拟南芥斑叶突变体thf1抑制子的基因克隆及其作用机理研究

叶绿体是植物进行光合作用的场所，在细胞能量转换和物质代谢过程中起着非常重要的作用。作为一个半自主的细胞器，叶绿体的发育及其功能维持受到自身基因和核基因的协同调控。但是，迄今人们对有关叶绿体发育的调控机理的认识还非常有限。近年来研究发现质体内蛋白质平衡被打破是导致斑叶突变体叶绿体发育受阻的主要原因。本项目以拟南芥斑叶突变体thf1(thylakoid formation 1)为起始材料，通过EMS诱变thf1突变体种子，筛选thf1斑叶形成的抑制子和克隆相关基因，并进一步研究基因功能及其作用机理，加深对叶绿体发育过程本质的认识，为今后运用生物技术改良作物的光合作用效率提供靶标基因。

光合作用为人类提供了所有的粮食和极大部分的能源，而叶绿体是绿色植物进行光合作用的细胞器。为了深入揭示叶绿体发育的分子机理，本项目以拟南芥斑叶突变体thf1(thylakoid formation 1)为起始材料，通过EMS诱变thf1突变体种子，筛选thf1斑叶形成的抑制子，以及克隆相关基因，阐明花斑形成的分子机制。通过本项目研究，我们克隆了三个能抑制thf1花斑表型的突变基因SOT5，SOT6和SOT8 (SUPPRESSOR OF THF1)，它们分别编码了定位于质体的，功能未知的pentatricopeptide-repeat (PPR) 蛋白EMB2279，质体核糖体大亚基蛋白PRPL11 (RIBOSOME LARGE SUBUNIT 11)和小亚基蛋白PRPS9 (RIBOSOME SMALL SUBUNIT9)。实验结果表明EMB2279特异地参与了质体基因rpl2(ribosome large subunit2)的RNA前体剪切。emb2279-2, prpl11-2, prps9突变体与野生型（WT）相比，总体上呈现一致的表型：叶绿素含量降低，叶绿体发育速度减慢，发育程度不完全，从而导致它们光合效率的降低。这些基因突变导致质体中蛋白翻译过程受到一定程度的抑制，质体核糖体RNA（rRNA）加工也不能正常进行，表明质体中蛋白翻译与rRNA的加工密切相关。因此，我们推测核糖体的正确组装可能是rRNA正常加工所必需的。遗传实验表明这些突变体也都能回复var2/ftsh2的斑叶表型，进一步支持THF1调控叶绿体发育依赖于FtsH。我们的研究结果也支持斑叶形成的蛋白平衡假说和阈值模型，即减慢thf1或var2叶绿体中蛋白质合成速率可以使叶绿体发育所需的FtsH阈值水平降低，从而使叶绿体发育正常，斑叶表型消失。