Nature Comm. | 铁、磷通过叶绿体逆行信号调节光合作用的机制

撰文 | SHR

责编 | 王一

叶绿体是植物进行光合作用的重要场所，因此叶绿体的组成及功能是决定植物正常生长发育的关键因子。铁是影响叶绿体功能的重要营养元素，研究表明，叶片中80%的铁位于叶绿体中，并参与构成电子传递复合体 PSI/PSII、细胞色素b6f复合体以及铁氧还蛋白等并在电子传递过程中发挥重要作用 【1】 。因此，缺铁 （-Fe） 通常会导致植物出现失绿以及光合速率降低的症状 【2】 。然而，即使铁元素充足，高磷 （+P） 营养也会导致叶片失绿，并且最近在水稻中的一项研究发现当同时缺铁和磷 （-Fe-P） 时，植物并未出现失绿症状 【3,4】 。上述研究结果表明养分有效性，尤其是铁磷有效性的相互关系会影响叶绿体功能和光合作用，这对传统的关于铁依赖性叶绿素积累的认知提出了质疑，对这一现象的进一步探索对叶绿体光合作用的调控认知至关重要。

近日，美国Carnegie Institution for Science的Seung Y. Rhee及其合作者在Nature Communications上发表了题为Interdependent iron and phosphorus availability controls photosynthesis through retrograde signaling的研究论文，该研究基于转录组学和全基因组关联研究 (GWAS) ，鉴定了铁磷有效性调控叶绿素积累和光合能力的关键基因和调控模块，并揭示了一种基于叶绿体逆行信号调节的光合作用养分适应性机制。

该研究首先在不同作物中评估了Fe有效性对叶片失绿表型的影响，结果发现-Fe引发的失绿症状仅发生在P充足 （-Fe+P） 条件下，而在-Fe-P 条件下叶片保持绿色和叶绿素积累。然而，这两种情况下的叶片Fe水平并无显著差异，表明-Fe介导的叶片失绿是P依赖性的 （非Fe含量依赖性） 。转录组分析结果也显示，-Fe+P和 -Fe-P条件下转录本受到特异性调节，受-Fe+P 特异性下调而不受 -Fe-P 影响的 32 个基因的 GO 分析显示与叶绿体和光合相关过程有关。上述研究结果充分表明-Fe对叶绿体功能的转录调控依赖于P有效性。

在此基础上，该研究通过检索727 个拟南芥种质中已发表的这32个光合相关基因 （PRG） 的mRNA水平 【5】 ，发现它们是彼此正相关且共同调控的。通过GWAS分析，该研究鉴定到38 个 QTL （共包含145个基因） ，其中4 号染色体 (SNP171674) 上的AT4G00370 ( PHT4;4 ) 基因功能缺失株系在-Fe-P条件下会出现失绿表型和叶绿素含量的显著降低。PHT4;4编码一种将Pi和抗坏血酸 （AsA） 转运至叶绿体的转运蛋白 【6】 。然而，其他Pi转运蛋白编码基因的突变并未引起相似表型，表明PHT4;4的功能可能与AsA转运有关。基于该假设，研究人员进一步评估了Fe、P有效性对AsA 生物合成相关基因VTC （VITAMIN C） 表达水平的影响以及AsA水平和叶片失绿表型的关联。结果显示，-Fe-P 上调了VTC表达而-Fe+P处理导致VTC表达显著降低。此外，vtc4突变体在-Fe-P条件下仍然失绿，再次表明AsA在铁磷有效性介导失绿表型中的重要性。同时，研究发现-Fe+P导致AsA水平显著降低而-Fe-P条件下未发生显著变化，外源AsA可以部分缓解-Fe+P导致的野生型和vtc4突变株系 （非pht4;4突变体） 失绿症状，表明-Fe-P 条件下的绿色表型需要将AsA转运到叶绿体中。

PHT4;4 prevents chlorosis under the combined deficiency of iron and phosphorus

该研究还在GWAS分析结果中筛选了潜在的影响PRG表达的转录调控因子，发现bZIP58 (AT1G13600) 具有最强峰。研究发现，-Fe会显著下调bZIP58表达但是-P或者添加AsA可以减轻这种抑制，表明bZIP58表达与植物绿色表型一致。与此一致的是，bzip58突变株中32 个PRGs表达组成性下调并且bZIP58可以直接激活一些PRG的表达。此外，bZIP58 定位于细胞核以发挥转录调控作用。上述结果表明bZIP58 是以 Fe 依赖性方式调节 PRG 表达的关键基因。此外，AsA 补充不能恢复bzip58突变体的失绿表型，表明bZIP58 位于 AsA 的下游发挥功能。

AsA是一种关键的抗氧化物质，因此研究人员假设ROS信号可能在该过程中发挥部分功能。试验结果显示，-Fe+P 处理导致ROS积累水平显著提高，此外，pht4;4并未显著影响 +Fe+P 和 -Fe+P 条件下的ROS积累但是bzip58突变株系表现出ROS积累的组成性增加。研究还发现，外源ROS导致bZIP58转录水平显著降低，表明ROS 作为质体信号在 -Fe+P 条件影响叶绿素含量和 PRGs 表达中发挥作用。此外，在ROS 诱导型启动子的控制下表达 bZIP58 可以显著增强PRGs的积累和表达，表明-Fe+P诱导的失绿是通过ROS控制的bZIP58介导的。

Schematic model delineating a signaling pathway that integrates Fe and P availability cues to regulate chlorophyll accumulation and photosynthesis genes.

综上所述，该研究表明缺铁通过叶绿体抗坏血酸转运蛋白编码基因PHT4;4和核转录因子bZIP58调控光合相关基因表达和叶片表型，同时强调了ROS介导的叶绿体逆行信号通过在光合作用适应铁磷有效性中的关键调节作用。研究结果为未来作物养分管理提供了新的思路。

参考文献

【1】Lill, R. Function and biogenesis of iron–sulphur proteins.Nature460, 831 (2009).

【2】Marschner, H.Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd edn. (Academic Press, Elsevier, 1995).

【3】DeKock, P. C., Hall, A. & Inkson, R. H. E. Active iron in plant leaves.Ann. Bot.43, 737–740 (1979).

【4】Saenchai, C. et al. The involvement of OsPHO1; 1 in the regulation of iron transport through integration of phosphate and zinc deficiency signaling. Front. Plant Sci.7, 396 (2016).

【5】Kawakatsu, T. et al. Epigenomic diversity in a global collection of Arabidopsis thaliana accessions. Cell 166, 492–505 (2016).

【6】Miyaji, T. et al. AtPHT4; 4 is a chloroplast-localized ascorbate transporter in Arabidopsis.Nat. Commun.6, 5928 (2015).

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27548-2