上海生科院探明高溫脅迫下植物熱激蛋白保護光合複合體的分子機理

12月10日，國際學術期刊《植物學報》（Plant Journal）在線發表了中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所郭房慶研究組的最新研究論文Identification of Core Subunits of Photosystem II as Action Sites of HSP21 That Is Activated by the GUN5-Mediated Retrograde Pathway in Arabidopsis。研究結果揭示HSP21作為分子伴侶蛋白通過與光系統II複合體（photosystem II, PSII）核心亞基蛋白（如D1和D2等）的直接結合，維持高溫脅迫下PSII複合體及類囊體膜的穩定性，進而提高植物高溫脅迫下光合效率及存活率。

光合作用在植物細胞葉綠體中進行。高溫抑制光合作用主要的原因是造成「棲息」在葉綠體類囊體膜上光合複合體蛋白的迅速降解，葉片光合機能喪失，進而導致作物嚴重減產或最終死亡。因此，解析植物在高溫脅迫下如何維持其光合複合體穩定性的分子機理，對於提高植物高溫抗性、增加產量具有重要意義。植物應對高溫脅迫的反應是啟動體內大量熱激蛋白（heat shock protein，HSP)的合成，其中包括核基因編碼且定位於葉綠體的小熱激蛋白HSP21。

郭房慶研究組通過多種活體和離體蛋白互作驗證手段和體系的運用，明確了PSII核心亞基為HSP21的保護靶點蛋白。令人意想不到的是，蛋白互作驗證結果表明HSP21與光系統I (PSI)核心亞基PsaA和PsaB未呈現明顯的互作特徵，表明HSP21對於葉綠體光合複合體的保護作用具有選擇性。前人研究結果表明，相較於其它複合體，PSII光合複合體對於高溫脅迫最為敏感。因此，HSP21優先選擇性保護PSII從植物適應高溫脅迫進化機制上是可以理解的。為了進一步定量分析HSP21與保護靶蛋白的結合特性，研究人員利用微量熱泳動技術（Microscale Thermophoresis）深入解析了HSP21與D1和D2的結合動力學特徵以及結合常數。同時，通過電鏡免疫組化技術，證實HSP21同時定位於葉綠體類核區和類囊體膜上，為闡釋HSP21的保護功能提供了堅實的細胞學基礎。

研究組前期研究首次證實高等植物細胞存在熱激反應的葉綠體逆向（retrograde）調控信號途徑（Yu et al., 2012; Sun and Guo, 2016）。該項研究進一步證實，HSP21作為典型的熱激響應基因，其高溫誘導表達受葉綠體逆向調控途徑關鍵組分GUN5的調控。突變體遺傳證據顯示，組成型表達HSP21可以顯著提高高溫脅迫敏感突變體gun5的存活率。上述研究進展為細胞核-質體信號互做參與植物高溫逆境脅迫適應機制提供了新的證據，進一步豐富和完善了植物細胞熱激反應的葉綠體逆向調控機制模型。

博士生陳思婷承擔了大部分的研究工作，博士生何寧宇和陳娟華等參加了論文的部分研究工作。復旦大學上海醫學院表觀遺傳實驗室在蛋白微量熱泳動分析過程中給予該研究大力支持。該工作得到國家科技部、國家自然科學基金委員會和中科院等項目的資助。

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過表達HSP21顯著增強gun5突變體高溫抗性