BSD2在玉米叶片中，对叶绿体分裂和二态叶绿体形成的作用

文 | 凡观纪实

编辑 | 凡观纪实

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在地球上，虽然只有不到5%的陆生植物可以使用C4光合作用，它们提供了四分之一的主要生产力。

C4植物的水氮利用效率高于C3植物，由于一系列生化和解剖学的改变发生在C中4植物。

C语言的特征4植物是Kranz解剖结构的形成，其中叶肉和束鞘细胞的同心花环环绕着叶子中紧密间隔的静脉。

Kranz解剖结构为光合酶和蛋白质在两种形态和生理上不同的C中的区室化提供了一个结构框架4细胞类型，BS细胞和M细胞。

特别是核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶/加氧酶，催化CO固定的酶2用于光合作用，仅存在于BS叶绿体中。

据信，鲁比斯科的区隔远离大气中的一氧化碳2授予C4植物在高光照/高温生长条件或干旱地区具有光合优势。

一、OAA在植物中的作用

人们对了解Kranz解剖学的发展如何受到调节有着极大的兴趣，这对于C的基因工程至关重要3作物种类与C一起4光合作用特性。

玉米是一种典型的NADP-ME型C4具有相对简单的Kranz结构的植物，其特征在于具有离心分布的无粒叶绿体的单个BS层。

玉米的简单性和发达的遗传资源使玉米成为研究C的生物学的有吸引力的模型。玉米中的M叶绿体是无淀粉的，具有许多格拉纳，而BS叶绿体积累淀粉粒，其类囊体基本上未堆叠。

最初的碳固定发生在M叶绿体中，其中磷酸烯醇丙酮酸被磷酸烯醇丙酮酸羧化酶羧化形成草酰乙酸。

OAA被代谢成苹果酸盐并扩散到BS细胞中以增加CO2集中在鲁比斯科周围。这种特殊的机理增强了Rubisco的羧化反应，从而显著提高了光合产量。

二、BSD2在rbcL转录本中的作用

为了确定Kranz解剖发育的调节因子，筛选了诱变玉米群体中特异性破坏束鞘或叶肉细胞中光合酶积累模式的突变。

进一步的研究表明，BSD2不参与一般的光合复合物组装或蛋白质进口。

在bsd2突变体中，虽然无法检测到Rubisco蛋白，但叶绿体编码的Rubisco大亚基转录本丰富，并且与M和BS细胞中的多聚体相关。

因此，认为BSD2在rbcL转录本积累和/或翻译的转录后控制中起直接作用，在维持BS细胞中的叶绿体结构中起间接作用。

另一方面，据报道，M细胞中的叶绿体结构在bsd2突变体中不受干扰。然而，BSD2的生化功能及其在二态叶绿体发育中的调控机制仍然基本未知。

在这项研究中，我们发现BS叶绿体具有更多的格拉纳，但与野生型相比，bsd2突变体的数量显着减少。

此外，我们发现叶绿体分枝杆菌在bsd2突变体中也有缺陷，其特征是更薄的grana。此外，我们发现在propidid阶段，bsd2突变体的分裂质体数量异常。

BSD2在调控玉米叶片二态性叶绿体的分裂和形成中起着重要作用，从而为我们对C的理解提供了新的见解。

三、BSD2在调节BS和M叶绿体发育中的细胞学证据

BSD2似乎只存在于绿藻和植物中，这表明它是在导致叶绿体进化的内共生事件之后进化的。先前的研究表明，BSD2的突变导致BS叶绿体异常和BS细胞中叶绿体覆盖率降低。

然而，BSD2如何调节叶绿体发育仍然是个谜。此外，据报道，BSD2不影响叶绿体M的发育。

在这项研究中，我们发现BSD2的突变不仅影响BS叶绿体的发育，还影响M叶绿体的发育。

结果表明，BS叶绿体具有更多的grana，但与野生型相比，bsd2突变体的数量显着减少。此外，我们发现叶绿体分枝杆菌在bsd2突变体中也有缺陷，其特征是更薄的grana。

观察到的与类囊体形成相关的基因表达减少进一步支持了这一观点。此外，我们发现bsd2突变体中的叶绿体分裂也受到影响。

因为我们在早期发育阶段观察到bsd2中的分裂前体较少，并且BSD2突变体中叶绿体的分裂率降低。观察到的与叶绿体分裂相关的几个基因的表达减少也支持了这一观点。

我们的综合结果与早先的报告一致，即BS细胞中的叶绿体覆盖率降低，这可能是由于BS细胞中叶绿体分裂率降低和叶绿体发育异常的组合努力。

我们发现BSD2也影响M叶绿体的分裂率和发育，揭示了BSD2在调节kranz解剖发育中以前未被认识到的作用。

在这方面，特别有趣的是，最近的一项研究表明，由RBCS或PEPC启动子驱动的BS或M细胞中BSD2的细胞类型特异性表达都可以补充bsd2突变赋予的Rubisco缺陷和幼苗致死性。

这些新发现提出了BSD2 mRNA或其编码产物可能在BS和M细胞类型之间分配的可能性。这将是未来研究的一个有趣话题。

据报道，所有C的M叶绿体4物种沿细胞壁随机分布，但BS叶绿体位于向心或离心模式中，具体取决于物种。有趣的是，我们发现大多数BS叶绿体位于野生型的M细胞附近。

BS叶绿体随机分布在bsd2突变体中，这表明BSD2也可能在决定BS叶绿体的分布模式中发挥作用。然而，具体机制仍有待探讨。

四、BSD2在体内可能的生化功能

先前的研究发现，Rubisco全酶复合物含有8个大亚基和8个小亚基，需要多个伴侣蛋白来帮助其组装，其中一个重要因素是BSD2。

BSD2已被证明在八个LS的组装中起着关键作用，根据最新模型，Cpn60αβ/Cpn20伴侣蛋白首先作用于新合成的LS二聚体的折叠。

然后RuBisco积累因子1或核酮糖二磷酸羧化酶因子X帮助LS组装成更高的低聚物。最后，在BSD2的绑定下，LS8核心稳定成8-聚合物，直到酶复合物完全组装。

Raf2可能在该过程的下游或上游起作用，我们发现BSD2与LS物理相互作用增加了新的证据，以支持LS/BSD2中间复合物的预组装是Rubisco组装过程中的早期步骤的观点。

五、BSD2突变干扰叶绿体颗粒堆积和淀粉积累

为了研究BSD2在调节叶片发育中的作用，我们检查了2天龄bsd1突变型和野生型植物的叶片解剖结构。

显微光片观察表明，Kranz解剖结构的M和BS细胞在野生型和bsd1突变体的叶片中发育良好。然而，野生型BS细胞和bsd1突变体中叶绿体的分布存在显著差异。

在野生型中，大多数BS叶绿体位于M细胞附近，而BS叶绿体随机分布在bsd2突变体中。另一方面，叶绿体分枝杆菌沿细胞壁随机分布，野生型与bsd1突变体之间无显著差异。

我们进一步研究了bsd2突变是否影响bsd2突变体中成熟叶绿体的超微结构，电镜观察表明，野生型BS叶绿体呈椭圆形，基质片未堆叠，电子密度大。

野生型M叶绿体呈圆盘状，但囊体叠发良好，淀粉颗粒小颗粒堆积，与野生型相比，bsd2突变体中的BS叶绿体肿胀或受损，类囊体系统排列松散。

此外，在BS叶绿体中未发现淀粉颗粒，此外，bsd2的M叶绿体也随着薄颗粒而膨胀，类囊体系统与野生型M叶绿体相比更松散。

六、BSD2突变干扰叶绿体发育

为了了解BS和M叶绿体缺陷如何在bsd2突变体中发生，我们对野生型和bsd2突变体中的叶绿体超微结构进行了比较发育时间过程研究。

检查了叶绿体的几个关键发育阶段，包括原生质体阶段，叶绿体-格拉纳分化阶段，叶绿体二态性形成阶段，叶绿体成熟阶段。

在丙质体阶段，质体形状各异，富含淀粉颗粒，在BS和M叶绿体中仅具有弱的原生质体。野生型和bsd2突变株之间没有显著差异。

在叶绿体-格拉纳分化阶段，BS和M叶绿体在野生型和bsd2突变体中均发育出堆叠的花岗囊体类群和未堆叠的基质类囊体。

尽管如此，在这个阶段，野生型和bsd2突变植物之间的叶绿体没有发现显着差异。在叶绿体二态性形成阶段。

在叶片从胚芽中生长出来的第二天，在野生型和bsd2突变体的M叶绿体中发现格拉纳堆积增加，而BS叶绿体在野生型和bsd2突变体中的类囊体堆积显着减少。

到这个阶段，叶绿体二态性已经明显形成，值得注意的是，与野生型相比，BS叶绿体的类囊体膜在bsd2突变体中更加松散。

在叶绿体成熟阶段，BS类囊体膜的松动变得更加明显，伴随着BS叶绿体在bsd2突变体中的异常扩张。

在这个阶段，野生型和bsd2突变体的BS叶绿体都发展出未堆叠的类囊体膜。在野生型和bsd2突变体的M叶绿体中均发现格拉纳堆积增加。

与野生型相比，类囊体膜略松，并且bsd突变体的格拉纳堆叠更薄更宽，这些观察结果表明，BSD突变在成熟阶段干扰了BS和M叶绿体的发育，并且BS叶绿体的干扰更为严重。

接下来，我们进行了定量RT-PCR以测量ADL1A和VIPP1的转录水平，这两者都在叶绿体发育过程中编码类囊体的结构成分。

在叶绿体-晶粒分化阶段、二态形成阶段和成熟阶段，bsd1中ADL1A和VIPP2的转录水平相对于野生型均显著降低，表明BSD2在促进类囊体形成基因的表达中发挥作用。

七、bsd2突变体减少了BS和M细胞中的叶绿体数量

为了测试bsd2突变体的叶绿体分裂是否受到影响，我们检查了6天龄野生型和bsd2幼苗第一片叶子的叶绿体超微结构。

我们的结果表明，野生型植物比bsd2具有更多的分裂叶绿体，接下来，我们比较了bsd2和野生型在propidid阶段的叶绿体分裂率。

在bsd66突变体中发现叶绿体分裂率降低，表明BSD2在早期发育阶段促进叶绿体分裂。我们进一步比较了成熟阶段每个细胞的叶绿体数量。

发现与野生型相比，bsd25突变体中每个细胞的叶绿体减少，这些观察表明，BSD2促进M和BS细胞中的叶绿体分裂。

接下来，我们进行了定量RT-PCR测量编码叶绿体分裂装置结构成分的基因的转录水平。

相对于野生型植物，bsd1中PDV1-1、PDV2-1、PDV2、FtsZ、ARC3和PDR1的转录水平在bsd3中显著降低，表明BSD在促进叶绿体分裂相关基因的表达中也起作用。

八、总结

玉米bsd2是经典的C4C缺陷突变体4光合作用，伴随着Rubisco的积累减少和束鞘细胞中异常的成熟叶绿体形态。

作为假设的叶绿体伴侣，BSD2对C的影响4叶绿体的发展尚未得到充分研究，这妨碍了对BSD2 在C语言中的功能的充分认识。

本研究的目的是找出BSD2在调节玉米叶片叶绿体发育中的作用，并为我们对C的理解增添新的见解。

我们的综合结果表明，BSD2通过与大量Rubisco的物理相互作用，在维持BS叶绿体结构中起间接作用。我们的数据表明，BSD2也是叶绿体正常发育和完整性所必需的。

基于我们的细胞学观察和统计分析，我们发现BSD2最有可能在调节叶绿体分裂中发挥作用。

BSD2在调节二态性BS和M叶绿体的分裂和分化中起着至关重要的作用，并且在转录后水平上起作用以调节Rubisco的LS稳定性或组装。