近日，上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院黃繼榮團(tuán)隊(duì)在Plant Communications發(fā)表了題為Arabidopsis leaf variegation is caused by simultaneous defects in chloroplast development and division的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)，斑葉表型并非由傳統(tǒng)認(rèn)知的單一發(fā)育缺陷導(dǎo)致，而是葉綠體發(fā)育與分裂兩個(gè)過(guò)程同時(shí)受阻的結(jié)果；還發(fā)現(xiàn)了光信號(hào)通路因子COP1突變可逆轉(zhuǎn)斑葉表型，而VAR2/FtsH2 蛋白能與自噬關(guān)鍵蛋白 ATG8a互作來(lái)調(diào)控葉綠體分裂。這項(xiàng)工作為理解葉綠體生物發(fā)生及葉片顏色的調(diào)控機(jī)制提供了新視角。

葉綠體生物發(fā)生包括葉綠體的發(fā)育與分裂兩個(gè)基本過(guò)程，對(duì)植物的光合作用與生長(zhǎng)發(fā)育、以及種子的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)形成等至關(guān)重要。葉綠體發(fā)育是一個(gè)光驅(qū)動(dòng)的、使各類(lèi)非光合質(zhì)體（如分生組織中的前質(zhì)體，以及已分化的白色體、有色體等）轉(zhuǎn)化為葉綠體的過(guò)程，受細(xì)胞核和質(zhì)體兩套基因組協(xié)同表達(dá)、葉綠素合成、類(lèi)囊體膜及光合復(fù)合體形成等一系列事件的精密調(diào)控；而每個(gè)細(xì)胞中的葉綠體數(shù)量則由質(zhì)體分裂決定，此過(guò)程與細(xì)胞的分化、增殖和擴(kuò)張同步。葉綠體的發(fā)育與分裂既緊密關(guān)聯(lián)又相對(duì)獨(dú)立，導(dǎo)致不同細(xì)胞類(lèi)型中葉綠體數(shù)量差異顯著。斑葉是高等植物中常見(jiàn)的表型，因同一葉片上同時(shí)存在葉綠體正常的綠色區(qū)域和葉綠體缺失的黃色/白色區(qū)域成為研究葉綠體發(fā)生機(jī)制的理想模型。擬南芥var2是一個(gè)經(jīng)典的斑葉突變體，由編碼定位于類(lèi)囊體膜上的FtsH金屬蛋白酶亞基FtsH2的基因缺失所致。此前研究認(rèn)為斑葉形成僅與葉綠體發(fā)育缺陷相關(guān)，但葉綠體發(fā)育缺陷也可產(chǎn)生葉片黃色以及逐漸轉(zhuǎn)綠等表型，故斑葉發(fā)生的機(jī)制有待深入研究。為此，該團(tuán)隊(duì)推測(cè)葉綠體分裂可能參與斑葉的發(fā)生發(fā)展。一旦葉綠體的分裂速度跟不上細(xì)胞分裂的步伐，子細(xì)胞中的葉綠體數(shù)量將不斷減少，乃至為零，最終引發(fā)黃色/白色區(qū)域的發(fā)生。

為驗(yàn)證上述假說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)以擬南芥var2為模型，首先通過(guò)激光共聚焦顯微鏡和透射電鏡系統(tǒng)解析了每個(gè)葉片細(xì)胞中的葉綠體數(shù)目，分析發(fā)現(xiàn)var2突變體的葉綠體發(fā)生存在雙重缺陷：在發(fā)育上，突變體第一對(duì)真葉幼苗期（9天）超過(guò)90%的細(xì)胞完全缺失葉綠體，而在成熟葉片綠色區(qū)域的細(xì)胞中葉綠體發(fā)生也顯著延遲且異質(zhì)性極高；在分裂上，突變體成熟葉片的非綠色區(qū)域約 15% 的細(xì)胞完全不含質(zhì)體，保衛(wèi)細(xì)胞中的葉綠體數(shù)量也顯著減少。這些結(jié)果表明VAR2突變同時(shí)破壞葉綠體的發(fā)育與分裂（圖1）。

圖1. VAR2突變導(dǎo)致葉綠體發(fā)育與分裂的雙重缺陷

為驗(yàn)證分裂缺陷對(duì)斑葉表型的影響，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了var2與葉綠體分裂關(guān)鍵基因（ARC6、PARC6、PDV1、PDV2）的雙突變體。遺傳分析顯示，PARC6或 PDV1突變會(huì)顯著加重var2的斑葉表型；反之，過(guò)表達(dá)PDV1或PDV2則能有效回復(fù)var2的斑葉表型。這表明葉綠體分裂能力與var2的斑葉嚴(yán)重程度直接相關(guān)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)VAR2突變會(huì)抑制莖尖分生組織中原質(zhì)體向葉綠體的轉(zhuǎn)化及子葉中黃化質(zhì)體的發(fā)育，而在var2背景中導(dǎo)入cop1-4 (光形態(tài)建成核心抑制因子)，cop1-4完全回復(fù)var2黑暗中黃化質(zhì)體的發(fā)育以及正常光下的斑葉表型，表明COP1突變可以拮抗VAR2突變對(duì)葉綠體發(fā)育的抑制作用（圖2）。

圖2. COP1突變有效回復(fù)var2斑葉表型

為探究斑葉形成的共性機(jī)制，團(tuán)隊(duì)分析了其他斑葉突變體im,發(fā)現(xiàn)同樣存在葉綠體分裂缺陷。團(tuán)隊(duì)還分析了其他葉色突變體，發(fā)現(xiàn)在葉片淡綠的突變體cao中僅存在葉綠體發(fā)育缺陷，而在葉片漸綠突變體clpr4中發(fā)現(xiàn)葉綠體發(fā)育缺陷，但葉綠體分裂加速，說(shuō)明分裂加快能彌補(bǔ)發(fā)育上的缺陷。

最后，團(tuán)隊(duì)探索了VAR2調(diào)控葉綠體分裂的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)自噬相關(guān)基因ATG8a與VAR2存在功能關(guān)聯(lián)。過(guò)表達(dá)ATG8a可顯著抑制var2斑葉，并且增加野生型和var2的葉綠體數(shù)量；var2中 ATG8a 的降解產(chǎn)物減少，表明VAR2突變降低了自噬活性；CoIP實(shí)驗(yàn)證實(shí)，VAR2與ATG8a在體內(nèi)形成復(fù)合物，揭示了VAR2通過(guò)與ATG8a互作調(diào)控自噬依賴(lài)的葉綠體分裂通路（圖3）。

圖3. ATG8a介導(dǎo)VAR2調(diào)控的葉綠體分裂

綜合以上結(jié)果，團(tuán)隊(duì)從葉綠體生物發(fā)生的角度提出了葉色形式的模型：只有在葉綠體發(fā)育與分裂同時(shí)缺陷時(shí)，才會(huì)形成斑葉表型；若單一過(guò)程缺陷，則表現(xiàn)為淡綠色或正常綠色（圖4）。

圖4. 葉綠體發(fā)生與葉色表型之間的關(guān)系模型

綜上所述，該研究打破了“斑葉僅由葉綠體發(fā)育缺陷導(dǎo)致”的傳統(tǒng)認(rèn)知，建立了“發(fā)育-分裂協(xié)同調(diào)控斑葉”的新模型，不僅豐富了葉綠體穩(wěn)態(tài)維持的分子機(jī)制，也為作物葉片顏色性狀改良，特別是園藝觀(guān)葉植物的創(chuàng)制提供了理論依據(jù)。

該論文通訊作者為上海師范大學(xué)黃繼榮教授，上海師范大學(xué)講師吳文娟、博士生郭葦為本文的共同第一作者，團(tuán)隊(duì)成員還包括上海師范大學(xué)已畢業(yè)的碩士生朱浩杰、李迪，及已畢業(yè)的博士生張智怡，在讀的碩士生林丹妮、本科生曲美穎和博士生於禎加。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新計(jì)劃的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.xplc.2025.101564