Plant Physiol | 浙江农科院万红建等解析控制植物进化的能量代谢基础的难题

蔗糖转化酶是植物蔗糖代谢的关键酶之一，可以分为酸性蔗糖转化酶（CWIN 和VIN）和中性/碱性蔗糖转化酶（CIN）是植物蔗糖代谢的关键酶之一，前者主要位于液泡和细胞壁，后者主要定位于细胞质，叶绿体和线粒体。酸性蔗糖转化酶主要承担着植物生长发育（如育性、果实品质）及其逆境（干旱、低温）等功能，然而由于CIN突变具有致死效应，因此，目前研究者关于CIN相关研究报道较少。

近日，浙江省农业科学院蔬菜研究所万红建副研究员联合澳大利亚国立大学，德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所等研究人员在Plant Physiology在线发表了题为Evolution of cytosolic and organellar invertases empowered the colonization and thriving of land plants的研究论文，揭示了基于CIN的植物进化的能量代谢基础问题。

能量代谢是植物生长发育的基础。在进化过程中，植物呼吸作用模式从有无氧呼吸（水生植物）逐渐过渡到以有氧呼吸为主，无氧呼吸为辅（陆生植物）， 同时生长速率也快速提高。在这漫长的进化过程中，关键的能量代谢发生了什么变化来支撑了陆生植物在地球上的蔓延？为探索此难题，中澳德有关科学家研究利用进化生物学、功能基因组学及其基因组学等方法，揭示了植物CIN在呼吸和光合作用中可能承担的潜在功能。

植物CINs起源于蓝藻同源祖先基因，并通过内共生基因转移形成叶绿体CIN (α1研究)，而其在藻类中的重复并失去其信号肽，在细胞质中产生β亚家族CINs。线粒体CINs (α2)来源于叶绿体CINs的复制，并与维管植物共同进化。重要的是，随着种子植物的出现，线粒体和叶绿体CINs的拷贝数增加，与呼吸、光合和生长速率的增加相对应。细胞质CIN (β亚家族)从藻类到裸子植物不断扩大，表明其在进化过程中支持碳利用效率的提高。亲和纯化质谱鉴定出一系列与α1和2 CINs相互作用的蛋白，这表明它们在质体和线粒体糖酵解、氧化应激耐受性和亚细胞糖稳态维持中发挥作用。总的来说，这些发现表明α1和α2 CINs分别在叶绿体和线粒体中实现高光合速率和呼吸速率的进化作用，这与细胞质CINs的重复一起，可能通过促进快速生长和生物量来支持陆地植物的繁衍。

浙江省农业科学院省部共建国家重点实验/蔬菜所万红建副研究员和德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所Youjun Zhang为共同第一作者，澳大利亚国立大学/西北农林科技大学Yong-Ling Ruan教授和德国马克斯·普朗克分子植物生理学研究所Alisdair R Fernie教授为论文共同通讯作者。该研究得到了省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室、国家现代农业产业技术体系和浙江省农业新品种选育重大科技专项等项目经费的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiad401