太阳集团2007官网入口

      2025年8月21日，我院植物抗逆高效全国重点实验室王良省教授团队联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心Chanhong Kim团队在Molecular Plant发表了题为“The chloroplast translocon subunit TOC33 relays singlet oxygen-induced chloroplast-to-nucleus retrograde signaling in Arabidopsis” 的研究论文。该研究发现叶绿体被膜通道TOC-TIC复合体蛋白TOC33能够介导单线态氧诱导的EX1-UVR肽段从叶绿体转运至细胞核，并在细胞核中与WRKY类转录因子互作调控植物单线态氧应答。作者发现TOC-TIC复合体不但是叶绿体前体蛋白进入叶绿体的通道，其亚基TOC33也参与介导叶绿体蛋白运出叶绿体。同时，作者鉴定出叶绿体到细胞质及细胞核的关键逆行信号分子，对叶绿体逆行信号如何在细胞运输系统成分的帮助下从细胞器传递到细胞质以及细胞核的热点问题做出了重要解答。

  单线态氧(¹O₂)是处于激发状态的分子氧，在植物体内的活性非常强、寿命非常短并且难以进行直接检测，所以长期以来关于¹O₂生理功能的研究进展缓慢。拟南芥flu突变体能够特异的、可控的在叶绿体中产生¹O₂，是研究叶绿体¹O₂生理生化特性以及逆行信号转导机理的理想材料。之前以flu突变体为底盘的研究发现并证明了EX1蛋白是叶绿体¹O₂的感受器，并发生依赖于FtsH2蛋白酶的降解。但是关于EX1介导叶绿体¹O₂逆行信号转导的分子机制是一个长期的未解之谜。解析这一逆行信号转导的分子机理将增加对叶绿体¹O₂信号感知和转导的理解，为利用分子生物手段提高叶绿体的抗逆性提供基因资源和理论支撑。

  拟南芥gEX1-Flag flu突变体(记为flu^EX1)含有一个内源的EX1和一个外源的EX1基因。用EMS诱变flu^EX1种子筛选抑制子时，能够排除掉筛选到EX1基因的可能性，从而极大的增加了筛选出¹O₂-EX1信号通路下游组分的几率。研究团队巧妙地利用这一特性，通过大规模筛选，鉴定到叶绿体外膜蛋白TOC33突变可以抑制flu^EX1突变体中由¹O₂爆发引起的所有的胁迫表型，但是不影响叶绿体中¹O₂的产生(图1A)。此外，EX1蛋白水平在flu^EX1及flu^EX1 toc33叶绿体、类囊体中无明显差异(图1B-E)，说明TOC33突变不影响EX1蛋白在叶绿体中的含量及定位。进一步的叶绿体import实验证明TOC33突变不影响EX1蛋白进入叶绿体（图1F，G）。

图1 TOC33突变抑制¹O₂诱导的flu细胞死亡并且不影响EX1进入叶绿体

      EX1-N192进入叶绿体后，其信号肽被切割，产生EX1-UVR。作者发现¹O₂能够诱导叶绿体内部的EX1-UVR含量降低，细胞核内的EX1-UVR含量升高。而当TOC33突变后，这一现象被抑制，¹O₂产生后叶绿体核以及细胞核内的EX-UVR含量没有明显的变化(图2)。这表明EX-UVR从叶绿体运出后会进入细胞核，并且这一过程依赖于TOC33。体外翻译实验证明细胞核中的UVR-GFP蛋白是不包含叶绿体转运肽的，进一步表明UVR-GFP 是从叶绿体转运而来(图2J)。

图2 EX1-UVR以依赖于TOC33的方式运出叶绿体并进入细胞核

  为了进一步确定EX1-UVR是以依赖于TOC33的方式运出叶绿体并传递¹O₂信号，作者在TOC33相关的多种突变体的叶绿体内部和叶绿体外部表达UVR-GFP蛋白，检测¹O₂产生前后转基因植株的表型。结果显示当EX1-UVR(即EX-N192)在叶绿体内部表达时，¹O₂诱导的细胞死亡依赖于TOC33(图3A)；而当EX1-UVR在叶绿体外部表达时，¹O₂诱导的细胞死亡不再依赖TOC33 (图3B)。这表明，叶绿体外的UVR蛋白可以绕过叶绿体对¹O₂信号转导的限制，调控细胞核基因表达并引起各种胁迫响应。这些结果也进一步表明EX1-UVR以依赖于TOC33的方式运出叶绿体并传递¹O₂信号。

图3 叶绿体内表达EX1-N192，¹O₂信号引起的胁迫响应依赖于TOC33

       综上在¹O₂信号转导过程中，EX1通过其DUF结构域内的Trp643残基检测到¹O₂水平升高，随后被FtsH2蛋白酶切割，释放出UVR结构域。UVR结构域通过TOC33蛋白参与的未知过程从叶绿体释放到胞质，然后进入细胞核，通过与转录因子如WRKY18和WRKY40相互作用来调节SORGs的表达。单独的UVR结构域不足以激活¹O₂诱导的信号传导和应激反应。需要其他因子与UVR结构域协同作用来介导叶绿体¹O₂信号传导(图4)。

图4 工作模型

  自1993年Joanne Chory课题组报道Genome-Uncoupled (gun)突变体以来，诸多科学家致力于寻找真正的叶绿体到细胞核的逆行信号分子，但至今还未发现一个公认的、被完全确定的逆行信号分子。EX1-UVR有可能成为第一个被完全确认的逆行信号分子。本项研究也揭示了TOC-TIC复合体的新功能，其不但是叶绿体前体蛋白进入叶绿体的通道，也参与了叶绿体内蛋白向叶绿体外运输。

  我院王良省教授实验室博士后赵欢、博士生张璠为论文共同第一作者，王良省教授和Chanhong Kim研究员为该论文共同通讯作者。王良省教授实验室博士生王馨悦、张玲玲、Chanhong Kim研究员实验室博士后刘开玮及我院李景睿副教授参与了此项研究工作。该工作得到了国家重点研发计划(2023YFF1000203-2)、国家自然科学基金(32170284, 32470311, 32370249)，中国农业大学基本科研业务经费项目(2021RC014, 2022RC044)和植物抗逆高效全国重点实验室开放课题(SKLPERKF2418)的资助。王良省教授课题组长期致力于单线态氧信号转导的机理研究，相关研究结果在Molecular Plant、PNAS、Plant Cell等杂志上发表。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205225002795?via%3Dihub