上海师范大学黄继荣团队揭示低温下叶绿体发育的调控机制

来源：BioArt植物

近日，上海师范大学生命科学学院黄继荣教授团队在Plant Physiology在线发表了题为SPLICING FACTOR1 is Important in Chloroplast Development under Cold Stress 的研究论文，揭示了模式植物拟南芥中剪接因子AtSF1调控低温下叶绿体发育的分子机制。

黄继荣课题组一直致力于核基因编码的叶绿体蛋白质THF1 (THYLAKOID FORMATION1) 的功能与作用机理研究。基于THF1突变产生斑叶的表型，课题组通过构建thf1为背景的突变体库，筛选斑叶表型消失的突变体，获得了一系列thf1的回复子，发现多个回复子编码定位于叶绿体的核糖体亚基及核糖体活性调节因子，表明thf1斑叶表型与叶绿体翻译过程高度相关。

与之前报道的斑叶回复子都编码定位于叶绿体的蛋白质不同，该研究介绍了一个新型的斑叶回复子，命名为sot4，其编码一个定位于细胞核并在真核生物中高度保守的RNA剪接因子（Splicing Factor1, SF1）。sot4属于错义点突变，导致第198位的甘氨酸残基变成了精氨酸残基（SF1G198R）。sot4与完全敲除突变体一样，呈现植株矮小、短根、对激素ABA超敏感，以及在低温(4℃) 下生长出现新叶严重黄化但能慢慢转绿的表型。

为了阐明AtSF1的作用机理，黄继荣团队分析了突变体和野生型的转录组，发现突变体中许多基因的内含子不能被有效剪切，譬如编码叶绿体核糖体亚基的基因（PPRL28和PRPL4）、叶绿体rRNA加工成熟因子的基因（PAC）等，导致mRNA因含有提前终止密码子（PTC）而不能产生有功能的蛋白质。研究发现：与野生型相比，低温下生长的突变体中部分内含子剪接效率剧烈下降，推测叶绿体中的核糖体活性也明显降低。对于斑叶突变体来说，核糖体活性降低使叶绿体发育时间延长，因此有利于叶绿体发育而回复斑叶表型。

SF1负责识别内含子中的分支位点（BPS）序列，是RNA剪接过程中不可缺少的重要因子，在酵母和哺乳动物中也证明了SF1的功能缺失导致细胞死亡。但令人意外的是atsf1突变体并不出现死亡症状，推测其BPS序列不像酵母和哺乳动物的基因中那么保守。由于迄今尚未报道植物基因内含子中的BPS序列，因此团队成员通过分析atsf1转录组中滞留的内含子信息，找到了一个保守的BPS序列，5′-CU（U/A）AU-3′。RNA-EMSA实验证实了AtSF1能直接与含有5'-CU（U/A）AU-3'的BPS序列的内含子结合，说明AtSF1对于维持拟南芥中含有这类BPS的内含子的剪接效率是必需的。有趣的是，跟AtSF1G198R一样，如果酵母SF1同源蛋白Msl5p中的同一点突变也会导致酵母生长对低温敏感的表型，以及显著降低含有次优BPS序列的内含子的剪接效率。

总之，这些发现揭示了AtSF1具有调节内含子剪接效率的重要功能，尤其是当植物生长于寒冷环境时，AtSF1能通过维持植物基因的剪接效率来提高植物对环境的适应性。同时也揭示了AtSF1参与低温下叶绿体核糖体的活性维持。

该研究工作主要由朱亚娟博士、黄伟华副研究员和吴文娟讲师等在黄继荣教授指导下合作完成，同时得到武汉大学徐永镇教授和安徽医科大学邵伟副教授的指导与合作。该研究得到了转基因专项、国家自然科学基金项目和上海植物分子科学重点实验室等项目的资助。