叶绿体铁分配关键调控因子WHIRLY1的结构与功能研究：从DNA结合蛋白到铁代谢枢纽

本文揭示了DNA结合蛋白WHIRLY1通过其类铁蛋白（ferritin）结构特征调控叶绿体铁代谢的新机制。研究表明，WHIRLY1缺失虽不影响叶片总铁含量，但导致光系统I（PSI）、光系统II（PSII）及多种铁辅因子蛋白（含Fe-S簇、血红素等）组装缺陷，同时触发铁储存蛋白铁蛋白（FER1）的补偿性上调。该发现为理解植物叶绿体发育与光合作用中铁的动态分配提供了分子框架，对作物抗逆改良具有潜在应用价值。

　　

引言

WHIRLY蛋白家族作为多功能的DNA结合蛋白，广泛存在于植物细胞的含DNA区室中。这类蛋白不仅参与植物发育和胁迫响应，其成员WHIRLY1更因其独特的叶绿体-细胞核双重定位引发关注。近期研究发现，大麦WHIRLY1缺失突变体表现出叶绿体发育迟滞、高光下叶片失绿等表型，尽管叶片总铁含量正常，却呈现出典型的铁缺乏症状。这一矛盾现象暗示WHIRLY1可能在铁分配而非铁吸收过程中发挥关键作用。

材料与方法

实验采用WHIRLY1敲低（W1-1和W1-7）和野生型（WT）大麦为材料，在不同光照条件下（50-350 μmol m^-2
s^-1
）培养，通过ICP-MS测定金属含量、免疫印迹分析蛋白表达、蔗糖密度梯度离心分离类囊体膜复合物，并结合77K荧光光谱和qRT-PCR等技术系统评估光合装置功能与基因表达变化。

结果

光合系统功能与组成的改变

WHIRLY1缺失显著影响PSI功能，表现为P₇₀₀
氧化能力下降50%（W1-7），且77K荧光光谱中LHCA特征峰从735 nm蓝移至732 nm，提示PSI-LHCA连接异常。蔗糖梯度分析显示，W1-7植株的PSI核心组分（PsaA/C）和细胞色素b₆
f复合体（PetA）丰度降低，而游离的LHCA1比例增加。值得注意的是，含铁量更高的PSI受影响程度远超PSII，这与铁缺乏植物的典型响应模式高度一致。

铁辅因子蛋白的全局性调控

免疫印迹揭示WHIRLY1缺失导致多种铁辅因子蛋白水平下降：

• Fe-S簇蛋白：PSI的PsaC（2×Fe₄
  S₄
  ）、亚硝酸还原酶NIR（Fe₄
  S₄
  -siroheme）
• 单核铁蛋白：FeSOD（FSD1）和脂氧合酶LOX2
• 血红素蛋白：细胞色素f（PetA）
  相反，铁储存蛋白铁蛋白（FER1）水平显著上升，且高光加剧此效应，暗示叶绿体内游离铁过量。

基因表达与铁稳态的分子调控

尽管多数铁蛋白的mRNA水平（如^psaA
、^petA
）在WHIRLY1缺失株中上调5-15倍，其蛋白水平却降低，表明WHIRLY1主要在翻译后层面调控铁蛋白组装。铁稳态相关基因表达谱显示，铁摄取基因^IRO2
下调而^FER1
上调，进一步验证叶绿体处于"铁过载但利用障碍"的独特状态。

讨论

WHIRLY1与铁蛋白（ferritin）和细菌Dps蛋白共享24聚体球状结构，可能通过类似"分子海绵"机制动态调控铁的可利用性。其缺失导致铁错误分配：一方面铁蛋白过度蓄积以隔离毒性游离铁，另一方面铁辅因子蛋白组装受阻，引发光合缺陷和氧化应激。这种双重角色为理解植物应对环境胁迫的协同机制提供了新视角，也为作物光合效率的遗传改良提供了潜在靶点。