拟南芥叶绿素合成基因CBD1的鉴定及其调控镁螯合酶活性的机制研究

Photosynthesis is a fundamental process that supports organic life in the biosphere. As the most abundant pigment in photosynthetic organism, chlorophyll plays vital roles in harvesting light energy in the antenna systems and driving electron transfer in the reaction centers. We have previously acquired a yellowish mutant cbd1, and identified that chloroplast located CBD1 participated in the chlorophyll biosynthetic pathway and plays vital roles in regulation of Mg homeostasis in chloroplast. Chlorophyll biosynthesis is strictly regulated, magnesium chelatase is the first unique enzyme in this pathway, it is a complex composed of three subunits, CHLI, CHLD and CHLH/GUN5. Our previous results suggested that CBD1 could interact with CHLH/GUN5, and double mutant cbd1gun5 exhibited extremely chlorotic and stunted growth. In this proposal, we plan to investigate in the aspects of chlorophyll biosynthesis, ion transport property and the effects on photosynthesis in combination with multiple research approaches in molecular cell biology, genetics, plant physiology and electrophysiology, to reveal the function of CBD1 and the interaction mechanism between CBD1 and CHLH/GUN5 intensively. This proposal could not only bring brand-new insights into illuminating the regulation mechanism of the chlorophyll biosynthetic pathway, the screening of leaf coloration mutants could also provide theoretical basis for innovating the germplasm resources.

光合作用是地球生命的能量源泉，作为光合反应中的主要色素，叶绿素负责吸收和传递光能。本项目前期获得了一株叶色黄化的突变体cbd1，通过初步研究我们发现定位于叶绿体的未知蛋白CBD1参与了叶绿素合成途径，并在叶绿体镁离子稳态的调控中发挥着重要的作用。叶绿素的合成与代谢是一个高度有序的过程，镁螯合酶是叶绿素合成途径分支的第一个酶，由I、D、H三个亚基构成。我们发现CBD1与镁螯合酶的H亚基CHLH之间存在互作关系，且cbd1与chlh/gun5的双突变体cbd1gun5呈现极度黄化矮小、生长严重受阻的表型。本项目拟从叶绿素合成、离子转运活性以及对光合作用的影响等方面入手，综合利用分子细胞生物学、植物生理学以及电生理等方法，对CBD1的功能以及与CHLH/GUN5的作用机制展开深入探究。本项目不仅为阐明叶绿素合成途径的调控机制提供了新的思路，还可为开展高光效育种等种质资源创新提供理论基础。

叶绿素作为叶绿体中含量最丰富的光合色素，在光合电子传递链中起着重要的作用，因此叶绿素的合成对光合反应的进行和叶绿体的发育至关重要。在光合生物体内，叶绿素合成是一个高度有序的过程，然而叶绿素合成途径复杂多样，因此植物需要通过不同调控水平的协同作用来平衡叶绿素代谢以适应不同条件下植物对叶绿素的需求。. 本项目前期鉴定得到了未知功能基因CBD1可能参与了叶绿素合成途径。CBD1定位于类囊体膜，并在植物的地上部绿色组织中表达量较高。Cbd1突变体在正常生长条件下呈现叶绿素含量降低的黄化表型。此外通过共表达分析，我们发现CBD1与叶绿素合成途径中的镁螯合酶催化亚基CHLH/GUN5存在较高的共表达系数，且CBD1与CHLH/GUN5具有一致的节律性和相同的表达模式。为进一步分析CBD1与CHLH/GUN5的功能相关性，本项目构建了cbd1gun5双突变体。在正常生长条件下，cbd1gun5双突变体与单突变体亲本相比呈现更为明显的黄化矮小的表型。通过对叶绿素合成途径的中间产物含量进行分析，发现cbd1与cbd1gun5中都出现了镁卟啉（Mg-Proto IX）过量累积的情况。此外，CBD1和GUN5还共同调控了叶绿体发育和光合作用过程，说明二者在多个生物学过程中具有功能相关性。同时该项目还分别在体内与体外证明了CBD1具有Mg2+转运活性，CBD1的缺失导致类囊体中镁含量显著降低。镁不仅是叶绿素分子的组成成分，同时也是叶绿体内多种酶的辅因子。有研究证明，过量的Mg2+会抑制镁卟啉甲基转移酶（MgMT）的活性。因此，该研究提出，CBD1可能与CHLH/GUN5协同调控了Mg-Proto IX的代谢，并通过影响叶绿体内的Mg2+稳态来调控MgMT的活性，并对镁卟啉甲基化这一酶促反应步骤进行调控。该研究为深入探究叶绿素合成途径的调控机制提供了新的方向。