拟南芥MORF蛋白调控叶绿体发育的分子机理

Chloroplast development is essential for plant photosynthesis and life activities and is regulated by many intrinsic factors. Among them, the protease-mediated chloroplast protein homeostasis is crucial for chloroplast development. MORF (multiple organellar RNA editing factor) protein family affects multiple organellar RNA editing efficiencies in flowering plant. It was observed that the plastid-localized MORF2 and MORF9 are essential for the normal development of chloroplasts. However, the mechanism of how MORF proteins mediate chloroplast development is still unknown. Using yeast two-hybrid screening from an Arabidopsis cDNA library, we identified some novel MORF2-interacting proteins, including MIP3 and MIP5, which are predicted to regulate the activity of chloroplast-localized proteasomes. In this project, we will explore the interaction between MORF2/9 and MIP3/5, their expression patterns and protein localization, their impact on chloroplast physiological functions, the regulation between MORF and MIP as well as their evolution. We propose to elucidate the biological significance and molecular mechanism of the MORF2/9-MIP3/5 interaction in regulating chloroplast development, and to reveal the function and mechanism of chloroplast protease systems and the significance of MORF family during plant evolution.

叶绿体发育是维持植物光合作用和正常生命活动的基础。叶绿体的发育受植物内部多种因素的调控，其中叶绿体蛋白酶介导的蛋白稳态平衡发挥重要作用。MORF（Multiple organellar RNA editing factor）是最初鉴定出影响植物细胞器RNA编辑的一类蛋白因子。前期观察到质体定位的MORF2和MORF9对叶绿体的正常发育是必需的，但MORF蛋白如何调控叶绿体发育的机制尚不得而知。我们通过酵母双杂交筛选拟南芥cDNA文库得到新的MORF2互作蛋白MIP3和MIP5，预测两者调控叶绿体蛋白酶活性。本项目将从MORF与MIP的互作关系、表达模式与蛋白定位、影响叶绿体发育的生理功能、MORF与MIP相互调控的关系以及进化分析等方面，阐明MORF2/9与MIP3/5互作的生物学意义及其共同调控叶绿体发育的新机制，并揭示叶绿体蛋白酶的活性调控机理，解析MORF家族在植物进化中的意义。

叶绿体发育是维持光合作用和植物正常生命活动的基础。叶绿体发育受植物内部多种因素的调控，并且与叶绿素合成紧密关联。MORF是最初鉴定出影响细胞器RNA编辑的一类调控因子，前期观察到质体定位的MORF2和MORF9对叶绿体发育是必需的，本项目的主要研究目标是揭示MORF蛋白调控叶绿体发育的分子机制。.本项目综合运用生理、生化、细胞、遗传和分子生物学等技术手段，对MORF 2/9蛋白调控叶绿体发育的分子机制进行深入研究。取得的主要结果如下：光下ALA合成速率、黑暗下Pchlide积累、叶绿素合成中间产物Proto IX、MgP、MgPMME和血红素水平等生理指标分析表明，MORF2/9在叶绿素生物合成和叶绿体发育过程发挥重要作用。蛋白互作证明了MORF2/MORF9能够与合成途径催化酶GluTR、ALAD1、GUN4、PORB和CAO等蛋白在体外和体内发生互作。体外生化实验证明MORF2/9具有Holdase活性，其中MORF-box结构域发挥关键作用，表明其具有分子伴侣功能。生化实验进一步证明，MORF2/9对POR蛋白的正常积累不可或缺，并且它们影响镁螯合酶调节因子GUN4的丰度与活性。MORF9对多个质体RNA位点在高温条件下编辑水平的维持也很重要。同时，发现叶绿素合成关键酶PPO1在配子体发生和幼苗发育过程中调控有丝分裂细胞周期。因此，本项目解析了MORF2/9调控POR蛋白积累和GUN4复合体丰度并促进镁螯合酶活性的机制，揭示了MORF蛋白作为分子伴侣的生化性质，扩展了对MORF生物学功能的认识，为理解叶绿素生物合成与叶绿体发育的调控机制提供了新视角。.本项目圆满完成研究内容与预期目标，在New Phytologist和Plant Cell Physiology发表研究论文各1篇，申请专利1项，获得专利授权1项。培养博士研究生3名。