葉綠素對光合作用至關重要，其能吸收光能，將電子送入光合電子傳遞鏈，并在反應中心驅動電荷分離反應。鎂螯合酶催化Mg2+插入到原卟啉IX中是葉綠素生物合成的第一步。鎂螯合酶由鎂螯合酶I亞基（CHLI）、鎂螯合酶D亞基（CHLD）和鎂螯合酶H亞基（CHLH）三個亞基組成。在催化過程中，I亞基和D亞基首先各自形成六聚體，然后形成I-D復合物與H亞基結合完成催化功能。在此過程中，H亞基負責與卟啉和Mg2+結合完成催化，D亞基負責維持亞基間的穩定性，而I亞基本質是ATP酶，主要負責ATP的水解。以往對CHLI的研究主要集中在少數模式物種上，對其關鍵位點及在其他物種中的功能，尚不明確。
近日，西北農林科技大學園藝學院馮嘉玥課題組在Plant Physiology在線發表了題為“A point mutation in the gene encoding Mg-chelatase subunit I influences strawberry leaf color and metabolism ”的研究論文。該研究報道了草莓CHLI基因第186位氨基酸的突變能引起草莓葉色變異，葉綠素合成受阻，減弱CHLI與其自身的相互作用，進而引起鎂螯合酶和ATP酶活性的降低。此外，CHLI亞基的突變，增強了草莓耐弱光性。在弱光下，雜合突變體葉綠體發育正常，葉綠素合成增加，光合能力增強。
該課題組從前期建立的五葉草莓突變體庫中發現一株葉片黃化的突變體p240。該突變體在正常光強或高光強下，葉綠體發育受損，葉片色素合成降低，而在弱光下，其葉綠素積累及光合能力均增強。通過對正常光照條件下p240和野生型（WT）葉片轉錄組數據分析及SNPs篩選，結合p240葉片瞬時轉化回補試驗，發現葉綠素合成基因鎂螯合酶I亞基（CHLI）的第186位谷氨酸突變為賴氨酸導致p240葉片黃化。
進一步通過基因沉默和基因編輯技術獲得了以森林草莓‘Ruegen’為背景的轉基因植株，在沉默株系和基因編輯雜合體中均觀察到與p240一致的表型，而利用基因編輯技術獲得的CHLI第186位谷氨酸突變為賴氨酸的純合突變體則表現為葉片白化。因此第186位谷氨酸對草莓葉片葉綠素的合成至關重要。對CHLI的蛋白結構預測顯示第186位谷基酸的突變減弱了其與鄰近氨基酸的作用力。酵母雙雜交和雙分子熒光互補試驗證明第186位谷氨酸突變為賴氨酸不影響CHLI與CHLD的互作，但減弱了CHLI與其自身的相互作用，進而引起ATP酶和鎂螯合酶活性的降低，最后導致草莓葉片白化或黃化。
基因編輯雜合株系與p240雜合子的表型一致，表現出一定的耐弱光性，在弱光下，編輯株系葉綠體發育正常，葉綠素含量增加，光合能力高于野生型。對正常光照條件下編輯株系和野生型的葉片代謝物分析表明，CHLI編輯株系中氨基酸含量增加，碳代謝終產物類黃酮含量降低，黃化植株由于在正常光照強度下葉綠體發育受損降低了光合能力，打破了碳氮代謝平衡，增強了氮代謝，減弱了碳代謝。
綜上，該研究表明，CHLI第186位谷氨酸通過調控CHLI自身的互作對葉綠素的合成起關鍵作用，突變該位點可增強草莓的耐弱光性。研究結果為研究CHLI在園藝植物葉綠素合成及調控中的作用提供了重要依據，同時也為設施草莓耐弱光種質的培育提供了候選基因。
園藝學院在讀博士研究生馬陽陽為論文第一作者，馮嘉玥副教授為通訊作者。園藝學院文穎強教授、龔春梅教授及佛羅里達大學Kevin M. Folta教授、中國農業科學院鄭州果樹研究所周厚成研究員等參與了該研究工作。該研究得到了陜西省農業協同創新與推廣聯盟重大科技項目（LMZD202102）、西安市農業重點產業鏈關鍵技術攻關項目（22NYGG0006）、中國農業科學院科技創新工程專項經費項目（CAAS-ASTIP-2022-ZFRI）和西北農林科技大學試驗示范站（基地）科技創新與成果轉化項目（TGZX2021-20）等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad247
日期：2023-08-10
近日，西北農林科技大學園藝學院馮嘉玥課題組在Plant Physiology在線發表了題為“A point mutation in the gene encoding Mg-chelatase subunit I influences strawberry leaf color and metabolism ”的研究論文。該研究報道了草莓CHLI基因第186位氨基酸的突變能引起草莓葉色變異，葉綠素合成受阻，減弱CHLI與其自身的相互作用，進而引起鎂螯合酶和ATP酶活性的降低。此外，CHLI亞基的突變，增強了草莓耐弱光性。在弱光下，雜合突變體葉綠體發育正常，葉綠素合成增加，光合能力增強。
該課題組從前期建立的五葉草莓突變體庫中發現一株葉片黃化的突變體p240。該突變體在正常光強或高光強下，葉綠體發育受損，葉片色素合成降低，而在弱光下，其葉綠素積累及光合能力均增強。通過對正常光照條件下p240和野生型（WT）葉片轉錄組數據分析及SNPs篩選，結合p240葉片瞬時轉化回補試驗，發現葉綠素合成基因鎂螯合酶I亞基（CHLI）的第186位谷氨酸突變為賴氨酸導致p240葉片黃化。
進一步通過基因沉默和基因編輯技術獲得了以森林草莓‘Ruegen’為背景的轉基因植株，在沉默株系和基因編輯雜合體中均觀察到與p240一致的表型，而利用基因編輯技術獲得的CHLI第186位谷氨酸突變為賴氨酸的純合突變體則表現為葉片白化。因此第186位谷氨酸對草莓葉片葉綠素的合成至關重要。對CHLI的蛋白結構預測顯示第186位谷基酸的突變減弱了其與鄰近氨基酸的作用力。酵母雙雜交和雙分子熒光互補試驗證明第186位谷氨酸突變為賴氨酸不影響CHLI與CHLD的互作，但減弱了CHLI與其自身的相互作用，進而引起ATP酶和鎂螯合酶活性的降低，最后導致草莓葉片白化或黃化。
基因編輯雜合株系與p240雜合子的表型一致，表現出一定的耐弱光性，在弱光下，編輯株系葉綠體發育正常，葉綠素含量增加，光合能力高于野生型。對正常光照條件下編輯株系和野生型的葉片代謝物分析表明，CHLI編輯株系中氨基酸含量增加，碳代謝終產物類黃酮含量降低，黃化植株由于在正常光照強度下葉綠體發育受損降低了光合能力，打破了碳氮代謝平衡，增強了氮代謝，減弱了碳代謝。
綜上，該研究表明，CHLI第186位谷氨酸通過調控CHLI自身的互作對葉綠素的合成起關鍵作用，突變該位點可增強草莓的耐弱光性。研究結果為研究CHLI在園藝植物葉綠素合成及調控中的作用提供了重要依據，同時也為設施草莓耐弱光種質的培育提供了候選基因。
園藝學院在讀博士研究生馬陽陽為論文第一作者，馮嘉玥副教授為通訊作者。園藝學院文穎強教授、龔春梅教授及佛羅里達大學Kevin M. Folta教授、中國農業科學院鄭州果樹研究所周厚成研究員等參與了該研究工作。該研究得到了陜西省農業協同創新與推廣聯盟重大科技項目（LMZD202102）、西安市農業重點產業鏈關鍵技術攻關項目（22NYGG0006）、中國農業科學院科技創新工程專項經費項目（CAAS-ASTIP-2022-ZFRI）和西北農林科技大學試驗示范站（基地）科技創新與成果轉化項目（TGZX2021-20）等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad247
日期：2023-08-10
