Mol Plant | 植物的幼叶如何通过叶绿素降解进行光保护？—— 拟南芥叶绿素酶在幼叶中光保护作...
叶绿素是最重要的光合作用色素，主要分布于类囊体膜PSI和PSII的捕光色素复合体（LHCI/II）中，负责光能的捕获和传递。在PSII反应中心的核心复合体（PSII core）中，一个D1核心蛋白结合3个特殊状态的叶绿素a分子和1个去镁叶绿素a（Phein a）分子, 催化光化学反应的进行，将光能转变为电能。PSII核心蛋白D1对光高度敏感，极易受光损伤，导致PSII活性降低，出现光伤害（光抑制）。高等植物的叶绿体存在PSII修复循环途径以恢复PSII活性，该途径首先降解受损的D1，新合成的D1才能替代原有的D1，从而恢复PSII的活性。人们推测，与D1蛋白结合的叶绿素的降解是D1得以降解的前提，但在D1降解过程中这些叶绿素是如何降解的目前还不清楚。
2021年4月12日，Molecular Plant在线发表了华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室/生命科学学院/园艺学院庞学群/张昭其课题组题为“Arabidopsis CHLOROPHYLLASE 1 Protects Young Leaves from Long-term Photodamage by facilitating FtsH-mediated D1 degradation in photosystem II repair”的研究论文，首次发现拟南芥叶绿素酶在幼叶中具有光保护功能，并揭示了叶绿素酶协助PSII受损D1核心蛋白降解的分子机制。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.04.006
华南农业大学庞学群/张昭其课题组长期从事采后果蔬成熟与衰老过程中的色素代谢研究。2011年课题组在研究采后菜心叶绿素降解时发现，在采后菜心叶片衰老黄化过程中叶绿素酶（Chlorophyllase）基因表达很低且逐渐下降，而在幼叶中却呈现高表达，表明叶绿素酶可能不参与叶片衰老过程中的叶绿素降解，但叶绿素酶为什么在幼叶中高表达仍然是一个谜。叶绿素酶是一个已被发现近一个世纪的“古老”的酶、长期以来被认为是高等植物叶绿素降解途径的第一个酶，催化叶绿素的脱植基反应；然而，同时期针对拟南芥叶片衰老的研究却表明，叶片衰老时叶绿素降解过程中的脱植基反应由脱镁叶绿素水解酶（Pheophytin Pheophorbide Hydrolase，PPH）催化而非叶绿素酶（Schelbert et al., 2009）。那么，植物幼叶中高丰度叶绿素酶具有什么生物学功能呢？
课题组以拟南芥幼叶为材料，系统研究了叶绿素酶在幼叶中的光保护功能。拟南芥基因组编码两个叶绿素酶（CLH1/2），CLH1/2在幼叶中的基因表达、蛋白水平和酶活力均远远高于成熟和衰老期的叶片；clh1 单突变体和clh1-1/2-2 双突变体的幼苗在中等高光（680 μmol photons m–2·s–1）长时间（>12小时）持续照射下，比野生型表现出更严重的光伤害，积累更多的光保护色素（花色素苷）以降低光伤害，而clh2单突体表型与野生型差异不大；过表达CLH1提高了幼苗对高光的耐受性，说明CLH1在幼叶光保护中起重要作用。
拟南芥CLH1没有叶绿体定位信号肽，人们对于CLH是否定位于叶绿体一直存在很大争议。我们利用亚细胞组分免疫印迹、过表达CLH1-GFP融合蛋白的转基因植株、免疫胶体金结合透射电镜技术等研究发现，CLH1可定位于幼叶正在发育的叶绿体中，而在成熟和衰老叶片中，却定位于叶绿体外，即CLH1的定位与叶绿体的发育程度有关，与前人在衰老叶片中发现CLH1定位于叶绿体外的结果并不矛盾。
幼叶的蓝绿胶印迹发现CLH1主要与PSII正在解离的复合体PSII core 及其降解产物RC47复合体共迁移；高光照射后，CLH1主要分布于基粒边缘的RC47复合体上，说明CLH1参与了高光胁迫导致的PSII解体。免疫共沉淀与Pull-Down实验表明，CLH1与PSII核心蛋白CP43、CP47和LHCb1等互作，且与降解D1的关键蛋白酶FtsH2（VAR2）通过其AAA解折叠酶结构域互作。高光持续照射12小时以上，clh1-1/2-2 双突变体D1震荡的节奏发生改变，受损D1的降解比野生型（WT）延迟，从而积累较高水平的受损D1，导致光伤害；与野生型相比，clh1-1/2-2 的FtsH2水平也较低，表明CLH1可调节FtsH2水平影响D1降解。此外，体外反应表明，原核表达的CLH1可以恢复clh1-1/2-2和var2-2花叶突变体游离类囊体膜中受损D1的降解，说明CLH1参与了PSII受损D1的降解。在var2-2突变体背景上过表达CLH1可恢复其野生型表型，并恢复其受损D1降解，而var2-2 clh1-1/2-2 三突变体表现出更严重的花叶表型和幼苗死亡。这些遗传学数据表明CLH1与FtsH2（VAR2）在同一生化途径起作用（图1）。
图1 CLH1与PSII core/RC47/FtsH2互作在幼叶中促进FtsH介导的D1降解
终上所述， CLH1可定位于幼叶叶绿体中，与PSII解体中间复合体PSII core /RC47互作，通过催化叶绿素的脱植基反应，释放结合在D1上的叶绿素，从而补偿高光胁迫导致的FtsH2解折叠活力的不足，促进受损D1的降解。我们认为，叶绿素酶正是人们长期以来寻找的参与D1降解的叶绿素降解酶，通过协助FtsH对受损D1蛋白的降解在幼叶中起光保护功能（图2）。
图2 叶绿素酶1在幼叶光保护中的机制模型
华南农业大学庞学群教授和园艺学院张昭其教授课题组的田亚楠博士（生命科学学院2020届毕业生）为该论文的第一作者，生命科学学院庞学群教授和园艺学院张昭其教授为共同通讯作者，课题组博士研究生钟锐豪和魏俊斌分别为第二和第三作者。该研究得到国家自然科学基金(31272214和31171988)与科技部国家重点基础研究（973项目）课题（2013CB127105）的资助。