NYGG0006）、中國農(nóng)業(yè)科學院科技創(chuàng)新工程專項經(jīng)費項目（CAAS-ASTIP-2022-ZFRI）和西北農(nóng)林科技大學試驗示范站（基地）科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化項目（TGZX2021-20）等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad247
日期：2023-08-10
