核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶（Rubisco）兼具羧化酶與加氧酶活性。其加氧反應(yīng)會生成3-磷酸甘油酸和2-磷酸乙醇酸（2-PG），后者可抑制卡爾文循環(huán)中的多種酶，從而影響植物的光合碳固定。光呼吸始于對2-PG的代謝，其第一步反應(yīng)由磷酸乙醇酸磷酸酶（PGLP）催化。光呼吸循環(huán)最終將2-PG轉(zhuǎn)化為3-磷酸甘油酸。這一途徑具有重要生理功能：一方面，它能代謝有毒物質(zhì)2-PG并回收有機碳，保障植物在有氧條件下的正常光合作用；另一方面，可通過消耗多余能量與還原力，幫助植物在逆境中維持光合作用并增強抗逆性。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時（如由暗轉(zhuǎn)光或遭遇高光脅迫），光呼吸速率會顯著上升，這是植物適應(yīng)環(huán)境的重要機制。然而，光呼吸代謝如何快速響應(yīng)環(huán)境變化的分子機理尚不完全明確。
近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)彭新湘/朱國輝團隊在植物學(xué)TOP期刊Journal of Integrative Plant Biology（五年影響因子10.8）上發(fā)表了題為“Redox modulation of PGLP1 oligomerization mediated by thioredoxinf is crucial for plant responses to high light and fluctuating light”的研究論文。該研究揭示了PGLP1作為硫氧還蛋白f（Trxf）的作用靶點，能夠通過氧化還原依賴的寡聚化狀態(tài)轉(zhuǎn)變來響應(yīng)光環(huán)境變化，從而實現(xiàn)對光呼吸代謝的精細調(diào)控。
研究表明，擬南芥PGLP的酶活性受氧化還原狀態(tài)嚴(yán)格調(diào)控，光照或還原條件可迅速激活其活性，而黑暗或氧化條件則會抑制其活性。生化分析顯示，光暗變化會影響PGLP1的寡聚狀態(tài)：暗處理促進其形成低活性寡聚體，光照則促使它解聚為高活性二聚體。體內(nèi)外實驗進一步表明，PGLP1第320位半胱氨酸（Cys320）是氧化還原調(diào)控的關(guān)鍵位點；該位點突變（C320S）會減少氧化或光照條件下PGLP1寡聚體的形成。研究還發(fā)現(xiàn)，葉綠體硫氧還蛋白Trxf（包括Trxf1和Trxf2）能與PGLP1直接互作。在暗轉(zhuǎn)光過程中，與野生型相比，trxf突變體中PGLP1寡聚體豐度更高、酶活更低，說明Trxf參與介導(dǎo)了光依賴的PGLP激活。
此外，研究鑒定到一個擬南芥PGLP1弱表型等位突變體pglp1-2。在該突變體中回補由其自身啟動子驅(qū)動的野生型PGLP1（Compl-WT）或Cys320突變體PGLP1（Compl-C320S），發(fā)現(xiàn)Compl-C320S株系的PGLP活性較高，在強光或波動光條件下表現(xiàn)出更高的光呼吸速率與光合效率，以及更強的逆境耐受能力。這表明提高PGLP活性可優(yōu)化光呼吸代謝，從而增強植物對高光等環(huán)境脅迫的適應(yīng)性。
圖1 PGLP1氧化還原修飾及其調(diào)節(jié)光呼吸與植物環(huán)境適應(yīng)性
已有研究顯示，光依賴的蛋白質(zhì)氧化還原修飾可精細調(diào)控光合電子傳遞、卡爾文循環(huán)、ATP和葉綠素合成等多個光合相關(guān)過程。本研究揭示了一種由Trx介導(dǎo)的光依賴型PGLP1氧化還原調(diào)控新機制（圖1），將光呼吸整合到植物響應(yīng)光環(huán)境變化的整體代謝網(wǎng)絡(luò)中。該機制有助于保障葉綠體內(nèi)多種代謝過程的協(xié)同進行與能量的有效利用。研究結(jié)果也為通過遺傳改良光呼吸關(guān)鍵酶、提高作物光能利用效率提供了新思路。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后席悅、博士生黎光儒和已畢業(yè)碩士生彭秋妃為論文共同第一作者，朱國輝教授為論文通訊作者。彭新湘研究員和張智勝副研究員參與指導(dǎo)了本研究。研究得到了國家自然科學(xué)基金、生物育種國家科技重大專項和中國博士后科學(xué)基金的資助。
相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1111/jipb.70152
文圖/生命科學(xué)學(xué)院
