植物叶绿体多跨膜的远古保守结构域蛋白ACDP的功能及其作用机理研究

The photosynthetic efficiency of chloroplasts directly determines the yield and quality of crops. The chloroplast in higher plants is a semi-autonomous organelle derived from ancient cyanobacteria, and has variety of evolutionarily conserved transmembrane proteins in its membrane systems. A few of these proteins have been identified as functional transporters response for chloroplastic ions transportation. However, the potential transporters that mediate the high affinity uptake of cytosolic Mg2+ into chloroplasts remain unknown. While screening the homologous genes of Mg2+ transporters of other species in plants, we found a group of genes encoding multiple-transmembrane protein of the Ancient Conserved Domain Protein (ACDP) in Arabidopsis genome. Two of them transported Mg2+ and were sub-localized at chloroplast, and their mutant lines displayed the albino and dwarf phenotype. Therefore, we are to use two model plants, Arabidopsis and rice as research materials, and apply a combination of approaches, including electrophysiological, molecular fluorescent protein labeling, and plant molecular genetic methods, to investigate functions and mechanisms of these ACDPs in chloroplast, as well as in growth and development of plants. Due to the importance of Mg2+ in chloroplastic structure and photosynthetic reaction, this project will, thus, provide target genes and useful guidelines for molecular design of the crops with high photosynthetic efficiency.

叶绿体的光合效率直接决定着作物产量与品质。高等植物叶绿体为起源于古代蓝藻的半自主细胞器，具有多种进化保守的膜蛋白。其中部分多跨膜蛋白已被证实为叶绿体的功能性离子转运体。但是，控制叶绿体从细胞质高亲和吸收Mg2+的转运体并不清楚。我们在筛选多种Mg2+转运体的植物体同源基因的过程中，发现拟南芥存在一类编码远古保守结构域蛋白ACDP的基因家族，其中两个成员定位于叶绿体,而且具有Mg2+转运的活性，其突变导致植株白化矮小。在此基础上，本项目以拟南芥和水稻作为研究材料，利用电生理学、植物分子遗传学和荧光蛋白分子标记等方法研究该类蛋白在叶绿体中的功能和作用机理，以及对植物体生长发育的影响。考虑到Mg2+对叶绿体结构和光合反应的重要性，本项目可为分子设计高效光合的作物提供靶基因和实验指导。

镁离子(Mg2+)是植物含量最丰富的二价金属离子，作为叶绿体多种蛋白的辅基和叶绿素卟啉环的核心离子，维持着叶绿体结构和光合作用。由于植物体内的镁来源与根部对土壤镁离子的吸收，意味着植物存在根和地上部镁长距离运输和叶绿体镁吸收机理。本项目通过对植物体中进化高度保守ACDP同源蛋白的功能进行研究，发现这些成员是植物释放胞质镁离子的重要组分，因此命名为MGR(Mg2+ Release,镁离子释放蛋白)。拟南芥MGR家族有9个成员，可分为3分支（clade I—clade III）。clade III 的2个成员MGR8和MGR9定位于叶绿体内膜。利用拟南芥突变体分析，发现MGR8和MGR9的双突变会导致拟南芥幼苗黄化矮小而且种子胚珠白化。进一步分析发现，mgr8/mgr9双突变体在类囊体生物发生和光合复合体组装方面存在严重缺陷。MGR8和MGR9可回补低镁生长缺陷鼠伤寒沙门氏菌突变株MM281的生长。因此，MGR8和MGR9是负责叶绿体Mg2+吸收的Mg2+转运蛋白。项目还对clade II 的4个成员（MGR4-MGR7）进行研究，发现MGR4-MGR7定位于质膜,而且特异在木质部薄壁细胞表达。利用拟南芥突变植株，发现mgr4和mgr6突变体特异表现出对低Mg敏感而对高Mg耐受的生长表型。Mg含量测定发现与野生型相比，mgr4 和mgr6 突变体根部Mg含量提高，而地上部和木质液中的Mg含量提高下降。嫁接实验进一步表明MGR4和MGR6参与根部Mg向木质部装载的过程，揭示了薄壁细胞质膜定位的四个MGR蛋白将根Mg2+外排到木质部，填补木质部Mg装载这一科学空白。综上，本项目发现了MGR8/MGR9和MGR4-MGR7分别是叶绿体吸收镁转运体和植物木质部镁装载转运体。在该项目的资助下，在Mol Plant，Plant Cell, Plant Physiol, Plant Cell Environ等期刊发表9篇论文，多篇论文获得南京大学官网或学术公众号的报道，培养出4位优秀的博士研究生。

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