拟南芥中细胞质乙醛酸支路对经典光呼吸途径的补充：解锁植物抗逆新机制

在植物研究领域，光呼吸对光合作用的支持机制不明。研究人员以拟南芥光呼吸突变体 hpr1 为对象，研究光呼吸的调控与灵活性。发现 GLYR1 缺陷可部分挽救 hpr1 和 cat2 突变体表型，揭示细胞质乙醛酸支路，为提升作物抗逆性提供理论依据。

　　在植物的生长过程中，光既是重要的能量来源，也是关键的环境信号。然而，光照强度常常波动，超出植物生长的适宜范围。在晴天，植物经常会遭遇高光强（超过 2000 μmol m^-2 s^-1）的环境，这对植物来说是一种严峻的挑战。当光照强度超过光合作用的能力时，光合器官会产生更多的活性氧（ROS），这些 ROS 会对蛋白质复合物造成光损伤，进而使电子传递链失活。为了应对这种压力，植物进化出了多种策略，包括利用抗氧化系统清除 ROS、通过非光化学猝灭耗散多余能量、进行循环电子流以平衡 ATP/NADPH 的产生等。

光呼吸（Photorespiration）是一个与光合作用密切相关的代谢过程。当光合酶核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶 / 加氧酶（rubisco）催化核酮糖 1,5 - 二磷酸（RuBP）加氧反应后，光呼吸便开始了。通过一系列在叶绿体、过氧化物酶体、线粒体和细胞质中发生的反应，会将抑制细胞功能的加氧产物 2 - 磷酸乙醇酸（2 - PG）最终转化为 3 - 磷酸甘油酸（3 - PGA），使其能够重新进入叶绿体中的卡尔文 - 本森循环（Calvin–Benson cycle）。尽管光呼吸通常被认为是一个次优的过程，因为它消耗能量并释放之前固定的碳（以 CO₂的形式），但一个功能正常的光呼吸途径对于支持光合作用的性能至关重要，尤其是在胁迫条件下。许多光呼吸突变体在正常空气中生长时，光合作用和生长都会受到影响，而在高 CO₂环境中，这些表型在很大程度上会得到恢复，因为高 CO₂会抑制 rubisco 的加氧反应。此外，一些拟南芥光呼吸突变体，在高光和动态光条件下，光合作用表型比在低光和恒定光条件下更为严重，这进一步表明了在高光条件下，正常功能的光呼吸途径的重要性。

尽管光呼吸的主要通量已为人所知，但仍存在一些替代通量，比如细胞质中的 HPR2 和 HPR3 酶，它们的功能与 HPR1 部分冗余。此外，光呼吸与初级代谢途径紧密相连，在某些环境条件下对植物的生存至关重要，因此该途径有望受到调控。目前，虽然对光呼吸调控的研究仍然较少，但已有证据表明，光呼吸会对 CO₂、O₂和光等环境因素做出响应，同时也会受到自身代谢物和酶的反馈调节，并且在转录、转录后和翻译后水平上都受到调控。因此，对光呼吸的灵活性和调控机制进行研究，对于全面阐明该途径在植物生理学中的作用以及植物与环境的相互作用具有重要价值。

为了深入探究光呼吸的调控和灵活性，来自密歇根州立大学（Michigan State University）的研究人员开展了一系列研究。他们通过对拟南芥 hpr1 突变体进行遗传筛选，鉴定出一个能够部分挽救 hpr1 突变体表型的基因 GLYR1，并对其进行了深入研究。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种技术方法来开展此项研究。在遗传方面，通过乙基甲磺酸（EMS）诱变筛选 hpr1 突变体的遗传抑制子，并进行回交和基因定位。在分子生物学方面，运用 RNA 测序（RNA - seq）分析基因表达变化，通过构建转基因植株和进行免疫印迹分析来研究蛋白水平的变化。在代谢研究方面，利用代谢物提取和气相色谱 - 质谱（GC - MS）技术定量分析光呼吸代谢物。此外，还运用了烟草浸润和共聚焦显微镜技术来确定蛋白的亚细胞定位。

研究结果

1. GLYR1 功能缺失部分挽救 hpr1 突变体的生长和代谢表型：研究人员通过 EMS 诱变筛选出一个名为 shpr7 的抑制子，它能够部分抑制 hpr1 - 1 在高光下的小莲座叶表型。基因定位发现，shpr7 的抑制作用是由 GLYR1 基因的点突变引起的，该突变导致其编码的乙醛酸还原酶 1（GLYR1）蛋白稳定性下降。进一步研究发现，GLYR1 功能缺失能够部分挽救 hpr1 - 1 突变体在植物生长和光呼吸代谢物水平方面的表型，尤其是在高光条件下。
2. GLYR1 缺陷在短期光呼吸条件下很大程度上逆转 hpr1 突变体的转录重编程：RNA - seq 分析结果显示，hpr1 - 1 在高光下会导致大量基因表达发生变化，而 GLYR1 缺陷能够在转录组水平上显著挽救 hpr1 - 1 的基因表达，使其接近野生型水平。这表明 GLYR1 在调节 hpr1 - 1 的转录重编程中发挥着重要作用。
3. GLYR1 缺陷也部分挽救光呼吸突变体 cat2 的表型，但对 plgg1 无效：将 glyr1 - 1 与其他光呼吸突变体 cat2 - 1 和 plgg1 - 1 杂交后发现，GLYR1 缺陷能够部分改善 cat2 - 1 的生长和光合作用表型，但对 plgg1 - 1 没有明显效果。这表明 GLYR1 的作用可能与特定的光呼吸组件有关。
4. GLYR1 定位于细胞质：通过在烟草叶片中瞬时共表达 35S::eYFP - GLYR1 和过氧化物酶体标记物 mScarlet - I - SRL，以及在拟南芥中构建转基因株系进行观察，研究人员确定 GLYR1 仅定位于细胞质，排除了其在过氧化物酶体、线粒体和叶绿体中的定位。
5. 过渡代谢分析揭示羟基丙酮酸与 GLYR1 的密切联系：通过对光呼吸代谢物的过渡分析，研究人员发现 GLYR1 缺陷的 hpr1 和 cat2 突变体中，羟基丙酮酸水平的变化与 GLYR1 功能密切相关。在高光条件下，GLYR1 缺陷会导致细胞质中乙醛酸积累，进而促进乙醛酸与丝氨酸反应生成羟基丙酮酸，支持了细胞质光呼吸支路的存在。
6. 在向高光呼吸条件转变的早期，glyr1 hpr1 中乙醛酸积累：监测从高 CO₂和正常光条件转变到环境 CO₂和高光条件过程中的光合性能发现，在转变约 1.5 小时后，glyr1 - 1 hpr1 - 1 中乙醛酸水平显著高于 hpr1 - 1，进一步证明了细胞质乙醛酸支路的激活。
7. 向植物中添加乙醛酸强烈抑制野生型生长，但对 hpr1 生长有益：向生长培养基中添加乙醛酸的实验表明，野生型植物生长受到强烈抑制，而 hpr1 - 1 能够更好地代谢乙醛酸，生长受影响较小。这表明增加细胞质中乙醛酸的可用性对 hpr1 - 1 生长有益，支持了研究假设。
8. glyr1 对 hpr1 的挽救作用在很大程度上依赖于 HPR2：构建 glyr1 - 1 hpr1 - 1 hpr2 - 3 三重突变体的研究发现，glyr1 对 hpr1 的挽救作用很大程度上依赖于细胞质中的 HPR2。在缺乏 HPR2 时，glyr1 对 hpr1 的挽救效果明显减弱。
9. GLYR1 缺陷有利于野生型植物在极端光呼吸条件下的光合性能：在极端光呼吸条件下（高光和低 CO₂），glyr1 - 1 突变体的光合效率高于野生型。这表明在主要光呼吸途径功能正常时，细胞质乙醛酸支路在极端光呼吸条件下可能被激活，有助于保护植物。

研究结论与讨论

本研究为光呼吸的细胞质乙醛酸支路提供了证据。在高光条件下，当主要光呼吸途径功能缺失时，该支路可以减少对植物有毒的光呼吸中间产物的碳保留，支持了光呼吸网络的代谢灵活性。此外，在野生型植物面临需要极高光呼吸通量的条件（如高光和低 CO₂）时，该支路可能也发挥着保护作用。

研究还发现，植物中的 GLYR1 和 HPR2 在乙醛酸支路中发挥着重要作用。GLYR1 功能缺失会导致细胞质中乙醛酸积累，进而通过与丝氨酸的反应生成羟基丙酮酸，再由 HPR2 将羟基丙酮酸转化为甘油酸，最终返回卡尔文 - 本森循环，减少有毒光呼吸中间产物的积累，增强碳循环。虽然该支路不能完全替代过氧化物酶体途径，但在高光呼吸通量需求高时，它可以补充经典途径。

此外，研究人员还推测存在一种与过氧化物酶体中丝氨酸：乙醛酸转氨酶（SGAT）活性相似的细胞质转氨酶，它可能与 GLYR1 竞争乙醛酸，从而使代谢通量转向通过细胞质光呼吸支路进行碳循环。虽然目前尚未确定这种细胞质转氨酶的具体身份，但 AtAGT2、AtAGT3 和 AtPYD4 等可能是潜在的候选者。

本研究的发现为理解光呼吸的调控机制提供了新的视角，支持了光呼吸的代谢灵活性以及其在植物应对胁迫中的重要作用。然而，关于光呼吸的调控仍有许多未知之处，进一步研究光呼吸的调控机制，可能有助于培育出在不牺牲抗逆性的前提下具有高生产力的新作物品种。