拟南芥叶绿体类TMEM165蛋白的镁离子转运特性及其功能研究

Magnesium (Mg) is the most abundant of divalent metal element in the chloroplast of higher plants, and necessary for photosynthetic response of the chloroplast. Therefore, Mg Controls the yield and quality of crops. However, molecular basis of transporters that contribute chloroplasts to uptake a large number of Mg2+ from the cytoplasm is not clear. We applied the systems, resulted from our groups studying a Mg2+ transporter family MGTs and other ion transporters from many years, to find that there are a class of highly conserved transmembrane protein TMEM165-like family in Arabidopsis thaliana, and that all 5 members of this family recovered the growth of low-Mg2+ absorption defective mutant strain MM281 under low Mg2+ environments. After two members of the TMEM165-like family may be located in the chloroplast using bioinformatics and the protein fluorescence molecular marker, this project is further to use various methods including plant molecular genetics, Western blot, voltage clamp and clamp technique to investigate the potential electrophysiological profiles of Mg2+ transportcharacters and functions in chloroplasts of these two TMEM165-like proteins. This project could provide theoretical guidelines and the gene candidates for molecular breeding to improve the Mg2+ absorption and photosynthetic efficiency of crops.

镁（Mg）是植物叶绿体中含量最为丰富的二价金属元素，也是叶绿体进行光合反应所必须的元素，控制着作物的产量与品质。但是，叶绿体如何从细胞质中吸收大量Mg2+的分子基础并不清楚。我们利用课题组多年的植物Mg2+转运体家族MGT和其它离子转运体相关研究所积累下来的体系，发现拟南芥存在一类进化高度保守的跨膜蛋白TMEM165家族类似蛋白，而且该家族所有的5个成员均可回补Mg2+吸收缺陷的突变菌株MM281在低镁条件下的生长。通过生物信息学和蛋白荧光分子标记进一步发现类TMEM165家族两个成员可能位于叶绿体后，本研究拟利用植物分子遗传学、蛋白免疫印迹、电压钳和膜片钳技术等方法研究这两个蛋白的Mg2+转运特性及其在叶绿体中的作用机理，以期为分子改良作物提高Mg2+吸收和光合效率提供了基因储备和理论指导。

叶绿体是光合作用的场所，拥有复杂而精细的光合系统。叶绿体含有多种金属离子以维持其生长发育和功能。但是，叶绿体如何吸收这些离子并不清楚。含有UPF0016结构的TMEM165家族蛋白是近几年发现的一种新型阳离子转运体家族，从细菌到各种真核生物均有分布。但是，并没有遗传学证据表明TMEM165蛋白的离子转运活性与生物学功能。本项目利用模本植物拟南芥作为研究材料，发现拟南芥基因组含有的5个可编码TMEM165基因后，荧光蛋白标记确认一个成员CMT1定位于叶绿体内膜。利用拟南芥T-DNA插入突变体，发现该成员的缺失导致植株生长及其矮小黄化。超微结构分析表明，cmt1突变体叶绿体基质类囊体减少；BN-PAGE与2D电泳发现突变体中的PSII超级复合物含量降低。利用叶绿素a荧光动力学参数和氧电极分析，分别发现突变体的光合效率产生异常和显著降低类囊体膜蛋白的放氧速率。电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）对野生型与突变体cmt1叶绿体的离子组进行分析，发现突变体叶绿体的Mn含量仅为野生型的38%。利用锰离子吸收缺陷型酵母突变株Δsmf1进行生长回补，发现切除叶绿体信号肽的CMT1能有效地恢复Δsmf1在低Mn2+环境下的生长。还有，CMT1也能回补镁离子吸收缺陷沙门氏菌突变株MM281在低Mg2+环境下的生长。综上，CMT1介导胞质中的锰/镁进入叶绿体，参与叶绿体的发育和光合作用的水光解。该成果作为封面文章发表在Molecular Plant期刊。由于CMT1的重要性，为高产作物的分子培育提高靶标和理论依据。该研究结果还可为该家族其它成员的功能鉴定奠定基础。还发表在Plant Cell Physiol和Plant Cell Environ的两篇文章，1篇文章在Plant Communications审稿过程。在该项目的资助下，培养出6位优秀的博士研究生和2位研究生。