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责编 | 王一
近日，河北农业大学蔬菜遗传育种团队在Cell Reports上发表了题为Mutation in a chlorophyll-binding motif of Brassica ferrochelatase enhances both heme and chlorophyll biosynthesis的研究论文，阐明了BrFC2-BrPORB模型共同介导叶绿素与血红素合成的分子机制。值得一提的是，该成果是河北农业大学蔬菜遗传育种团队继2022年发表在PNAS （） 和 Molecular Plant上关于大白菜突变体研究的又一重要进展。
叶绿素在吸收光和传递能量方面起着重要作用，提高植物叶绿素水平可作为提高光合效率、增加产量的有效手段。然而，大多数叶绿素相关基因突变体为叶绿素合成受阻或叶绿素代谢障碍突变体。目前缺乏可作为改良靶点的、加强叶绿素合成途径的基因资源，限制了复杂的叶绿素生物合成调控机制的研究进程。
研究团队基于已创制的大白菜单碱基突变体库，筛选获得高光合效率、叶绿素含量增加、叶片深绿色突变体dg。遗传分析表明该叶色深绿突变性状由单基因显性控制。结合MutMap技术定位突变基因为编码亚铁螯合酶2 BrFC2 (Ferrochelatase 2)，其保守结构域 (Chlorophyll-binding motif, CAB) 发生单碱基突变 (dBrFC2)，该基因参与植物血红素合成。大白菜dBrFC2基因功能研究结果表明，过表达突变型dBrFC2出现叶色深绿表型，可同时提高血红素和叶绿素含量。
BrFC2中CAB结构域并不是维持血红素酶催化活性的结构，但对BrFC2蛋白二聚化作用至关重要，蛋白二聚化作用通常可影响其催化活性。通过分析BrFC2和dBrFC2蛋白二聚化作用及催化效率， 证明BrFC2和dBrFC2蛋白均能以同源二聚体的形式存在，并通过CAB结构域维持二聚化作用。进一步试验表明，dBrFC2蛋白 CAB结构域发生单氨基酸突变，聚集更多二聚体，加强dBrFC2蛋白催化作用，因此突变型dBrFC2蛋白催化效率极显著高于野生型蛋白BrFC2，进而血红素含量显著高于野生型。
为了解析BrFC2如何调控叶绿素合成，利用一系列分子互作实验，鉴定到BrFC2和BrPORB 两个拷贝均发生互作。BrPORB是光合生物体叶绿素生物合成的关键酶，催化原叶绿素酸酯 (Protochlorophyllide, Pchlide) 的光依赖性还原生成叶绿素酸酯 (chlorophyllide, Chlide) 。研究发现Pchlide含量在突变体dg中显著下降，Chlide在突变体dg中含量增加。然而BrFC2和dBrFC2蛋白不通过CAB结构域与BrPORB互作，那么BrFC2中CAB结构域发生单氨基酸突变如何能影响BrPORB催化Pchlide生成Chlide？通过体外原核表达酶活催化试验表明，加入dBrFC2蛋白可显著提高BrPORB的催化活性，且高于BrFC2蛋白。进一步通过生物膜层干涉技术试验发现， BrFC2和 dBrFC2与BrPORB底物Pchlide具有结合能力，且突变蛋白dBrFC2与Pchlide亲和力高于BrFC2。因此，dBrFC2单氨基酸突变可加强与Pchlide亲和力，促进BrPORB催化反应，生成更多产物Chlide。
综上，本研究发掘到打破同一代谢通路中叶绿素与血红素平衡的“分子开关”，证明了 dBrFC2 发生单碱基突变后作为功能获得型基因，可同时提高植物叶绿素及血红素含量。首次提出了 BrFC2-BrPORB 模型共同介导叶绿素与血红素合成的新通路，该项成果丰富了叶绿素合成途径新认识，为作物品质改良提供理论基础，为进一步实现FC2基因编辑精准设计育种提供可能。
河北农业大学蔬菜遗传育种团队申书兴教授和赵建军教授、河南工业大学/周口师范学院李成伟教授为论文共同通讯作者，刘梦洋副教授、马卫教授、博士生苏湘杰、张晓孟博士为论文的共同第一作者。英国曼彻斯特大学Nigel S. Scrutton团队和河南工业大学/周口师范学院李成伟团队参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、优秀青年项目和面上项目，河北省自然科学基金创新群体等项目资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111758
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