刘新亮等:植物叶色黄化突变分子机理的研究进展 1361 信号受体所感知,光信号受体通过构象变化与其下无法补偿这一缺陷,说明其对运输蛋白表现出较强 游信号分子相互作用。目前研究较多的光信号受体的底物特异性( Bauer et al.2000)。同样,ArOC159 为感受远红光和红光的光敏色素、感受蓝光和紫外基因过量表达无法改变A0cl32/ocl20双合子突 光的隐花色素( Lin and Shalitin,2003; Tepperman et变体的淡绿色表型( Kubis et al.,2004)。在叶绿体 al,2006; Waters and Langdale,2009)。在植物体内,发育早期阶段,Toc/Iic亚基编码基因差异表达可能 大部分光信号受体可作为转录调节因子,控制下游与光合蛋白转入有关。叶绿体蛋白向叶绿体转入 基因表达,影响叶绿体的光形态建成。光敏色素相除Toc/Iic复合物途径外,还可通过其他方式实现,如 互作用因子(PIFs)是一类能与光敏色素相互作用的与叶绿素结合形成叶绿素复合体蛋白LHC,该复合 螺旋一环一螺旋(HLH)家族转录因子,能调节光形体能被叶绿体基质中信号识别蛋白 cpSRP43/54识 态建成相关基因的转录水平。Moon等(2008)通过别,在膜定位蛋白ALB3协助下插入叶绿体膜结构 研究拟南芥突变体p,发现PIFl也能调控叶绿素合( Bellafiore et al.,20)。 Klimyuk等(19)研究发 成,部分是通过直接与启动子PORC(编码POR蛋白)现,拟南芥黄化隐性突变体cho的叶绿体中类囊体 相互作用来调控。Shin等(2009)对拟南芥黄化突变蛋白复合物含量较野生型明显降低,表明 cpSRP43 体p3进行研究,结果发现PF3能抑制编码叶绿素合的功能仅限于将蛋白定位到类囊体膜,而 cpSRP54 成途径中的关键酶基因表达,包括HEMA(编码谷可能参与叶绿体分化过程。 氨酸-tRNA还原酶)、GUN5(编码ChH)及光合系统3.3类囊体分化及叶绿体分裂 PSI中LHCA、 PsaEl等基因。当植物幼苗生长到 类囊体是叶绿体内膜系统的构造单位,其形成 定时期能光合自养,光形态建成会活化其顶端分生是叶绿体发育的重要环节,一般为扁平袋状结构,形 组织,进而实现原质体向叶绿体的转变(李保珠等,状和大小多种多样。类囊体分化从原质体内膜开 2014)。由于拟南芥突变体加l无法合成光敏素中结始,折叠形成囊泡后,再聚集、增殖,然后发育成基粒 合的发色团,因此缺乏所有的光敏色素活性(Mura-或间质片层。囊泡可能携带1个单位的叶绿素、光合 moto et al.,1999)。LZF1是依赖光和HY5的转录因蛋白和酶穿过基质与发育中的类囊体结合。在类囊 子,HY5参与植物叶绿体的发育和叶绿素积累。在体分化过程中蛋白质发生转运,包括一些催化叶绿 拟南芥突变体LZF中叶绿素含量较低,且其白色体素和类胡萝卜素合成的酶聚集在质体膜上,合成的 向功能叶绿体的分化相对滞后( Chang et al.,2008)。色素与捕光色素结合蛋白形成捕光色素复合体并插 3.2蛋白质的转运和加工 入质体内膜( Hoober et al.,2007)。 叶绿体合成需要从细胞质中转运大量核编码 vpl是一类内膜相关蛋白,存在于内膜结构和 蛋白,大部分叶绿体蛋白能被质体膜识别并通过叶类囊体膜上,能驱动催化囊泡折叠形成内囊体网状 绿体外膜转运子和叶绿体内膜转运子复合物(Toc/结构,在内囊体分化过程中起关键作用。已有研究 T复合物)和新型易位酶介导转入叶绿体( Kessler证实,拟南芥突变体vpl无法正常形成类囊体和囊 and Schnell,2009)。Toc/Tic复合物是由叶绿体外膜泡结构( Kroll et al,2001; Aseeva et a.,2007)。THF1 上 TOC GTPases复合体与内膜上的TC串联组成。是另一类位于基质和类囊体上的内膜相关蛋白,其 细胞质中合成蛋白的信号肽序列与 TOC GTPases结拟南芥突变体呈斑叶表型,在叶绿体中虽有大量囊 合,在分子伴侣(Hsp70、Hsp93或ClpC)的作用下完泡积累但缺乏规则的类囊体结构,说明7h1基因在 成蛋白跨膜运输。 TacTic复合物的主要组分具有底囊泡介导的类囊体膜生物发生途径中具有关键调 物特异性且受光正调节( Soll and Schleiff,2004)。控作用( Wang et a.,2004)。FZL是一类动力蛋白 在转运蛋白过程中,如转运蛋白发生突变,会致使叶 GTPase,定位于内膜结构和类囊体上,拟南芥突变 绿体代谢紊乱,甚至抑制色素合成,导致植株叶色异体仁呈淡绿表型,叶片中形成大且不规则的叶绿体 常。拟南芥ATOC3基因在幼苗期大量表达,敲除基质和类囊体比例发生改变,易形成堆积的小囊泡 AOC33基因的突变体p表现出部分光合蛋白( Gao et al,2006)。单半乳糖基二酰基甘油(MGDG) 的导入和积累缺陷( Kubis et al,2003)。拟南芥的是一类独特的类囊体膜脂,是类囊体形成必备物质 Toc59蛋白亚基由AOCl59、AOC132、AOC120其合成的最后一步是由MGDG合成酶催化完成。 和AOC904个基因编码,拟南芥突变体Ar0cl59呈MGDG合成酶基因突变不仅使其突变体呈白化表 白化表型,子叶期过后死亡,其他Toc159家族成员也型,还致使其缺乏半乳糖脂,具有异常的光合膜结8期 ·1361· 信号受体所感知，光信号受体通过构象变化与其下 游信号分子相互作用。目前研究较多的光信号受体 为感受远红光和红光的光敏色素、感受蓝光和紫外 光的隐花色素（Lin and Shalitin，2003；Tepperman et al.，2006；Waters and Langdale，2009）。在植物体内， 大部分光信号受体可作为转录调节因子，控制下游 基因表达，影响叶绿体的光形态建成。光敏色素相 互作用因子（PIFs）是一类能与光敏色素相互作用的 螺旋—环—螺旋（HLH）家族转录因子，能调节光形 态建成相关基因的转录水平。Moon等（2008）通过 研究拟南芥突变体pif1，发现PIF1也能调控叶绿素合 成，部分是通过直接与启动子PORC（编码POR蛋白） 相互作用来调控。Shin等（2009）对拟南芥黄化突变 体pif3进行研究，结果发现PIF3能抑制编码叶绿素合 成途径中的关键酶基因表达，包括HEMA1（编码谷 氨酸-tRNA还原酶）、GUN5（编码ChlH）及光合系统 PSI中LHCA1、PsaE1等基因。当植物幼苗生长到一 定时期能光合自养，光形态建成会活化其顶端分生 组织，进而实现原质体向叶绿体的转变（李保珠等， 2014）。由于拟南芥突变体hy1无法合成光敏素中结 合的发色团，因此缺乏所有的光敏色素活性（Mura￾moto et al.，1999）。LZF1是依赖光和HY5的转录因 子，HY5参与植物叶绿体的发育和叶绿素积累。在 拟南芥突变体LZF1中叶绿素含量较低，且其白色体 向功能叶绿体的分化相对滞后（Chang et al.，2008）。 3. 2 蛋白质的转运和加工 叶绿体合成需要从细胞质中转运大量核编码 蛋白，大部分叶绿体蛋白能被质体膜识别并通过叶 绿体外膜转运子和叶绿体内膜转运子复合物（Toc/ Tic复合物）和新型易位酶介导转入叶绿体（Kessler and Schnell，2009）。Toc/Tic复合物是由叶绿体外膜 上TOC GTPases复合体与内膜上的TIC串联组成。 细胞质中合成蛋白的信号肽序列与TOC GTPases结 合，在分子伴侣（Hsp70、Hsp93或ClpC）的作用下完 成蛋白跨膜运输。Toc/Tic复合物的主要组分具有底 物特异性且受光正调节（Soll and Schleiff，2004）。 在转运蛋白过程中，如转运蛋白发生突变，会致使叶 绿体代谢紊乱，甚至抑制色素合成，导致植株叶色异 常。拟南芥AtTOC33基因在幼苗期大量表达，敲除 AtTOC33基因的突变体ppi1表现出部分光合蛋白 的导入和积累缺陷（Kubis et al.，2003）。拟南芥的 Toc159蛋白亚基由AtTOC159、AtTOC132、AtTOC120 和AtTOC90 4个基因编码，拟南芥突变体AtToc159呈 白化表型，子叶期过后死亡，其他Toc159家族成员也 无法补偿这一缺陷，说明其对运输蛋白表现出较强 的底物特异性（Bauer et al.，2000）。同样，AtTOC159 基因过量表达无法改变AtToc132/AtToc120双合子突 变体的淡绿色表型（Kubis et al.，2004）。在叶绿体 发育早期阶段，Toc/Tic亚基编码基因差异表达可能 与光合蛋白转入有关。叶绿体蛋白向叶绿体转入， 除Toc/Tic复合物途径外，还可通过其他方式实现，如 与叶绿素结合形成叶绿素复合体蛋白LHC，该复合 体能被叶绿体基质中信号识别蛋白cpSRP43/54识 别，在膜定位蛋白ALB3协助下插入叶绿体膜结构 （Bellafiore et al.，2002）。Klimyuk等（1999）研究发 现，拟南芥黄化隐性突变体chao的叶绿体中类囊体 蛋白复合物含量较野生型明显降低，表明cpSRP43 的功能仅限于将蛋白定位到类囊体膜，而cpSRP54 可能参与叶绿体分化过程。 3. 3 类囊体分化及叶绿体分裂 类囊体是叶绿体内膜系统的构造单位，其形成 是叶绿体发育的重要环节，一般为扁平袋状结构，形 状和大小多种多样。类囊体分化从原质体内膜开 始，折叠形成囊泡后，再聚集、增殖，然后发育成基粒 或间质片层。囊泡可能携带1个单位的叶绿素、光合 蛋白和酶穿过基质与发育中的类囊体结合。在类囊 体分化过程中蛋白质发生转运，包括一些催化叶绿 素和类胡萝卜素合成的酶聚集在质体膜上，合成的 色素与捕光色素结合蛋白形成捕光色素复合体并插 入质体内膜（Hoober et al.，2007）。 Vipp1是一类内膜相关蛋白，存在于内膜结构和 类囊体膜上，能驱动催化囊泡折叠形成内囊体网状 结构，在内囊体分化过程中起关键作用。已有研究 证实，拟南芥突变体vipp1无法正常形成类囊体和囊 泡结构（Kroll et al.，2001；Aseeva et al.，2007）。THF1 是另一类位于基质和类囊体上的内膜相关蛋白，其 拟南芥突变体呈斑叶表型，在叶绿体中虽有大量囊 泡积累但缺乏规则的类囊体结构，说明Thf1基因在 囊泡介导的类囊体膜生物发生途径中具有关键调 控作用（Wang et al.，2004）。FZL是一类动力蛋白 GTPase，定位于内膜结构和类囊体上，拟南芥突变 体fzl呈淡绿表型，叶片中形成大且不规则的叶绿体， 基质和类囊体比例发生改变，易形成堆积的小囊泡 （Gao et al.，2006）。单半乳糖基二酰基甘油（MGDG） 是一类独特的类囊体膜脂，是类囊体形成必备物质， 其合成的最后一步是由MGDG合成酶催化完成。 MGDG合成酶基因突变不仅使其突变体呈白化表 型，还致使其缺乏半乳糖脂，具有异常的光合膜结 刘新亮等：植物叶色黄化突变分子机理的研究进展