绿色不容易

2011年5月24日

做绿色不容易

索尔克科学家们对光合作用的调控机制有了更深入的了解

2011年5月24日

加利福尼亚州拉霍亚—你春天花园里发芽的种子可能还在努力地向阳光生长。如果是这样，它们正在消耗种子内部有限的能量包。一旦这些资源耗尽，植物细胞核就必须准备好开启“绿色”的光合作用程序。索尔克生物研究所的研究人员最近展示了一种新的信号传递方式。.

发表于2011年5月24日《杂志》期刊上的一项研究 当代生物学, 一个由…领导的团队 乔安·乔里, 博士，植物分子与细胞生物学实验室教授兼主任，以及包括博士后研究员 Jesse Woodson 博士和 Juan Perez-Ruiz 博士在内的团队，鉴定出一种由植物叶绿体发出的信号因子，它可以开启与光合作用相关的基因。他们的发现可能有助于提高作物产量和改善植物健康。.

“当幼苗开始光合作用的生活方式时，它需要在细胞核中激活数千个基因，”Chory 说，他还是霍华德·休斯医学研究所的研究员，并担任霍华德·H·和玛丽亚姆·R·纽曼植物生物学主席。“其中一个信号就来自于负责光合作用的细胞器，称为叶绿体。在这项研究中，我们确定了这种信号分子为血红素。”

尽管在植物和动物中，大多数基因位于细胞核中，但在其他细胞区域也发现了基因的染色体环，例如产生能量的线粒体。植物叶绿体，其主要功能是将光和二氧化碳转化为生长所需的能量和碳水化合物，也包含在植物细胞核中编码的光合作用相关因子的基因。.

“乔瑞实验室先前在五个基因中发现突变 拟南芥 ”无法合成叶绿素等分子，也无法响应叶绿素生物合成途径中间产物发出的信号的植物，“研究报告的第一作者伍德森解释道。‘这些研究表明，当植物承受压力时，会积累一种中间产物，该中间产物会告知细胞核停止'变绿”。”

这些被称为GUN（基因组解偶联）的突变体1至5号，缺乏将这些信号传递到细胞核所需的蛋白质。在正常植物中，当植物遇到热量过多或水分不足等胁迫时，叶绿体可能会发出这些信号。当萌发的幼苗尚未成熟到足以从依赖种子能量包转变为利用阳光产生自身能量时，也可能发出抑制信号。.

怀疑正向信号也必须控制该过程，因此该团队筛选 拟南芥 对于激活光合作用蛋白（而非关闭）的因素。为此，他们采用了一种称为激活标记的实验方法，其中基因激活的 DNA 序列被随机插入到 拟南芥 基因和植物随后会接受除草剂喷淋。然后，该团队寻找任何能够持续制造光合蛋白的幸存者。根据定义，在那个突变植物中，维持光合生长反应所需的基因一定已经被实验性地开启了。.

他们发现了一个被命名为 枪 6, ，它编码了首个血红素合成酶 1 (FC1)，血红素合成酶 1 (FC1) 是 枪 突变，表明阳性信号而非阴性信号。“枪 6 ”突变体会产生过多的FC1蛋白，这是一种合成血红素（一种信号分子）所必需的酶，”伍德森解释说。血红素虽然是多种植物和动物通路中的辅助因子，但它作为血红蛋白中携带氧气的组成部分最为人所熟知。.

该研究表明，过量的血红素会驱动光合作用相关基因的表达。Woodson说：“如果植物产生的血红素水平异常高，细胞核可能不知道叶绿体功能失调，并可能继续制造与生长相关的蛋白质。”“血红素很可能是从健康的叶绿体发送到细胞核的信号，告知应是时候制造光合作用所需的蛋白质了。”

研究团队还对植物进行了基因工程改造，使其过量产生一种称为FC2的FC1亚型，并发现与光合作用相关的基因没有上调，这表明由FC2产生的血红素与FC1产生的血红素不同，并且调控植物生长的整体信号非常复杂。.

芥菜 拟南芥 它之所以受到植物生物学家的青睐，原因和动物生物学家依赖小鼠和果蝇一样——它容易种植、体积小、繁殖迅速（这对植物生物学家来说意味着能产生大量种子，而且很快），它的基因组已测序，并且可以进行基因操作。.

而且，它极其枯燥。“没什么不寻常的 拟南芥,”伍德森表示，“这很好，因为我们从中了解到的任何东西对大多数植物来说都将是普遍适用的。”

确认了“每一种植物”的品质，该团队分离出了玉米 玉米 FC1 基因的等同物和工程化 拟南芥 以人工方式提高玉米蛋白的含量。以 gun 6 突变体为例，这些植物在遭受除草剂处理后仍继续表达与光合作用相关的基因，证明 FC1 在作物中可能起着与在杂草中相同的作用。然而，鉴于玉米、水稻或大麦的生长周期长且需要种植空间，对它们进行基因分析在实验上不太实用。.

“总的来说，这项工作回答了关于植物如何生长、构建叶绿体以及如何利用光能转化为光合生物的基本问题，”乔瑞说。“了解植物如何协调叶绿体和细胞核之间的基因表达，最终将提高作物的产量，因为在生长季节，植物经常会遇到多种胁迫。”

这项工作得到了能源部和霍华德·休斯医学研究所的支持。Jesse Woodson 和 Juan Perez-Ruiz 获得了美国国立卫生研究院和西班牙教育部提供的博士后奖学金。.

伊莉丝·拉马尔

关于索尔克生物研究所：
索尔克生物研究所是世界顶尖的基础研究机构之一，其国际知名的教职人员在一个独特、协作和富有创造性的环境中，深入探究生命科学的基本问题。索尔克科学家们致力于发现和指导未来几代研究人员，通过研究神经科学、遗传学、细胞和植物生物学以及相关学科，在癌症、衰老、阿尔茨海默氏症、糖尿病和传染病的认识方面做出了开创性的贡献。.

学院取得了许多成就，获得了包括诺贝尔奖和美国国家科学院院士在内的无数荣誉。该研究所由脊髓灰质炎疫苗先驱 Jonas Salk 博士于 1960 年创立，是一家独立的非营利组织和建筑地标。.