硫氧还蛋白Trx m4参与叶绿体分裂及其作用机制的研究

正常的叶绿体分裂对植物维持高的光合效率及适应外界环境变化非常重要。我们前期发现：硫氧还蛋白Trx m4缺失导致叶绿体分裂异常；并初步观察到Trx m4与叶绿体分裂相关蛋白AtMinD1、GC1及MSL2互作；有趣的是，Trx m4过表达也会抑制细菌细胞分裂，且该抑制作用依赖于Trx m4的还原活性。为深入研究Trx m4参与叶绿体分裂的作用机制，本项目拟首先探讨Trx m4还原活性对叶绿体分裂的影响；继而研究Trx m4对叶绿体分裂蛋白氧化还原状态调节在叶绿体分裂中的作用，特别是Trx m4介导的AtMinD1氧化还原状态调节对叶绿体分裂位点决定的作用；进一步探讨Trx m4的上游（光合作用）与叶绿体分裂的关系。本研究将阐明硫氧还蛋白在叶绿体分裂中的作用，并可能揭示一种新的叶绿体分裂调控机制，即光合作用→电子传递（Fd/FTR）→硫氧还蛋白还原→叶绿体分裂蛋白氧化还原状态调节→叶绿体分裂。

叶绿体是光合作用的重要场所，植物形成了精细的调控机制以保证叶绿体发育、分裂与光合活性的有效维持。在线性光合电子传递链的末端，铁氧还蛋白（Fd）、铁氧还蛋白:硫氧还蛋白还原酶（FTR）和硫氧还蛋白（TRX）形成了光合自养型生物特有的Fd-FTR-TRX氧还系统。其中，硫氧还蛋白（Trx）是一类分布广泛的小分子量还原性酶类，负责调节蛋白分子内或分子间二硫键的开闭。本项目前期发现Trx m4蛋白与叶绿体分裂机器Min系统中的分裂位点决定蛋白AtMinD1，存在氧还依赖性互作，并且Trx m4的一个缺失突变体（pst15717）呈现叶绿体分裂异常表型。本项目的主要计划是，探究Trx m4与叶绿体分裂异常的关系及其原因，并进一步探讨Trx m4上游光合电子传递链对光合活性的调控关系。项目执行期间，在按完成分析叶绿体相关分裂调控、明确Trx m4与叶绿体分裂异常关系的基础上，就叶绿体Fd-FTR-TRX氧还系统对于叶绿体发育以及光合活性调控开展了探讨：（1）分析了Trx m4的氧还蛋白特性，明确了AtMinD1与Trx m4氧还互作的关键位点；然而，Trx m4缺失突变体（pst15717）中存在AtMinD1新点突变位点，回补实验表明Trx m4缺失并不是导致其叶绿体分裂异常的原因。（2）发现Min系统在叶绿体分裂与非绿色质体分裂中功能发生了分化，但PARC6及ARC12作为必须元件，同样通过调控FtsZ蛋白组装与定位来影响分裂（2013，PLoS ONE）。（3）发现TRX m4以及其同源蛋白作为叶绿体光合电子传递链重要功能复合物（PSII）组装辅助新因子，参与PSII早期生物发生调控，提示一种新的氧还调控光系统复合物生物发生机制（2013，Plant Physiology，封面文章）。此外，发现铁氧还蛋白:硫氧还蛋白还原酶（FTR）通过调控叶绿体基因的转录，影响PSII等复合物的生物发生以及叶绿体的正常发育（2014，Molecular Plant）。（4）发现Fd-FTR-TRX 氧还系统重要成员——铁氧还蛋白（Fd2）在长期强光应答中发挥负调控功能，提示了一种植物长期强光适应新模式（2013，Plant Journal，F1000 推荐）。本项目的研究，为了解叶绿体分裂调控机制以及Fd-FTR-TRX 氧还系统在叶绿体发育与光合活性调控方面的重要功能，提供了有益信息。