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New Phytologist|中科院植物所研究人员通过western等技术揭示ABC转运蛋白调节钴和镍的体内稳态并有助于光合作用

叶绿体是光合作用的场所,需要大量的过渡金属作为金属结合依赖的蛋白质的辅因子或成分,它们对光合电子传递、代谢途径、和蛋白质结构至关重要。过渡金属在叶绿体中的运输和动态平衡是叶绿体功能和光合性能的关键,它被精确地调控以保证供应和防止这些金属引起的毒性。然而,维持叶绿体中过渡金属平衡的机制仍不清楚。

中国科学院植物研究所研究人员在New Phytologist(IF:8.512)上发表了一篇题为“A rice chloroplast-localized ABC transporter ARG1 modulates cobalt and nickel homeostasis and contributes to photosynthetic capacity”的研究论文。该研究发现了一个叶绿体定位的蛋白ARG1通过从叶绿体中运输Co和Ni来调节Co和Ni的稳态,以及以Co和Ni竞争或取代叶绿素中金属辅助因子和参与光合作用的金属结合蛋白的方式影响光合作用。

文章来源

研究人员从日本粳稻中分离得到一个水稻突变体,表现为白化可逆绿色,命名为arg1。ARG1广泛表达于不同的组织中,包括根、幼苗、叶片和种子,为了研究ARG1蛋白的亚细胞定位,将ARG1-egfp转化到水稻原生质体,结果表明ARG1蛋白存在于叶绿体中。通过免疫金标记研究了ARG1在叶绿体中的精确位置,表明ARG1 Myc位于叶绿体包膜和类囊体膜上,这意味着该蛋白可能作为叶绿体中的364a转运体发挥作用。

 

图1:ARG1的亚细胞定位

图1:ARG1的亚细胞定位

通过使用ICP—MS和ICP-ES测量ARG1和WT田间种植植物的金属含量,以确定ARG1是否参与Co和Ni的运输。结果表明,ARG1突变体叶绿体中Co和Ni的含量均比野生型高,其他元素含量相似。进一步在沙门氏菌MM281中表达ARG1,以检测ARG1对Co和Ni的转运能力。结果表明ARG1是Co和Ni的特异性转运物,而不是其他金属。

图2:从野生型和ARG1突变体叶片中分离出的六叶期叶绿体Co和Ni浓度

图2:从野生型和ARG1突变体叶片中分离出的六叶期叶绿体Co和Ni浓度

我们制备了抗Os02g0103800和Os07g0556200的多克隆抗体,它们参与光合电子传递,并用western-blot检测其蛋白水平,结果表明,与野生型相比,在ARG1突变体中,它们的蛋白质水平显著下调。光合电子传递链是一个主要的ROS产生中心,丰富的Co和Ni可以诱导植物体内过量积累ROS,arg1原生质体和叶绿体的ROS含量显著高于野生型。RNA-seq显示活性氧清除基因在ARG1中的表达水平高于WT,表明ARG1诱导了氧化应激。结果显示由于ARG1突变,叶绿体中过量的Co和Ni积累会对离子结合蛋白和438光合蛋白的表达水平产生负面影响,并导致ROS的积累。

图3: WT和arg1突变体光合电子传递链上铁氧还蛋白NADP还原酶和Rieske铁硫蛋白蛋白质水平的变化

图3: WT和arg1突变体光合电子传递链上铁氧还蛋白NADP还原酶和Rieske铁硫蛋白蛋白质水平的变化。

 

为了平衡对金属的需求和它们的毒性,植物进化出了运输系统来维持金属的动态平衡,而金属转运蛋白与植物中的金属稳态密切相关。在许多金属结合蛋白质中,Co和Ni可与其他金属辅因子竞争和/或替代,而不与适当金属辅因子结合的蛋白质的转录和翻译通常会受到抑制及其mRNA和蛋白质降解。研究表明,过量的Co和Ni可以诱导植物体内ROS的过度积累,从而导致膜脂过氧化和氧化应激。在本研究中,叶细胞中ROS的产生主要集中在叶绿体中。ARG1叶绿体中ROS水平的升高可能是由于Co和Ni对其他生物必需金属的竞争和替代,Co或Ni置换内源金属抑制了这些金属辅因子相关蛋白的正常功能。由于ARG1缺陷,叶绿体中的Co和Ni与光合电子传递链中的Fe-S蛋白中的Fe相互竞争和取代。ARG1在植物体内的保留是为了从叶绿体中运输Co和Ni,以限制过量的Co和Ni与光合过程中必需的金属辅因子竞争和替换,从而保证了植物正常的光合作用。

 

参考文献

【1】Anders S, Huber W. 2010. Differential expression analysis for sequence count data. Genome Biology 11(10): R106.

【2】Anders S, Pyl PT, Huber W. 2015. HTSeq-a Python framework to work with high-throughput sequencing data. Bioinformatics 31(2):166–169.

【3】Asada K.2006.Production and scavenging of reactive oxygen species in chloroplasts and their functions.Plant Physiology 141(2):391–396.

 

文献链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.16708

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