叶绿素缺失突变的分子机制研究进展

赵春梅

摘 要 叶绿素是光合作用中重要的色素分子，主要参与光能的吸收，其含量与光合作用效率密切相关。叶绿素缺失会直接影响植物的光合作用和生长发育。叶绿素合成受阻是导致叶绿素缺失的最直接原因，同时叶绿素合成调控、光系统的组装、叶绿体蛋白的转运等过程发生变化也会导致叶绿素缺失。

关键词 叶绿素；缺失突变；分子机制；研究进展

中图分类号：S652.2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.7.012

叶绿素缺失突变是植物界中比较常见的一种突变形式，由于叶绿素含量降低、叶片呈现黄化甚至白化现象，目前在拟南芥、烟草、番茄、甜瓜、水稻、玉米、大麦等植物中都有发现[1-7]。突变体由自然突变、人工诱变等方法获得[8]。叶绿素是与光合作用相关的重要色素，因此叶色突变体成为研究叶绿素生物合成、光合作用机制以及叶绿体功能的重要材料；由于叶色突变表型直观可见，还可以作为标记性状应用于作物育种。近年来，人们在叶绿素缺失突变机制方面的研究取得了一定进展。导致叶绿素缺失突变的原因和机制比较复杂，其中分子水平上的基因突变是导致叶绿素缺失的主要原因。

1 叶绿素生物合成途径中的基因突变

叶绿素是由含有Mg原子的卟啉环与脂肪烃侧链构成的四吡咯大环分子，参与光合作用的光能捕获、光能及电子的转移。拟南芥中叶绿素生物合成从L-谷氨酰-tRNA到叶绿素a，叶绿素a再经叶绿素酸酯a加氧酶氧化即形成叶绿素b，整个生物合成过程需要15步反应，涉及由27个基因编码的15种酶[9-10]，每一个酶基因突变都会直接影响叶绿素的合成。

叶绿素前体物质ALA合成是卟啉合成的第一步并且是此合成过程中的限速反应。在植物中ALA合成包含2个步骤：1） 谷氨酰t-RNA还原酶（GluTR）还原谷氨酰t-RNA（Glu-tRNA）生成成glutamate-1-smialdehyde（GSA）；2） Glutamate-1-semialdehyde-2，1-aminomutase （GSAM）将GSA转化成ALA。GluTR与GSAM直接影响叶绿素的合成。在Euglena gracilis中，因底物Glu-tRNA的RNA基因发生点突变C56→U而影响叶绿素合成[11]。GSAM与叶绿素含量密切相关，在转antisense Gsa（GSAM gene）基因植株及GSAM突变体中叶绿素含量降低甚至检测不到[12]。ALA的合成还受植物体内GluTR结合蛋白调控。ALA转变为叶绿素前体物质原脱植基叶绿素需要光驱动催化，如无光则导致原脱植基叶绿素积累而造成光氧化伤害。黑暗中GluTR结合蛋白FLU与GluTR结合使得谷氨酰t-RNA无法合成ALA，而另一种GluTR结合蛋白pgr7无论在有光或无光都可以与GluTR结合形成ALA，所以在黑暗情况下也有少量的ALA合成。拟南芥pgr7突变体在幼苗发育过程中叶绿素含量低[13]。

胆色素原脱氨酶（PBGD）是卟啉合成过程中的第二个限速酶。在玉米cf1突变体中PBGD含量降低，叶片呈现黄绿相间的颜色[14]。原卟啉原氧化酶（PPO，由ppo1基因编码）是叶绿素与亚铁血红素共同合成途径中一个酶，直接影响叶绿素的合成。拟南芥ppo1突变体由原卟啉原IX向原卟啉IX转化受阻，导致原卟啉原IX大量增加，叶绿素含量降低，而亚铁血红素合成路径未影响，亚铁血红素含量变化不大。由于叶绿素含量的降低，类囊体复合体包括PSI、PSII、细胞色素b6f复合体、ATP合酶、LHCI、LHCII的一些蛋白亚基含量都大幅降低[15]。叶绿素是含Mg的色素分子，当原卟啉IX合成后，要将Mg2+螯合到卟啉环中产生Mg-原卟啉。Mg2+螯合酶是催化该反应的关键酶也是限速酶，它由3个亚基CHLH、CHLD和CHLI构成[16]。Mg2+螯合酶亚基基因突变会导致叶片叶绿素缺失，在大麦chlorina-125突变体中，由于CHLI亚基突变导致浅绿叶色[17]，而水稻浅绿色突变体phyB（光敏色素B基因）则通过抑制ChlH（Mg2+螯合酶H亚基基因）和GUN4（Mg2+螯合酶激活因子基因）基因表达来调控叶绿素的合成[18]。

2 叶绿体蛋白基因突变

除了与叶绿素合成相关的基因外，植物体内其他代谢路径中的一些酶基因变化也能够导致叶绿素缺失。

2.1 光系统组装蛋白突变

叶绿素主要分布于类囊体，与光系统I （PSI）、光系统II（PSII）相结合。PSI、PSII组装受阻不能形成完整的复合体而无法正常结合叶绿素分子，导致叶片叶绿素缺失。Ycf3和Ycf4是PSI组装蛋白，对于PSI在叶绿体中的积累必不可少[19]。烟草Ycf4敲除突变体主要影響核心复合体，导致叶绿素a/b的比率降低，叶片呈现浅绿色[20]。大麦ycf3突变体在低温时叶色正常，当温度升高到32 ℃时叶色变淡，叶绿素大量减少。ycf3基因由3个外显子和2个内含子构成，内含子1属于II组内含子，本身具有核糖酶剪切功能，并且二级结构保守。在ycf3突变体内，内含子1序列发生突变导致其RNA的二级结构不稳定。低温对RNA二级结构影响不大，其功能也未发生较大变化，叶片颜色正常。高温对RNA二级结构影响很大，从而干扰到内含子的剪切功能，使ycf3基因突变。Ycf3蛋白的突变使PSI的组装及积累受影响[21]。拟南芥pyg7-1蛋白同样与PSI组装或稳定相关，在pyg7-1中PSI亚基虽然能够合成，但不能形成稳定的复合体，叶片表现为叶绿素缺失[22]。PsbP是PSII的外周蛋白。在烟草中通过RNAi方式干扰PsbP的表达，LHCII–PSII超复合体的组装或稳定性受到破坏，一些不完整的PSII中间体被破坏而进入修复循环，导致叶绿素无法与之结合[23]。TLA2基因是核基因编码定位到叶绿体的FTSY （SRP受体）蛋白，在绿藻中叶绿体FTSY（CpFTSY）的作用是将光系统外周蛋白（LHCs）整合到类囊体膜中，tla2突变主要是影响到PSII，导致叶绿素含量下降。莱茵衣藻tla2突变体中叶绿素含量仅为野生型的20%～25%[24]。

2.2 叶绿体信号识别颗粒

叶绿体信号识别颗粒（cpSRP）的功能是引导由核基因编码蛋白定位到叶绿体，叶绿体蛋白如果无法定位到叶绿体内相应的位置会导致叶绿素缺失。拟南芥叶绿体信号识别蛋白cpSRP43主要功能是将捕光复合物（LHC）定位到类囊体膜上。LHC通常包含几百个叶绿素分子及数量不等的类胡萝卜素分子，如果LHC无法定位到叶绿体中，叶绿素失去与之结合的载体，这必然导致叶绿素含量降低，拟南芥cpSRP43突变体中由核基因编码的天线蛋白含量下降达50%左右[25]。另一叶绿体信号识别颗粒蛋白cpSRP54主要参与共翻译及翻译后类囊体蛋白的分选，cpSRP54突变体中也是LHC组分发生变化，光保护蛋白PsbS增加，而光系统I/II比率降低，叶绿素含量也随之降低[26]。

2.3 RNA 聚合酶

植物葉绿体转录需要2种RNA聚合酶共同协作完成，一是核基因编码的RNA聚合酶，另一是质体基因编码的RNA聚合酶（PEP）[27-28]。RpoTp是核基因SCABRA3（SCA3）编码的叶绿体RNA聚合酶，SCA3突变体中叶绿体基因rpoB、rpoC1、clpP和accD表达有所改变，这些亚基变化直接影响叶绿体蛋白的合成。玉米（Zea mays）中与PEP相关蛋白突变主要通过影响质体 tRNAs的转录导致叶绿素含量变化[27-28]。

2.4 类囊体膜蛋白及相关蛋白突变

类囊体膜蛋白或与之相关蛋白的变化也是导致叶绿素含量变化的重要因素之一。叶绿体热休克蛋白Hsp93是一个多功能的蛋白，它是ClpP蛋白酶的分子伴侣也是叶绿体内膜易位子（TIC）的传动组分。Hsp93是可溶性的基质蛋白，但其N-末端与类囊体膜相关并且参与叶绿体蛋白的输入。拟南芥Hsp93突变体呈现浅绿色，转AtHsp93V拟南芥可以恢复Hsp93突变体的叶色变浅的表型。另一分子伴侣Cpn60的功能是参与蛋白的转运以及蛋白质的折叠作用[29]。Cpn60由6个亚基组成，包含3个α亚基和3个β亚基。OsCpn60α1是水稻叶绿体rbcL折叠的关键因子，oscpn60α1突变体苗期呈现浅绿色[30]。水稻非致死性白化苗是由于Rubisco小亚基突变引起，而rbcL无法正确折叠，Rubisco的功能一定受到影响，这也许是osCpn60α1突变导致叶绿素缺失的原因。

2.5 RNA编辑

RNA编辑是叶绿体中广泛存在的现象，最典型的是将细胞器中C→U的转换，通过RNA编辑方式可以调控基因的表达。在玉米中具有RNA编辑功能的细胞器RNA识别结构域蛋白（organellar RNA recognition motif protein，ORRM）突变导致多个RNA位点无法正确编辑，叶绿素含量降低。玉米Zm-orrm1突变体中由于petB-668、ycf3-185、ycf3-44、rpoB、rpl20、rps8等位点不能正确编辑而导致PetD、PsaD、RbcL、AtpB、PsbA等含量降低，特别是PetD、PsaD含量分别不到野生型的10%和25%。PetD、PsaD及Ycf3都是与光系统密切相关的蛋白，这些蛋白含量的降低一定会影响叶绿素的积累[31]。

3 展望

植物叶绿素缺失突变是最为直观的突变形式，在植物中普遍存在。虽然叶绿素缺失的表型相似，但每种突变机制各有不同，并且叶绿素与光合作用密切相关，因此研究叶绿素缺失突变机制能更好地了解光合作用机制。叶绿体是半自主性细胞器，叶绿体蛋白大多数由核基因编码合成后输入到叶绿体中，同时叶绿体内还要进行一些蛋白的合成，导致叶绿体内生物过程比较复杂，影响叶绿素含量的因素也比较多。叶绿素合成过程相关酶突变是导致叶绿素含量降低的最直接原因，这一过程的调控蛋白也间接影响叶绿素的合成；位于类囊体膜上与叶绿素相结合的蛋白复合体如PSI、PSII以及LHCs组装受阻也是导致叶绿素缺失的重要因素。还有些蛋白的变化与叶绿素并无直接关系，但也会导致叶绿素缺失，如分子伴侣、与RNA编辑相关的蛋白等，这对于深入研究叶绿体生理代谢过程特别是一些调控作用的研究具有重要的意义。

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（責任编辑：敬廷桃）