2-Cys过氧化物氧化还原酶介导的氧化还原信号调控光合诱导过程中的蛋白质组动态

本研究通过SPEAR标记技术揭示了2-Cys Prx在光合诱导阶段调控氧化还原蛋白质组动态的双重作用，发现暗-光转换时存在同步的还原与氧化信号，分别激活Calvin-Benson循环和抑制淀粉降解通路。该发现为理解光合代谢的时空协调提供了新机制，对优化作物光能利用效率具有重要指导意义。

　　

植物在自然环境中面临的光照条件瞬息万变，从全日照到荫蔽再到完全黑暗的昼夜交替过程中，光合电子传递链极易因光能吸收与下游反应失衡而产生过度还原和活性氧(ROS)。这种动态光环境要求植物建立精确的氧化还原调控网络，通过硫醇基修饰协调光反应与碳代谢的活性。尽管已知硫氧还蛋白(Trx)系统介导的还原信号在光激活代谢酶中起关键作用，但关于暗-光转换过程中氧化信号的产生机制及其对光合诱导的调控作用仍存在重大知识空白。

以色列耶路撒冷希伯来大学Robert H. Smith农业植物科学与遗传学研究所的研究团队在《Redox Biology》发表的研究，采用SPEAR（同步蛋白质表达与氧化还原分析）标记技术，结合非标记定量质谱，系统解析了拟南芥在低光(22 μmol m^-2 s^-1)诱导50秒内蛋白质组水平的氧化还原动态。研究发现2-Cys过氧化物氧化还原酶(2-Cys Prx)通过介导双向氧化还原信号，塑造了光合诱导阶段的代谢重编程格局。

关键技术方法包括：1）建立暗-光转换实验体系，在光合诱导关键时间点（50秒）采集野生型(WT)和2cpab突变体样本；2）SPEAR技术通过三氯乙酸(TCA)淬灭和d₀/d₅-NEM同位素标记定量氧化还原状态；3）非还原性SDS-PAGE分析2-Cys Prx二聚化状态；4）高分辨率质谱鉴定2295个半胱氨酸(Cys)肽段；5）生物信息学分析氧化程度(OxD)差异和功能富集。

【Global quantification of redox-sensitive cysteines during the photosynthesis induction phase】

通过比较WT和2cpab在暗/光条件下的2295个Cys肽段，发现136个位点在WT中呈现显著氧化还原变化（|ΔOxD|>5%），其中82个位点发生还原（如2-Cys Prx^Cys241/248、TrxL2.2^Cys113），54个位点发生氧化。而在2cpab中仅52个位点发生改变，证实2-Cys Prx是氧化还原信号传导的核心枢纽。

【Redox modifications in photosynthetic enzymes】

光系统I的psaC^Cys48/51和ATP合酶γ亚基(ATPC1)^Cys249/255等光合相关Cys在WT中呈现暗氧化-光还原模式，但在2cpab中持续保持还原状态。Rubisco活化酶(RCA)^Cys451和GAPDH^Cys434/443等Calvin-Benson循环(CBC)关键调控位点的还原程度在突变体中显著降低，解释了2cpab光合诱导加速的分子基础。

【Light-induced oxidation of Cys regulatory sites in starch degradation and chloroplast glycolysis proteins】

淀粉降解酶BAM1^Cys73和PHS1^Cys731/912在WT光照后发生显著氧化（ΔOxD达50%），而2cpab中这些位点持续保持还原状态。质体糖酵解关键酶PKP2^Cys116和PGM^Cys209也呈现类似模式，表明2-Cys Prx介导的氧化信号可同步抑制暗代谢途径。

研究结论揭示：1）光合诱导阶段存在由2-Cys Prx介导的"双向信号分流"机制，还原信号通过Fd/FTR/Trx系统激活CBC，氧化信号通过TrxL2/2-Cys Prx抑制淀粉降解；2）2-Cys Prx通过维持暗期蛋白氧化状态，为光诱导还原提供底物；3）叶绿体基质可能形成氧化还原微区室实现信号特异性。该研究为理解动态光环境下光合代谢的时空协调提供了新范式，为作物光合效率的遗传改良提供了理论依据。