拟南芥YL1在盐胁迫引发质体向核反向调控信号中的重要功能探究

摘要

高盐环境可以通过离子毒害和渗透胁迫两方面破坏植物光系统组分，进而影响植物的生长与发育。前人研究结果表明盐胁迫诱导积累的植物体内的活性氧ROS会抑制PSⅡ蛋白的合成，进而抑制对PSⅡ的修复，使PSⅡ破坏与修复过程的动态平衡难以维持。其原因主要是植物碳同化过程对盐胁迫信号非常敏感。近年来，越来越多的证据表明，处于各种环境下的植物叶绿体也会通过释放一定的信号来调控核基因的表达，这类核基因主要是核编码的定位于叶绿体并能参与光合系统反应的基因。这种通过叶绿体释放信号来调控核基因表达的过程称之为反向调控信号(retrograde signaling)。植物利用这一信号通路，可以更有效的适应各种自然环境。本论文通过分析盐胁迫信号对质体发育的影响，阐明了在拟南芥中盐胁迫信号可以通过抑制YL1基因引发植物体质体基因表达缺陷信号(PGE-dependent signaling)，进而产生质体向核的反向调控信号。主要结果如下:
　　(1)我们构建了以拟南芥Col-0野生型为背景的突变体库，从大约30000个株系中筛选到一株具有叶黄表型的突变体，命名为yellow leaf1-1(yl1-1)。通过免疫印迹实验证明，在正常生长条件下yl1-1中两个光系统蛋白D1和RbcL以及核基因编码光合作用相关基因(Lhcb和RbcS)的表达均明显低于野生型。通过图位克隆对yl1-1的突变基因进行精细定位，证明YL1编码一种GTPase(At3g57180)，突变基因存在一个由G到A的点突变，造成了氨基酸序列第574位的天冬氨酸D突变为天冬酰胺N。
　　(2)通过对启动子转基因株系的GUS染色结果表明，YL1基因在整个植株生活史的几乎所有的绿色组织中都有表达，甚至是光下刚开始萌发的种子中也能检测到YL1基因的高表达。然而，在未萌发的种子和根中却检测不到YL1。此外，盐胁迫信号可以强烈的抑制YL1基因的表达，并且此响应过程并不依赖与盐胁迫引发的质体向核的反向调控信号。通过对YL1蛋白的亚细胞定位分析，发现其主要定位于叶绿体中。利用免疫印迹对YL1在叶绿体中的精细定位发现，其全部定位于叶绿体基质中，在膜组分中未被检测到。
　　(3)拟南芥野生型幼苗在盐处理条件下，光合作用蛋白D1和RbcL的蛋白水平以及核基因编码光合作用相关基因的表达都会明显下调。然而，在YL1超表达株系中，盐胁迫引发的这种现象会明显减缓。此外，在yl1-1中，D1和RbcL的蛋白水平以及核基因编码光合作用相关基因的表达都很低，盐胁迫信号却不会抑制这些组分的表达。这些结果说明YL1参与到了盐胁迫引发的质体向核的调控信号过程。
　　(4)在盐胁迫条件下，yl1突变体表现为严重的子叶发育不良以及极低的叶绿素含量。然而，在黑暗条件下生长的yl1突变体无论是否进行盐胁迫处理都与野生型表型一致，说明yl1突变体的盐敏感表型是光依赖的。进一步的实验证明，yl1突变体在盐胁迫环境条件下会造成地上部叶片的钠离子过量积累，而这一现象极有可能是由于HKT1在yl1突变体中表达量过低导致。
　　(5)在双基因突变体yl1-2gun1和yl1-2abi4中，光合作用蛋白D1和RbcL的表达水平极低（由YL1基因功能缺失引起），说明质体基因表达缺陷信号已经发生。然而，核基因编码的光合作用相关基因的表达却不受影响，说明ABI4或GUN1功能的缺失会阻断yl1突变体中质体向核的反向调控信号，暗示着ABI4和GUN1参与到了YL1基因功能缺失引发的这一反向调控信号。此外，由于双突中HKT1的表达量都很高，ABI4或GUN1的功能缺失减缓了yl1突变体的盐敏感表型，这些结果表明质体基因表达缺陷信号可以通过ABI4来调控HKT1基因的表达。
　　综上所述，YL1在盐胁迫引发的由质体基因表达缺陷信号介导的质体向核的反向调控信号中发挥重要作用。