光对地钱叶绿体翻译的影响与被子植物相似且不受光独立叶绿素合成途径调控

这篇研究通过核糖体图谱和RNA测序技术，揭示了非维管植物地钱（Marchantia polymorpha）叶绿体翻译的光调控机制与被子植物高度保守。研究发现psbA mRNA的翻译起始特异性激活和全基因组范围的翻译延伸速率提升是光响应的核心特征，且该过程不受黑暗条件下叶绿素合成途径（DPOR）的影响，为光合生物进化过程中叶绿体翻译调控的保守性提供了关键证据。

　　

光调控叶绿体翻译的进化保守性机制

SUMMARY

光合系统II（PSII）的核心组分D1蛋白因其易受光氧化损伤的特性，需要通过psbA mRNA的快速翻译进行替换。本研究通过核糖体图谱技术发现，地钱（Marchantia polymorpha）在光照-黑暗转换过程中，psbA mRNA的核糖体占据量呈现快速动态变化，这与被子植物的调控模式高度一致。值得注意的是，地钱特有的黑暗叶绿素合成途径（DPOR）并不影响这一调控过程，暗示光信号而非叶绿素可用性是翻译激活的关键因素。

INTRODUCTION

光合生物的叶绿体基因表达机制在进化过程中显著分化。被子植物通过翻译起始调控psbA的合成以应对D1损伤，而蓝藻则依赖转录调控。此前假说认为，被子植物中光依赖的叶绿素合成可能参与psbA翻译激活，但本研究通过比较野生型地钱与缺乏DPOR的chlB突变体，揭示了光信号直接调控翻译的保守机制。

RESULTS AND DISCUSSION

保守的翻译输出与动态平衡

核糖体图谱数据显示，地钱叶绿体基因的翻译输出与蛋白稳态水平呈正相关，例如rbcL（Rubisco大亚基）和psbA的翻译活性最高。有趣的是，尽管不同物种间蛋白合成比例相似，但实现这一平衡的mRNA丰度与翻译效率贡献存在显著差异。例如rps15在拟南芥中通过高效翻译低丰度mRNA实现低输出，而地钱则依赖低效翻译高丰度mRNA，表明进化选择主要作用于翻译输出而非具体调控层级。

光暗转换的快速响应

当植物转入黑暗1小时后，psbA核糖体占据量下降4倍，而重新光照15分钟内即恢复至8倍超激活状态。这种特异性变化在缺乏DPOR的突变体中完全保留，证明光独立叶绿素合成不参与调控。脉冲标记实验进一步显示，光照同时激活了全基因组范围的翻译延伸速率提升，这与被子植物中观察到的"隐蔽翻译调控"现象一致。

ATP合酶亚基的精确调控

叶绿体编码的ATP合酶各亚基（AtpA/B/H/E/F/I）的翻译输出严格遵循其3:3:14:1:1:1的化学计量比，这一过程主要通过mRNA翻译效率的差异化实现。类似地，细胞色素b₆f复合体的PetD亚基因半衰期较短，其翻译输出显著高于其他组分，体现了翻译调控对蛋白稳态的精细适应。

CONCLUSIONS

本研究揭示了从非维管植物到被子植物间叶绿体翻译光调控的深层保守性，否定了DPOR途径参与翻译调控的假说。数据同时表明，叶绿体基因表达通过mRNA丰度与翻译效率的协同进化维持稳定输出，为合成生物学中叶绿体转基因元件的设计提供了定量依据。未来对LPOR突变体的研究将有助于解析叶绿素合成爆发在D1翻译激活中的潜在作用。

METHODS

实验采用地钱雄性品系Takaragaike-1及其chlB::aadA突变体，通过核糖体图谱（118 nt读长）与RNA-seq技术分析不同光条件下（10 μmol photons m^-2 s^-1基础光强，100 μmol photons m^-2 s^-1激活光强）的翻译动态。脉冲标记使用³⁵S-甲硫氨酸/半胱氨酸在环己酰亚胺抑制胞质翻译条件下进行，通过磷屏成像检测D1和RbcL合成速率。