拟南芥分子伴侣CPN60参与叶绿体锰利用机制研究

Manganese (Mn) is an essential mineral element for plant growth with an indispensable function as a catalyst in the oxygen-evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII). But whether it is involved in other biological processes of chloroplast has not been reported. It has been reported that CPN60 is required to assist the Rubisco assembly. However, it is not clear whether manganese is involved in this assembly process and in the functioning of Rubisco. We obtained a mutant named mdg2nramp1with new leaves yellow and lower Rubisco content phenotype under manganese deficiency condition through forward genetic screening. Through the whole genome sequencing and dCAPs analysis, we identified the MDG2 gene, which encodes a chaperonin CPN60α1 in chloroplast. Next, we plan to further confirm the functional dependence of CPN60α1 on manganese through in vitro and in vivo experiments, By analyzing the effect of CPN60α1 on RbcL folding processing under manganese deficiency and sufficiency condition, to investigate the relationship between Rubisco activity and manganese, Finally, it was clarified the molecular mechanism of how manganese affected CPN60’s processing and assembly of Rubisco and how manganese affected Rubisco’s function.

锰是植物必需的矿质元素，作为光系统II的组成成分，参与水的光解，但它是否参与叶绿体的其它生物学过程尚未报道。已知核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)需要叶绿体CPN60分子伴侣折叠才能形成有功能的蛋白，但这一折叠过程以及Rubisco正常功能发挥是否需要锰的参与还不清楚。我们前期通过正向遗传筛选到一个缺锰新叶黄化的突变体mdg2nramp1，该突变体在缺锰条件下叶片Rubisco含量显著减少。通过全基因组测序结合标记连锁分析，我们克隆了MDG2，它编码一个叶绿体分子伴侣蛋白CPN60α1。本项目研究计划通过体外和体内实验进一步确证CPN60α1的功能对锰的依赖性，通过分析锰足量和缺锰条件下CPN60α1对Rubisco大亚基RbcL加工折叠的影响，以及探讨锰对Rubisco功能的影响，最终阐明锰是如何影响CPN60α1对Rubisco加工组装以及Rubisco功能的分子机理。

锰离子是植物发育必需的微量元素，参与到植物生长发育的各个过程，尤其是植物的光合作用，作为叶绿体光合系统Ⅱ(PSⅡ)放氧复合体的一部分参与到水的裂解过程。PSⅡ的电子供体包括Mn4簇及D1-Tyr-161(Yz)。P680+通过Yz从Mn4簇上接受电子从而被还原，结果使氧化状态的锰簇从水分子上接受电子，产生分子氧。PSⅡ中包括 D1、D2、CP43、CP47、细胞色素 b559 等这些重要的组分都能影响PSⅡ的锰簇复合物的活性。因此说明锰对植物的光合作用非常重要。但是目前关于锰在叶绿体中的转运及再利用的机制研究较少，仍需要进一步的探索。.NRAMP1是一个高亲和性的锰离子转运体，其突变之后会影响植物在低锰条件下的生长以及体内锰离子的积累。所以，本项目通过对拟南芥nramp1突变体进行EMS随机诱变，建立突变体库，最终，通过在低锰条件下的筛选，我们得到了一株具有新叶黄化表型的突变体mdg2nramp1，并且加锰能够回复它的新叶黄化表型。通过图位克隆并结合基因测序，我们发现该突变表型是由于分子伴侣蛋白CPN601突变所致,对叶绿体结构进行透射电镜观察，发现突变体新叶的叶绿体结构明显异常，叶绿素含量显著降低，同时最大光化学量子产量 Fv/Fm 显著降低。结合蛋白互作、蛋白表达以及遗传、生理和相关分子生物学实验证明CPN601通过控制RbcL和PsbP蛋白稳定性来调控叶片低锰条件下的生长发育。