叶绿素和类胡萝卜素是两类重要的光合色素，其中叶绿素参与光能的吸收与光能的转化，而类胡萝卜素除了可参与光能的吸收，更重要的是发挥光保护功能。但是，游离叶绿素及其合成前体具有光敏毒性，可造成光合机构不可逆的氧化损伤，因此叶绿素的生物合成须受到严格调控。蓝藻是地球上最古老的光合自养生物，具有极强的环境适应性，是全球碳氮循环的重要贡献者。在蓝藻生存的各种环境中，光照条件复杂多变，精密调控叶绿素合成是其适应多变光环境的重要保障。然而，蓝藻如何调节自身光合色素合成，避免暗-光转变过程中遭受氧化损伤，相关调控机制目前还了解较少。
近日，华中师范大学邱保胜课题组在Plant Physiology期刊发表了题为“The transcription factor RppA regulates chlorophyll and carotenoid biosynthesis to improve photoprotection in cyanobacteria”的研究论文。该研究发现，转录因子RppA通过协同调控叶绿素与类胡萝卜素的生物合成，有效增强蓝藻在暗-光转变过程中的光保护能力。
该研究首先通过酵母单杂交文库筛选，鉴定到转录因子RppA可与集胞藻（Synechocystis）PCC 6803的叶绿素合酶（ChlG）启动子结合，后者催化叶绿素合成的最后一步。研究发现，RppA还可与镁离子螯合酶H亚基（ChlH）的启动子区域结合，抑制它们在暗-光转变过程中的转录上调，避免叶绿素及其前体的过量积累，降低细胞的氧化损伤风险。同时，RppA也可以与类胡萝卜素合成路径中的CrtB与CrtP启动子结合，进而促进暗-光转变过程中基因的转录表达，提高藻株中蓝藻叶黄素与 β-类胡萝卜素的含量，以增强光保护与活性氧清除能力。转录分析结果表明，适当增强光照强度，RppA对两种光合色素生物合成的调控效果更加明显，这种光强依赖性可能与光合电子传递链中质体醌的氧化还原状态有关。因此，RppA通过反向调控叶绿素与类胡萝卜素的合成，在暗-光转变过程中犹如“紧急制动装置”，严格控制活性氧的产生与清除，从而增强集胞藻的光保护能力。生化验证与启动子序列分析结果表明，集胞藻RppA可与海洋聚球藻（Synechococcus）PCC 7002光合色素合成基因chlG、crtB与 crtP启动子相结合，且多种蓝藻类群中chlG与crtP启动子中均含有与RppA相结合的保守序列，暗示RppA协同调控叶绿素与类胡萝卜素稳态合成的功能在蓝藻中具有一定保守性。
图 1. 转录因子RppA调控蓝藻暗-光转变过程中叶绿素与类胡萝卜素生物合成稳态的作用机制机制
博士研究生于晨为论文的第一作者，实验室刘艳如、闫威威和孔新玲三位同学，以及徐海锋副研究员、张中春教授参与了该项研究。邱保胜教授和戴国政副教授为该论文的共同通讯作者，华中师范大学为论文的唯一完成单位。该研究得到国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目与湖北洪山实验室项目的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae502
文章来源：植物生理PlantPhysiol微信公众号
编辑：尹雅铃
