西北农林科技大学园艺学院冯嘉玥课题组在草莓叶色变异调控方面取得新进展

　　叶绿素对光合作用至关重要，其能吸收光能，将电子送入光合电子传递链，并在反应中心驱动电荷分离反应。镁螯合酶催化Mg2+插入到原卟啉IX中是叶绿素生物合成的第一步。镁螯合酶由镁螯合酶I亚基（CHLI）、镁螯合酶D亚基（CHLD）和镁螯合酶H亚基（CHLH）三个亚基组成。在催化过程中，I亚基和D亚基首先各自形成六聚体，然后形成I-D复合物与H亚基结合完成催化功能。在此过程中，H亚基负责与卟啉和Mg2+结合完成催化，D亚基负责维持亚基间的稳定性，而I亚基本质是ATP酶，主要负责ATP的水解。以往对CHLI的研究主要集中在少数模式物种上，对其关键位点及在其他物种中的功能，尚不明确。

 

　　近日，西北农林科技大学园艺学院冯嘉玥课题组在Plant Physiology在线发表了题为“A point mutation in the gene encoding Mg-chelatase subunit I influences strawberry leaf color and metabolism ”的研究论文。该研究报道了草莓CHLI基因第186位氨基酸的突变能引起草莓叶色变异，叶绿素合成受阻，减弱CHLI与其自身的相互作用，进而引起镁螯合酶和ATP酶活性的降低。此外，CHLI亚基的突变，增强了草莓耐弱光性。在弱光下，杂合突变体叶绿体发育正常，叶绿素合成增加，光合能力增强。

 

　　该课题组从前期建立的五叶草莓突变体库中发现一株叶片黄化的突变体p240。该突变体在正常光强或高光强下，叶绿体发育受损，叶片色素合成降低，而在弱光下，其叶绿素积累及光合能力均增强。通过对正常光照条件下p240和野生型（WT）叶片转录组数据分析及SNPs筛选，结合p240叶片瞬时转化回补试验，发现叶绿素合成基因镁螯合酶I亚基（CHLI）的第186位谷氨酸突变为赖氨酸导致p240叶片黄化。

 

　　进一步通过基因沉默和基因编辑技术获得了以森林草莓‘Ruegen’为背景的转基因植株，在沉默株系和基因编辑杂合体中均观察到与p240一致的表型，而利用基因编辑技术获得的CHLI第186位谷氨酸突变为赖氨酸的纯合突变体则表现为叶片白化。因此第186位谷氨酸对草莓叶片叶绿素的合成至关重要。对CHLI的蛋白结构预测显示第186位谷基酸的突变减弱了其与邻近氨基酸的作用力。酵母双杂交和双分子荧光互补试验证明第186位谷氨酸突变为赖氨酸不影响CHLI与CHLD的互作，但减弱了CHLI与其自身的相互作用，进而引起ATP酶和镁螯合酶活性的降低，最后导致草莓叶片白化或黄化。

 

　　基因编辑杂合株系与p240杂合子的表型一致，表现出一定的耐弱光性，在弱光下，编辑株系叶绿体发育正常，叶绿素含量增加，光合能力高于野生型。对正常光照条件下编辑株系和野生型的叶片代谢物分析表明，CHLI编辑株系中氨基酸含量增加，碳代谢终产物类黄酮含量降低，黄化植株由于在正常光照强度下叶绿体发育受损降低了光合能力，打破了碳氮代谢平衡，增强了氮代谢，减弱了碳代谢。

 

　　综上，该研究表明，CHLI第186位谷氨酸通过调控CHLI自身的互作对叶绿素的合成起关键作用，突变该位点可增强草莓的耐弱光性。研究结果为研究CHLI在园艺植物叶绿素合成及调控中的作用提供了重要依据，同时也为设施草莓耐弱光种质的培育提供了候选基因。

 

　　园艺学院在读博士研究生马阳阳为论文第一作者，冯嘉玥副教授为通讯作者。园艺学院文颖强教授、龚春梅教授及佛罗里达大学Kevin M. Folta教授、中国农业科学院郑州果树研究所周厚成研究员等参与了该研究工作。该研究得到了陕西省农业协同创新与推广联盟重大科技项目（LMZD202102）、西安市农业重点产业链关键技术攻关项目（22NYGG0006）、中国农业科学院科技创新工程专项经费项目（CAAS-ASTIP-2022-ZFRI）和西北农林科技大学试验示范站（基地）科技创新与成果转化项目（TGZX2021-20）等项目的支持。

 

　　论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiad247