【科研进展】郁飞教授团队在叶绿体蛋白稳态平衡方面取得进展

近日，我院郁飞教授团队在Journal of Biological Chemistry在线发表了题为“Chloroplast envelope ATPase PGA1/AtFtsH12 is required for chloroplast protein accumulation and cytosol-chloroplast protein homeostasis in Arabidopsis”的研究论文。该论文报道了叶绿体被膜FtsH蛋白家族成员PGA1/AtFtsH12参与叶绿体蛋白稳态积累的生物学过程。高等植物叶绿体大约含有3000余种蛋白质，大部分由细胞核基因组编码，在细胞质中翻译后通过被膜上的蛋白转运系统运输至叶绿体中[1]。叶绿体蛋白约占植物叶肉细胞总蛋白的80%。因此，叶绿体蛋白稳态平衡对于植物光合作用能力、生长发育调控和环境适应性等性状至关重要。细胞质翻译叶绿体蛋白的跨膜转运需要ATP提供能量，目前认为叶绿体基质蛋白cpHSP70、ClpC、HSP90C和叶绿体被膜蛋白AtFtsH12等ATPase水解ATP提供蛋白跨膜驱动力[2-3]。

课题组通过遗传筛选，获得了一系列pale green arabidopsis（pga）淡绿叶色突变体。在pga1-1突变体中，捕光天线蛋白和核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶RuBisCO的稳态积累明显低于其他叶绿体蛋白。图位克隆及回复实验表明PGA1编码叶绿体被膜蛋白AtFtsH12。进一步利用35S过表达启动子驱动的能够定位于叶绿体的FNRcTP-GFP研究叶绿体蛋白的稳态积累。在去黄化过程中，FNRcTP-GFP、细胞核编码的捕光天线LHC和RuBisCO小亚基RbcS等蛋白的稳态积累在pga1-1突变体中严重下降，并在4周龄pga1-1突变体叶肉细胞中观察到FNRcTP-GFP在细胞质中滞留。pga1-1突变体中，除了AtFtsH12的表达量显著上调之外，参与蛋白稳态积累的细胞质分子伴侣ctHSP70、叶绿体分子伴侣cpHSP70和叶绿体蛋白酶ClpP1的表达量显著增加。遗传实验表明pga1-1与叶绿体Clp蛋白酶突变体clpr1-2存在遗传相互作用。酵母双杂交实验表明AtFtsH12保守的N端Loop与捕光天线蛋白LhcB2的N端互作。这些证据表明叶绿体被膜AtFtsH12参与并影响叶绿体蛋白稳态积累。后续工作将进一步明确AtFtsH12与ClpC和HSP90C在参与叶绿体蛋白稳态积累的相互关系。

FNRcTP-GFP在pga1-1突变体的细胞质中滞留

郁飞课题组围绕植物生长发育的环境适应机理，以拟南芥“淡绿”、“渐绿”和“花斑”等叶色突变体为材料，探索叶绿体发育与光合作用蛋白稳态积累的调控机理。西北农林科技大学生命科学学院2019级硕士研究生李青龙为该论文第一作者，2020级博士研究生王晓敏为并列第一作者，齐亚飞副教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委和旱区作物逆境生物学国家重点实验室的资助。

文章链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925822009322

参考文献:

Jarvis, P., and Lopez-Juez, E. (2013) Biogenesis and homeostasis of chloroplasts and other plastids. Nat Rev Mol Cell Biol14, 787-802

Kikuchi, S., Asakura, Y., Imai, M., Nakahira, Y., Kotani, Y., Hashiguchi, Y., Nakai, Y., Takafuji, K., Bedard, J., Hirabayashi-Ishioka, Y., Mori, H., Shiina, T., and Nakai, M. (2018) A Ycf2-FtsHi heteromeric AAA-ATPase complex Is required for chloroplast protein import. Plant Cell30, 2677-2703

Li, H. M., Schnell, D., and Theg, S. M. (2020) Protein import motors in chloroplasts: on the role of chaperones. Plant Cell32, 536-542

编辑：黄海瀛

终审：王   存