上海師范大學生科院黃繼榮團隊在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。該研究揭示斑葉表型并非由傳統(tǒng)認知的單一發(fā)育缺陷導致，而是葉綠體發(fā)育與分裂兩個過程同時受阻的結(jié)果；還發(fā)現(xiàn)了光信號通路因子COP1突變可逆轉(zhuǎn)斑葉表型，而VAR2/FtsH2蛋白能與自噬關鍵蛋白ATG8a互作來調(diào)控葉綠體分裂。這項工作為理解葉綠體生物發(fā)生及葉片顏色的調(diào)控機制提供了新視角。

葉綠體生物發(fā)生包括葉綠體的發(fā)育與分裂兩個基本過程，對植物的光合作用與生長發(fā)育、以及種子的營養(yǎng)品質(zhì)形成等至關重要。葉綠體發(fā)育是一個光驅(qū)動的、使各類非光合質(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)化為葉綠體的過程，受細胞核和質(zhì)體兩套基因組協(xié)同表達、葉綠素合成、類囊體膜及光合復合體形成等一系列事件的精密調(diào)控；而每個細胞中的葉綠體數(shù)量則由質(zhì)體分裂決定，此過程與細胞的分化、增殖和擴張同步。葉綠體的發(fā)育與分裂既緊密關聯(lián)又相對獨立，導致不同細胞類型中葉綠體數(shù)量差異顯著。斑葉是高等植物中常見的表型，因同一葉片上同時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)生機制的理想模型。擬南芥var2是一個經(jīng)典的斑葉突變體，由編碼定位于類囊體膜上的FtsH金屬蛋白酶亞基FtsH2的基因缺失所致。此前研究認為斑葉形成僅與葉綠體發(fā)育缺陷相關，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)生的機制有待深入研究。為此，該團隊推測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胞分裂的步伐，子細胞中的葉綠體數(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。

為驗證上述假說，研究團隊以擬南芥var2為模型，首先通過激光共聚焦顯微鏡和透射電鏡系統(tǒng)解析了每個葉片細胞中的葉綠體數(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，突變體第一對真葉幼苗期（9天）超過90%的細胞完全缺失葉綠體，而在成熟葉片綠色區(qū)域的細胞中葉綠體發(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% 的細胞完全不含質(zhì)體，保衛(wèi)細胞中的葉綠體數(shù)量也顯著減少。這些結(jié)果表明VAR2突變同時破壞葉綠體的發(fā)育與分裂（圖1）。

為驗證分裂缺陷對斑葉表型的影響，團隊構(gòu)建了var2與葉綠體分裂關鍵基因（ARC6、PARC6、PDV1、PDV2）的雙突變體。遺傳分析顯示，PARC6或 PDV1突變會顯著加重var2的斑葉表型；反之，過表達PDV1或PDV2則能有效回復var2的斑葉表型。這表明葉綠體分裂能力與var2的斑葉嚴重程度直接相關。同時，團隊還發(fā)現(xiàn)VAR2突變會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背景中導入cop1-4(光形態(tài)建成核心抑制因子)，cop1-4完全回復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突變對葉綠體發(fā)育的抑制作用（圖2）。

為探究斑葉形成的共性機制，團隊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。團隊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，說明分裂加快能彌補發(fā)育上的缺陷。

最后，團隊探索了VAR2調(diào)控葉綠體分裂的機制，發(fā)現(xiàn)自噬相關基因ATG8a與VAR2存在功能關聯(lián)。過表達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實驗證實，VAR2與ATG8a在體內(nèi)形成復合物，揭示了VAR2通過與ATG8a互作調(diào)控自噬依賴的葉綠體分裂通路（圖3）。

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

該研究打破了“斑葉僅由葉綠體發(fā)育缺陷導致”的傳統(tǒng)認知，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)維持的分子機制，也為作物葉片顏色性狀改良，特別是園藝觀葉植物的創(chuàng)制提供了理論依據(jù)。

該論文通訊作者為上海師范大學黃繼榮教授。上海師范大學講師吳文娟、博士生郭葦為本文的共同第一作者，團隊成員還包括上海師范大學已畢業(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。研究得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金、上海市教育委員會科研創(chuàng)新計劃的支持。