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我院卢山教授在植物代谢调控研究取得重要进展
发布日期:2017-06-13    浏览次数:4576次    关键词:

   6月12日,美国科学院院报(PNAS)在线发表了我校生命科学学院卢山教授实验室题为”A recruiting protein of geranylgeranyl diphosphate synthase controls metabolic flux toward chlorophyll biosynthesis in rice”的研究论文(http://www.pnas.org/content/early/2017/06/07/1705689114)。该论文发现水稻通过一个招募蛋白GRP将关键酶牻牛儿基牻牛儿基二磷酸(GGPP)合酶(GGPPS)结合到类囊体上,从而优先为叶绿素植烯侧链的合成提供底物。

   叶绿素是最重要的有机化合物。关于叶绿素的合成研究多集中在其卟啉环的代谢过程,而对其植烯侧链的供应了解很少。植烯来自于叶绿体中的GGPP,但是GGPP同时也是植物三种激素(赤霉素、脱落酸、独脚金内酯)以及类胡萝卜素等重要生理物质的合成前体(图1)。这些合成过程分布于叶绿体的基质和类囊体等不同区室中。植物如何精确调配GGPP供应,以同时满足不同物质的合成,始终令人困惑,也是很多代谢调控工作无法绕过的问题。


   卢山教授实验室由孙文竹同学(2006-2010)在本科论文工作中发现,在拟南芥和水稻中对GGPP的竞争存在主次之分。随后由周飞同学(2006-2016)通过对GGPPS的研究发现,其可以在叶绿体基质中形成同源二聚体,而在类囊体中与GRP蛋白组成异源二聚体。酶活分析、晶体结构解析和点突变研究的结果证明异源二聚体结合能力更强,且酶促活性更高、反应更专一(图2)。根据对突变体植株的研究表明,水稻利用GRP调控GGPPS在同源和异源二聚体之间的分配,并以此调配GGPPS在叶绿体基质和类囊体上的分布和酶活。该研究还进一步证实,叶绿素的生物合成有赖于在类囊体上由GGPPS/GRP异源二聚体所产生的GGPP。

   A. GGPPS/GRP异源二聚体结构及界面氨基酸组成。B. GGPPS/GGPPS同源二聚体结构及界面氨基酸组成。C. GGPPS的H145及D177以及GRP中对应的H126*和D158*是形成二聚体所必须的。D. GRP中R68*比GGPPS中对应的A93更有利于二聚体的结合。E. GRP中F132*、F161*、F204*比GGPPS中对应的M151、L180、V227更有利于二聚体的结合。

  “光合作用是地球上最重要的化学反应,叶绿素是光合作用的关键分子。这项研究发现了水稻叶绿体中的一个新的蛋白GRP,它犹如一个向导,将叶绿素合成的关键酶带到叶绿体中的特殊结构--类囊体--中,从而源源不断地将底物转化为叶绿素,保证这个重要的反应不受其它代谢过程的干扰。细胞代谢是一个复杂的网络,有许多分支,轻重缓急各不相同,但光合作用是叶绿体的主业。GRP蛋白的发现很好地解释了植物对叶绿素合成的保障机制。水稻是重要的粮食作物,本研究对农作物生产也具有重要意义”。植物生理学家、中国科学院院士陈晓亚研究员接受采访时说。

   该工作得到国家重点基础研究发展计划(973)的支持,研究人员来自南京大学、南京农业大学、上海交通大学、中科院上海植物生理生态研究所的四个国家重点实验室以及美国普渡大学。南京大学生命科学学院周飞同学和卢山教授分别为本文的第一作者和通讯作者。(生命科学学院 科学技术处)


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