New Phytologist|遗传发育所刘翠敏团队发现提高植物生产力的新途径
近日，New Phytologist在线发表了中科院遗传与发育生物学研究所/植物细胞与染色体工程国家重点实验室刘翠敏研究组题为“Engineering of the cytosolic form of phosphoglucose isomerase into chloroplasts improves plant photosynthesis and biomass”的研究论文，该研究以小麦磷酸葡糖异构酶的两种同工酶为研究对象，发现对胞质中的磷酸葡萄糖异构酶进行操纵使其在叶绿体中发挥作用可明显改善和提高植物的光合速率以及生物量。
淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的多糖，是植物叶绿体中最丰富的碳水化合物以及光合作用碳同化的产物，在碳收支中作为存储能源发挥着至关重要的作用。磷酸葡萄糖异构酶（PGI）催化葡萄糖6-磷酸（G6P）和果糖6-磷酸（F6P）之间的相互转化，是叶绿体中淀粉合成和胞质中蔗糖合成的重要代谢分子。鉴于PGIs在植物生化和谷物作物种植中的重要性，对其结构和功能进行深入研究尤为必要。
为探究PGI同工酶在小麦碳水化合物代谢中的作用，首先在小麦基因组中发现了6个PGI基因位点，分别命名为TaPGIc1AS、TaPGIc1BS、TaPGIc1DS、TaPGIp5AL、TaPGIp5BL和TaPGIp5DL（c代表胞质，p代表质体）。Q-PCR分析显示，TaPGIc1DS和TaPGIp5BL在灌浆期的小麦种子和旗叶中表达更为丰富，因此选其为进一步研究对象并分别重新命名为TaPGIc 和TaPGIp。两者重组纯化蛋白主要是同源二聚体，活性分析显示，重组纯化的PGIc比活力比源自小麦、水稻和拟南芥的PGIp质体同工酶高得多，其中小麦TaPGIc的活性最高，而且TaPGIc具有更好的热稳定性。此外，TaPGIc对底物F6P的亲和力略低，但周转速度较快。
为解析TaPGIc和TaPGIp之间活动差异的结构基础，对其晶体结构进行X射线衍射观察发现，两者的功能单元均为二聚体，但形状不同：PGIc类似球形，而PGIp外观为菱形。与PGIp相比，PGIc两亚基之间更紧密，这可能是它具有更高热稳定性的原因。TaPGIc和TaPGIp单体的结构比较和序列比对发现，螺旋环螺旋区和PGIS的C端存在两个差异明显的区域（R1和R2）。鉴于C端在稳定二聚体方面起着重要作用，因此建立了一系列截短突变体。结果发现，PGIcΔ545-567突变体中PGIc最后一个α-螺旋之前的截短导致蛋白聚集和活性消失，而在最后两个α-螺旋（PGIcΔ510-567突变体）之前的截短会导致单体活性消失（图1），这表明最后一个螺旋结构是二聚体形成的关键，该二聚体是PGIs的功能单元。
图2. TaPGIc和TaPGIp的晶体结构
对PGIc结合G6P底物的晶体结构进行解析发现，G6P结合域由来自其中一个亚基的Gly156、Ser157、Ser212、Lys213、Thr214、Thr217和Gln356以及另一亚基的His391形成。在H391A、H391K 和Q356A活性位点中氨基酸的单取代会导致活性消失，但不影响其二聚体状态。apo和G6P结合PGIc结构的比较表明，底物结合会引发结合域中氨基酸位置的位移，从而导致底物紧密结合（图2）。与PGIp相比，PGIc较低的底物亲和力和较快的周转率可能源自PGIc所拥有的较大结合域。
图2. TaPGIs的底物结合域
小麦胞质PGI比其质体同工酶表现出更高的活性，如果胞质同工酶取代质体PGI会出现什么结果呢？拟南芥pgip突变体的整体生势较弱，TaPGIc和TaPGIp均能补救突变体表型，其中TaPGIc的表达株系的生物量明显更高。免疫印迹结果显示，TaPGIs蛋白位于叶绿体。尽管转基因植株中PGI的量一致，但PGIc活性几乎是PGIp的两倍（图3）。
图3. WT、pgip突变体和转基因株系的表型分析
为探究PGIp对转基因植株生长的影响，对一系列光合参数进行了检测发现，与WT相比，两种转基因植物的光合作用速率均显著提高。TaPGIc转基因植株细胞间CO2的浓度较TaPGIp植株显著降低，表明较快的磷酸己糖周转速度加速了植物光合作用速率。PGIc植株的淀粉含量和生物量较WT明显增加，而PGIp转基因植株的淀粉含量较WT无明显差异，生物量增加较少。此外，TaPGIc转基因植株的单株种子产量增加显著，而TaPGIp植物则显示降低。以上表明，操纵叶绿体中淀粉的合成途径将最终影响植物的生物量和产量。
本研究所发掘的植物生产力改善策略较为直接且实用性强，易于操作，能够在后代植株中遗传稳定。除磷酸葡糖异构酶外，对其他淀粉合成途径中的关键酶进行操纵可能带来类似的效果。接下来需要进一步研究生物量的增加是否能提高田间生长条件下的作物产量。
原文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.17368
文章来源：植物生物学