光合作用依赖的类囊体蛋白前体加工机制在叶绿体生物发生中的关键作用

本研究通过680 nm红光诱导的光系统II(PSII)过激发条件，揭示了var2和abc1k1突变体中类囊体蛋白前体加工缺陷与叶绿体生物发生停滞的分子关联。研究人员采用蛋白质组学与免疫印迹技术，首次证明光合活性是OEC组分PsbO/P/Q及PSI蛋白PsaN/F等SEC/TAT途径底物正确加工的必要条件，为理解叶绿体发育的能量耦合机制提供了新视角。

　　

在植物从种子萌发到光合自养生长的关键转型期，叶绿体如何协调数百种核编码蛋白的跨膜转运与组装，一直是细胞器生物学领域的核心问题。尤其令人困惑的是，当胚胎中无色原质体分化为功能性叶绿体时，类囊体腔内蛋白如氧释放复合体(OEC)组分PsbO/P/Q等，必须经历从细胞质合成→叶绿体膜转运→类囊体靶向的多级加工过程。这些蛋白携带的双重靶向序列（叶绿体转运肽cTP和类囊体转运肽ITP）需要被基质加工肽酶(SPP)和类囊体加工肽酶(Plsp1)依次切除，但这一过程如何与光合作用建立相偶联仍不清楚。

瑞士纳沙泰尔大学（Université de Neuchatel）的Joy Collombat团队在《Communications Biology》发表的研究，通过两种条件型突变体abc1k1（质体醌稳态缺陷）和var2（PSII修复缺陷），在680 nm红光（PSII特异性激发光）处理下，首次揭示了光合电子传递产生的能量对类囊体蛋白前体加工的调控作用。研究采用比较蛋白质组学（DIA-MS）、免疫印迹和透射电镜技术，发现突变体在红光下积累PsbO1/2、PsbP、PsbQ、PsaN等蛋白的未完全加工形式，其滞留的N端肽段（如PsbQ2的62-78位SVIGLVAA-GLAGGSFVK）正位于ITP区域。

关键实验技术包括：1）红光条件生长系统（680 nm，60 μmol m^-2 s^-1）；2）数据非依赖采集质谱（DIA-MS）定量9086个蛋白；3）叶绿素荧光测量PSII量子产量（Φ_PSII）；4）免疫印迹追踪PsbA/P/O等蛋白加工状态；5）透射电镜观察类囊体发育。

红光处理揭示生物发生阻滞

abc1k1在红光下呈现无色子叶，电镜显示类囊体堆叠缺失，而白光预处理可部分挽救表型，证明其缺陷源于生物发生停滞而非光漂白。var2表现出类似表型，两者叶绿素含量降至野生型10%，PSII效率显著降低。

蛋白质组学揭示特异性缺陷

DIA-MS分析显示突变体中35个光系统相关蛋白显著减少，而蛋白酶体组分增加。值得注意的是，PsbO1/2、PsbP、PsbQ、PsaN等12个N端肽段在突变体中异常积累，这些肽段均位于ITP切割位点上游（图5c），证实加工阻滞发生在类囊体转运阶段。

DCMU处理验证能量耦合机制

低剂量DCMU（12.5 nM）通过占据D1蛋白Q_B位点减少电荷重组，成功恢复abc1k1（而非var2）的叶绿素含量和PsbP/Q加工效率，表明质体醌库的氧化还原状态通过影响类囊体膜电势（ΔpH）调控TAT/SEC转运活性。

该研究突破性发现在于：光合作用不仅是叶绿体的功能输出，更是其生物发生的能量驱动力——类囊体蛋白的成熟需要PSII产生的ΔpH和ATP直接支持TAT/SEC转运机器的工作。这一发现为理解质体醌稳态（ABC1K1调控）与PSII修复（FTSH2介导）在叶绿体发育中的协同作用提供了新范式，对作物耐高光胁迫品种改良具有指导意义。