研究揭示一个连接叶绿体和植物细胞死亡的新的易位子相关组分

3月11日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心上海植物逆境生物学研究中心研究员Chanhong Kim研究组等完成的题为TIC236 gain-of-function mutations unveil the link between plastid division and plastid protein import的研究论文，在线发表在PNAS上。该研究揭示了一种新的叶绿体外膜易位子相关组分CRUMPLED LEAF（CRL）。CRL的缺失被证明会干扰拟南芥的质体分裂并诱导自发性免疫反应，即光依赖的局部性细胞死亡（Li et al., 2020；Wang et al., 2020）。

发育中的细胞通过质体分裂来确保在细胞分裂之前产生适宜数量的质体，该过程需要将一系列质体分裂有关蛋白（plastid-division machinery proteins，PDM proteins）转运到叶绿体中。任何重要的PDM有关组分的缺失均会造成巨型叶绿体产生，以及每个细胞中叶绿体数量的大量减少。包括crl在内的几个质体分裂缺陷的拟南芥突变体均发生了叶片部位的点状细胞死亡（Li et al., 2020），类似病变模拟突变体（lesion mimic mutants，LMM）表现出的光依赖性超敏反应样（hypersensitive response-like）细胞死亡的表型。crl突变体的巨型叶绿体还诱导细胞周期的异常以及核内复制（endoreduplication）活性的增强，从而导致植物体生长受阻（Hudik et al., 2014）。

CRL是一个细胞核编码的叶绿体外膜蛋白。此蛋白较短的N末端位于叶绿体内外膜间隙，随后是一个跨膜结构域，其较长的C端含有一个位于细胞质中的色素分子裂合酶（lyase）CpcT/CpeT结构域，此结构域与蓝细菌中T型裂合酶同源。尽管CRL的裂合酶结构域保留了与藻蓝胆素（phycocyanobilin，PCB）结合的能力，但在拟南芥中，藻蓝胆素结合能力与crl诱导的细胞死亡表型之间没有明显相关性（Wang et al., 2020），这表明高等植物中的CRL蛋白已发展出不同的功能。

在正向遗传筛选中，研究发现了三个crl突变体的抑制子（suppressor of crl，spcrl）。鉴定发现，三个抑制子皆在TIC236基因上产生了显性的功能获得型（gain-of-function，GF）突变。该基因编码的TIC236蛋白是叶绿体易位子复合体的重要组分（Chen et al., 2018）。这些突变显著增加了PDM组分向叶绿体内部的转运，并完全回复了crl突变体的表型。crl和tic236基因敲减突变体均表现出有缺陷的质体分裂表型，且CRL和TIC236在易位子复合体中相互作用，这表明CRL-TIC236模块对质体分裂至关重要。与crl的质体分裂缺陷表型一致，CRL蛋白能够与重要的质体分裂蛋白的转运肽（transit peptides）相互作用，而tic236-gf突变通过增加TIC236蛋白的稳定性增强了这些PDM组分的转运。研究通过反向遗传分析进一步揭示了CRL和SP1（一种RING型泛素E3连接酶）以及与质体蛋白酶FTSH11之间的遗传相互作用，这两种酶分别在TOC（叶绿体外膜易位子）和TIC蛋白（叶绿体内膜易位子）的周转（turnover）中发挥作用（Ling et al., 2019；Adam et al., 2019）。由于易位子蛋白水平增加，SP1或FTSH11的缺失在不同程度上回复了crl突变体的表型。

研究表明，CRL是一个转运易位子相关组分，其缺失会阻碍质体的分裂；正如在crl突变体中观察到的一样，敲减TIC236会导致植物体的多种病变表型和质体分裂缺陷；CRL和TIC236可能在膜间隙相互作用，这与TIC236-GF突变回复crl表型一致；增加转运易位子丰度的三种途径，包括SP1或FTSH11的敲除，以及功能获得型TIC236突变，皆可回复crl突变体的质体分裂异常和细胞死亡的表型；TIC236-GF突变可能为改造易位子以提高叶绿体蛋白转运效率提供新策略。

研究工作得到中科院和国家自然科学基金的支持。

论文链接

TIC236功能获得型突变位点在spcrl抑制子突变体中的鉴定。A、crl抑制子突变体spcrl1、spcrl2和spcrl3的宏观及微观表型。上图：有代表性的在土壤中生长的21日龄植物图像（比例尺：1 cm）；中图：共聚焦显微镜图像显示叶肉细胞中的叶绿素自发荧光信号；下图：10日龄的拟南芥子叶细胞死亡表型，经台盼蓝染色（trypan blue，TB）后的图像（比例尺：0.5 mm）。B、全基因组测序揭示了导致表型回复的错义突变都发生在编码TIC236蛋白的单个遗传位点上，如红色星号所示。