中国水稻研究所胡培松/魏祥进研究团队揭示低温逆境下维持水稻叶绿体正常发育的新机制学术资讯

叶绿体是植物进行光合作用的细胞器，为植物生长发育提供必要的能量和代谢物质。叶绿体是一个半自主细胞器，自身包含了少量遗传信息，其正常发育并行使功能需要质体和核基因组的协同作用。水稻叶绿体基因主要编码质体RNA聚合酶(PEP)核心亚基、核糖体蛋白、叶绿体tRNA、rRNA等。叶绿体基因的转录依赖于PEP和核编码的RNA聚合酶（NEP）的协同。PEP是由多亚基组成的细菌型聚合酶，其4个核心亚基由叶绿体基因编码，其余的亚基则全部由细胞核基因编码。在叶绿体发育早期，核编码的NEP起主要作用，优先转录质体PEP核心亚基，并建立叶绿体转录翻译系统。随着PEP活性的上升，叶绿体内光合作用相关基因得到高效表达。研究表明，核基因编码蛋白参与了叶绿体基因的转录后加工和修饰，如核基因编码的PPR家族蛋白已被证实参与叶绿体和线粒体RNA的剪接。PPR蛋白通常由多个PPR基序串联组成，根据基序内氨基酸数目可以把PPR分为P型和PLS型。高等植物中编码PPR家族的基因为数甚多，拟南芥全基因组包含约450个PPR基因，水稻基因组中包含有约477个PPR基因。PPR蛋白广泛参与植物的生长发育，如叶片发育、生殖细胞发育和种子的发育等。同时，也有实验证明PPR蛋白参与植物逆境下的生长发育。目前，大多数PPR蛋白的生物学功能及其参与植物逆境生长发育的分子机理尚不清楚。

中国水稻研究所胡培松/魏祥进研究团队近日在JIPB上在线发表了题为“CDE4 encodes a pentatricopeptide repeat protein involved in chloroplast RNA splicing and affects chloroplast development under low-temperature conditions in rice”（https://doi.org/10.1111/jipb.13147）的研究论文。该研究发现PPR蛋白CDE4参与叶绿体基因RNA剪切，并能够与鸟苷酸激酶(V2)互作，在低温逆境下水稻叶绿体稳定发育维持光合作用起着关键的作用。

该研究筛选到了一个低温白化的水稻突变体cde4，突变体在20°C低温逆境下叶绿体发育异常，叶片呈现白化，而在32℃环境中为正常绿色，叶绿体发育正常，内囊体基粒结构清晰。图位克隆发现CDE4编码一个定位在叶绿体的新的P型PPR蛋白。CDE4的表达受低温胁迫诱导，并在水稻幼苗嫩叶（L4）中高表达。叶绿体基因RNA编辑与剪切情况分析，发现在20℃的时候突变体cde4中叶绿体基因rpl2，ndhA和ndhB的内含子不能被正常剪切，叶绿16S和23S核糖体RNA积累显著下降。而在32°C条件下，上述叶绿体基因pre-mRNA能被正常剪切。RNA凝胶阻滞实验（EMSA）实验证明CDE4可以直接结合到rpl2，ndhA和ndhB内含子剪切位点。叶绿体发育相关基因表达分析发现，低温条件下，突变体cde4中依赖PEP转录系统的叶绿体基因的转录显著下降，而核编码的叶绿体转录翻译系统及发育相关基因表达量显著上升。酵母双杂交与Pull down实验等证明了CDE4能够与鸟苷酸激酶(V2)互作，体外蛋白降解实验表明V2可以增强CDE4的稳定性。在突变体cde4中过量表达V2，过表达株系的叶绿体pre-mRNA在低温条件下也可以被正常剪接，叶绿体发育及叶色均恢复正常。本研究阐明了PPR蛋白CDE4在低温胁迫条件下维持水稻叶绿体正常发育的分子机理，对深入了解PPR蛋白家族参与叶绿体发育调控的分子机理具有重要意义。