植物细胞为何需要血红素：隐藏信号重塑光合作用的基因调控

对植物而言，光不仅是光合作用的能量来源，也是获取环境信息的重要信号。光信号由称为光敏蛋白的感光蛋白感知。构成蛋白质的氨基酸是透明的，无法吸收可见光。因此，色素对于感光蛋白感知光线至关重要，这些色素被称为生色团。
光敏色素的生色团——植物色素胆素（phytochromobilin，PΦB）——由血红素（一种血液色素）合成。因此，作为血红素代谢产物的 PΦB 在光信号传导中发挥着重要作用，但血红素本身也被认为是一种信号分子，可将叶绿体的功能状态传递给细胞核。然而，由于 PΦB 由血红素合成，此前人们一直无法将血红素信号与光敏色素信号分离开来分析。
利用能在不同位点切割血红素分子的细菌酶，由东京大学塔特鲁·益田（Tatsuru Masuda）教授与奈良女子大学高由纪·清水（Takayuki Shimizu）副教授领导的研究团队开发了一种方法，将此前难以分开讨论的光敏色素依赖光信号通路与血红素逆向信号通路解析开来。
研究团队将两种切割血红素分子不同位点的细菌血红素加氧酶（HO）分别导入丧失了主要血红素加氧酶活性的植物（拟南芥，Arabidopsis thaliana）中。
其中一种血红素加氧酶源自脑膜炎奈瑟菌（Neisseria meningitidis，简称 NmHO），它在植物相同的位点进行切割并可合成 PΦB；另一种源自铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa，简称 PaHO），它在不同的位点切割，无法合成 PΦB。
这使他们能够创建出既能代谢血红素、合成 PΦB 形成活性光敏色素的植物，以及不能这样做的植物。
相关结果已在线发表于《植物生理学》（Plant Physiology）。
即使在光敏色素失去功能的植物中，仍观察到细胞核内光合作用相关基因表达的变化。这揭示了血红素分子作为质体来源信号分子发挥作用。
此外，研究团队比较了细菌源血红素加氧酶在质体内发挥功能的植物与在细胞质内发挥功能的植物。结果表明，不仅质体中的血红素被降解，细胞质中的血红素也被降解时，细胞核内光合作用相关基因的表达会发生改变。
由这些发现可以清楚地看出，叶绿体中产生的血红素经由细胞质作为信号传递至细胞核，调控细胞核中与叶绿体形成相关的光合作用基因的表达。
该研究还揭示，某些光合作用相关基因受光信号调控，而另一些则不受其调控。
文章来源：东京大学（经 Phys.org 转载）
作者：萨迪·哈利雷（Sadie Harley）编辑，安德鲁·齐宁（Andrew Zinin）审阅
图片：植物细胞中血红素逆向信号与光敏色素光信号的相互作用。图片来源：东京大学人文社会系研究科·综合文化研究科·教养学部。