《Plant Science》：A grafting-rescued
albino mutant reveals the essential function of
CspTAC12 in cucumber chloroplast biogenesis
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该研究鉴定了黄瓜中一例由Csal基因（G→C单核苷酸多态性突变导致CspTAC12编码区第五外显子功能丧失）引起的白化致死突变体XNS106_1。基因定位显示Csal位于第6染色体75.1 Kb区间，其突变导致PEP复合体转录功能崩溃，激活包括ROS爆发、水杨酸/生长素失衡及 nucleus-wide转录重编程的反向调控网络，最终造成光合系统破坏和幼苗致死。该发现明确了CspTAC12在黄瓜叶绿体发育中的关键调控作用，并揭示了核-叶绿体互作机制的新层次。
周玉清|田浩然|姚森阳|朱斌杰|向亚晨|傅玲龙|王晓雪|周云照|刘汉强|潘玉鹏
西北农林科技大学园艺学院，中国杨陵712100
摘要
叶绿体的生物发生需要核基因组和质体基因组之间的精确协调，这一过程由质体编码的RNA聚合酶（PEP）复合体调控。在这项研究中，我们鉴定了一种自发的白化致死突变体XNS106_1。该突变体表现出完全的叶绿素缺乏和光合作用失效，导致萌发后死亡。遗传分析表明，这种表型由一个单隐性位点Csal控制，并且存在显著的遗传分离异常。通过嫁接技术使突变体得以繁殖，我们将Csal精确定位到6号染色体上的75.1-Kb区间内。在该区域内，我们发现了一个导致该现象的G到C单核苷酸多态性，该多态性位于编码黄瓜质体转录活性因子12（CspTAC12）的基因CsaV3_6G052070的第五外显子上。亚细胞定位实验确认CspTAC12同时定位于叶绿体和细胞核中。整合转录组学和生理学分析表明，csptac12突变会导致PEP依赖的转录过程中断，进而激活一系列逆向信号通路。这些信号通路包括活性氧的释放、水杨酸和生长素水平的改变以及细胞核中的广泛转录重编程，其中包括抑制与光合作用相关的核基因和激活防御相关通路。我们的研究确定了CspTAC12在黄瓜叶绿体发育中的关键调控作用，并揭示了其功能障碍所引发的复杂逆向通信网络。
引言
叶绿体是进行光合作用的不可或缺的细胞器，是将光能转化为化学能以维持植物生长和发育的主要场所。叶绿体中的绿色色素叶绿素对此过程至关重要。因此，无论是叶绿体的生物发生、叶绿素代谢还是光合作用机制的任何紊乱，都会直接降低光合作用效率，表现为叶片黄化或褪色，最终影响植物的生存能力（Tanaka和Tanaka，2007；Waters和Langdale，2009）。叶绿体的发育和功能受到核基因组和质体基因组之间复杂相互作用的影响，这种协调由两种不同的RNA聚合酶实现：核编码的RNA聚合酶（NEP）和质体编码的RNA聚合酶（PEP）。NEP主要负责早期质体发育过程中的管家基因转录，而PEP则在成熟叶绿体中主导光合作用相关基因的表达（Liere等人，2011）。在这方面，叶色突变体为解析控制叶绿体发育的复杂调控网络提供了有力的遗传工具。
核编码的NEP是一种噬菌体类型的单亚基RNA聚合酶，负责转录建立质体遗传机制所需的基因，包括编码PEP核心亚基和核糖体蛋白的基因（Lee等人，2019；B?rner等人，2015）。其活性主要存在于未分化的质体中，在那里它无需sigma因子即可识别特定的AT富集启动子序列。随着叶绿体的成熟，转录控制逐渐转移到多亚基PEP复合体（Tadini等人，2020）。这一转变至关重要；NEP功能的突变常常导致白化或严重的叶绿素缺乏，如在拟南芥中观察到的RPOTp和RPOTmp基因的双突变体表现为白化并导致幼苗死亡（Jan等人，2022）。相比之下，PEP复合体负责转录绝大多数质体基因，尤其是那些参与光合作用的基因。PEP的催化核心由质体基因组编码，但其组装、稳定性和启动子特异性依赖于一系列核编码的PEP相关蛋白（PAPs）。这些PAPs与PEP核心结合形成质体转录活性染色体（pTAC），这是转录调控和复合体完整性的关键组成部分（Wang等人，2024）。PEP的功能重要性在多个物种中都有体现。在水稻中，OsPAP3的缺失会导致叶绿体发育异常和幼苗死亡，而其过表达则可以提高光合作用效率（Seo等人，2024）。同样，在玉米中，ZmpTAC12突变体会表现出叶绿素缺乏和光合作用复合体的显著减少（Liu等人，2017）。
pTAC蛋白包含多种PAPs，目前认为它们构成了PEP活性的核心调控枢纽。大多数缺乏pTAC组分的拟南芥突变体表现为白化或淡黄色表型，其特征是PEP依赖的转录过程完全中断，这突显了它们在稳定和调节PEP复合体而非NEP通路中的作用（Pfalz等人，2006）。这些蛋白具有多种功能，从调节DNA拓扑结构（例如pTAC3）到稳定RNA转录本（例如pTAC6、pTAC10）以及促进启动子识别（例如pTAC14）（Gao等人，2011）。对ptac14突变体的比较表达分析表明，逆向信号对代谢相关基因有显著影响，尤其是那些参与植物激素途径的基因（Grübler等人，2017）。Bychkov等人（2024）的最新研究证实，ptac/pap突变体中叶绿体发育的停滞会引发激素生物合成和代谢基因表达的广泛重编程，进而导致激素含量的改变并破坏各种信号分子之间的复杂相互作用。此外，某些pTAC蛋白，如pTAC2和pTAC12，参与了叶绿体的逆向信号传导，将叶绿体的功能状态传递给细胞核以协调基因表达（Tadini等人，2020）。其中，pTAC12（也称为HEMERA或HMR）因其同时定位于叶绿体和细胞核而特别值得关注，使其成为叶绿体功能和细胞核光形态发生的关键整合者（Chen等人，2010；Qiu等人，2015；Nevarez等人，2017；Vergara-Cruces等人，2024）。在叶绿体中，pTAC12对PEP活性至关重要。拟南芥ptac12突变体表现为白化，无法转录关键的光合作用基因，而pTAC12直接促进PEP在启动子区域的招募（Chen等人，2010；Gao等人，2011）。同时，其在细胞核中的作用涉及调节光敏色素信号通路和PHYTOCHROME INTERACTING FACTORS（PIFs）的降解，从而调控下胚轴的生长（Qiu等人，2015）。
尽管在拟南芥中已经进行了广泛的研究，但在主要蔬菜作物中pTAC组分的实际功能仍大多未被探索。黄瓜（Cucumis sativus L.）是一种全球重要的蔬菜，但其叶绿体发育的遗传基础尚未完全阐明。在这项研究中，我们从一条黄瓜自交系中鉴定出一种自发的隐性白化致死突变体XNS106_1。遗传分析表明，这种表型由一个单隐性位点Csal控制。通过基于地图的克隆技术，我们将Csal定位到6号染色体上的75.1-Kb区间，并在CspTAC12（黄瓜中的Arabidopsis pTAC12同源基因）的第五外显子上发现了一个导致该现象的非同义SNP（G到C）。我们的发现证实了pTAC12在黄瓜叶绿体发育中的保守和关键作用，并将Csptac12突变体确定为研究这一农业重要作物中核-质体协调机制的宝贵资源。
植物材料和遗传作图群体
自发的白化叶突变体XNS106_1来源于XNS106自交系。野生型（WT）XNS106的子叶和叶片为绿色，而XNS106_1的子叶为淡黄色，逐渐失去色素并最终变为白色，导致幼苗死亡。由于这种致死表型，无法通过种子维持突变体等位基因。为了保存突变体等位基因并
叶绿素缺乏和光合作用失效共同导致XNS106_1的子叶白化
与野生型黄瓜自交系XNS106相比，自发的白化致死突变体XNS106_1的子叶为淡黄色，在幼苗早期逐渐失去叶绿素并变为白色，最终导致幼苗死亡（图1A）。鉴于XNS106和XNS106_1在幼苗阶段的子叶颜色存在显著差异，我们从组织和生理学角度进行了比较分析。组织学观察显示
黄瓜白化致死（Csal）突变体XNS106_1的遗传继承
叶绿素积累受损的突变体通常由叶绿素代谢紊乱引起，是研究叶绿体生物发生、光合作用功能及相关生理机制的宝贵遗传资源（Li等人，2026）。阐明叶绿素代谢的遗传基础不仅有助于推进植物生物学研究，还能为育种策略提供依据，以提高作物产量、耐逆性和适应性（Croce等人，2024；
作者贡献
周玉清和田浩然完成了大部分研究工作。姚阳、朱斌杰、向亚晨、傅玲龙、王晓雪和周云照协助进行了叶片样本采集、DNA提取以及分离群体的基因分型和表型分析。潘玉鹏和刘汉强提出了研究思路并进行了监督。潘玉鹏与周玉清、田浩然和刘汉强共同撰写了论文。所有作者均审阅并批准了最终版本。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
未引用参考文献
(Pan等人，2024)
CRediT作者贡献声明
傅玲龙：数据可视化、验证、正式分析、数据管理。
王晓雪：数据可视化、验证、正式分析、数据管理。
朱斌杰：数据可视化、验证、正式分析、数据管理。
向亚晨：数据可视化、验证、调查、正式分析、数据管理。
潘玉鹏：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源协调、资金申请、数据管理、概念构思。
周云照：利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢程志辉教授提供的平台和技术支持。本研究得到了中国农业研究系统（CARS-23-G22）和陕西省重点研发计划（2025NC-YBXM-044）对刘汉强的支持。
