郭房庆研究组发现植物三个光合作用复合体协同生成及稳定性维持新机制

      5月10日，国际学术期刊自然出版集团伙伴杂志《Cell Discovery》在线发表了中科院上海生命科学研究院植物生理生态所郭房庆研究组的研究论文“PBR1 selectively controls biogenesis of photosynthetic complexes by modulating translation of the large chloroplast gene Ycf1 in Arabidopsis”。该研究发现高等植物核基因组编码的RNA结合蛋白PBR1，通过调控叶绿体基因组巨大编码基因Ycf1在叶绿体中的翻译效率，进而调节三个光合作用复合体（Photosystem I, cytochrome b6f and NADH dehydrogenase complexes）的协同生成及稳定性的维持。植物光合作用过程极为复杂，作为地球上最大规模利用太阳能将二氧化碳和水同化为有机化合物的途径，是地球上绝大部分生命体所需能量和氧气的来源。上述三个复合体在植物光合作用中与光系统II（PSII）及ATP合酶等复合体相互配合，在光能转换、电子传递及还原力生成等一系列复杂生理生化反应中发挥决定性作用。上述的研究进展揭示高等植物多个光合复合体的生成过程不是孤立进行的，而是存在选择性协同调控机制。

      叶绿体作为半自主性的细胞器，其光合复合体亚基分别由叶绿体基因组和核基因组编码。因此，探索两个基因组之间交流、对话和协调的分子机制，成为植物光合复合体生成及稳定性维持研究领域一个持续的热点科学问题。继该研究组RNA结合蛋白RPS1（Yu et al., 2012）的工作后，为了继续探究上述科学问题，博士生杨小飞等研究团队成员在郭房庆研究员的指导下，开展了相关RNA结合蛋白的功能鉴定工作。研究发现RNA结合蛋白编码基因PBR1敲减（knockdown）选择性地影响三大光合复合体Photosystem I、 cytochrome b6f 和NADH dehydrogenase的蛋白丰度，抑制光合反应中心的光化学反应效率及电子传递过程；在进一步的深入研究中，通过蛋白组和分子标记技术，对野生型、突变体和两个PBR1过表达株系的叶绿体差异表达蛋白进行了高通量的质谱鉴定和比对分析，确定叶绿体基因组巨大基因Ycf1所编码蛋白的翻译效率受PBR1调控。后续系列生化和分子生物学试验证据表明，PBR1表达量下调导致Ycf1 mRNA与叶绿体核糖体的结合效率显著降低，进而造成Ycf1蛋白翻译效率的下降。进一步的遗传互补验证也表明，PBR1通过调节Ycf1的翻译效率，进而调控三个光合作用复合体的协同生成及稳定性的维持。这其中，蛋白互做验证结果支持Ycf1通过其CC1结构域与光合复合体亚基结合，在三个光合作用复合体生成组装过程中可能扮演脚手架(scaffold)或“底盘”（platform）的功能。PBR1-Ycf1调控模型的建立，为人们深入了解细胞核编码调控因子选择性调节叶绿体光合复合体生成和稳定性维持机制开启了一个新的窗口。博士生王玉婷、陈思婷、李记开和沈洪涛等参加了论文的部分研究工作。研究工作中得到了中科院上海生命科学研究院植物生理生态所米华玲研究员、黄继荣研究员和计算生物所朱新广研究员等的支持和帮助。

      该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委员会和中国科学院等项目的资助。

      文章链接：http://www.nature.com/articles/celldisc20163