鐵（Fe）是植物中一種重要的過渡金屬，對細(xì)胞的基本功能至關(guān)重要。葉綠體需要大量的鐵以進(jìn)行光合作用中的電子傳遞和葉綠素合成。限制鐵向葉綠體的輸入會導(dǎo)致鐵缺乏，從而引發(fā)電子傳遞鏈成分蛋白質(zhì)含量降低、活性氧積累、葉片黃化以及產(chǎn)量下降。然而，我們對葉綠體鐵吸收及其穩(wěn)態(tài)機(jī)制仍然了解甚少。此外，研究表明，鐵能夠從成熟組織轉(zhuǎn)運(yùn)至新生組織以支持其生長，這一過程受光周期變化影響。然而，在持續(xù)光照條件下，鐵如何有效轉(zhuǎn)運(yùn)并分配到新生葉片，其具體分子機(jī)制尚不明確。
近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實驗室、湖北洪山實驗室胡紅紅教授團(tuán)隊在國際權(quán)威期刊Cell Reports在線發(fā)表了題為“Fe-deficiency Induced Chlorosis 1 is essential for chloroplast iron transport and homeostasis under continuous light conditions in Arabidopsis”的研究論文。
該研究通過在缺鐵條件下篩選轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的 T-DNA 插入突變體，鑒定出 fic1突變體，其新發(fā)育的葉片出現(xiàn)了黃化現(xiàn)象。在持續(xù)光照條件下，fic1 新發(fā)育的葉片同樣表現(xiàn)出類似的黃化表型。進(jìn)一步的元素含量分析和喂養(yǎng)實驗表明，在持續(xù)光照下，fic1新發(fā)育葉片的黃化主要是由于缺鐵引起，其導(dǎo)致其光合作用受損、血紅素含量降低以及活性氧（ROS）水平增加。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，植物從長日照條件轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)光照時，會促進(jìn)鐵從老葉向新葉的轉(zhuǎn)運(yùn)，但在 fic1 突變體中，這種鐵分布調(diào)節(jié)受到阻礙。這些結(jié)果表明，F(xiàn)IC1 在持續(xù)光照條件下參與新老葉片間鐵轉(zhuǎn)運(yùn)與分配。亞細(xì)胞定位和表達(dá)模式分析表明，F(xiàn)IC1定位于葉綠體內(nèi)膜，并且在新生葉片中的表達(dá)受到持續(xù)光照的誘導(dǎo)。電生理學(xué)實驗和酵母異源回補(bǔ)實驗進(jìn)一步證實，F(xiàn)IC1具有Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)活性。結(jié)合fic1突變體新生葉片和葉綠體中鐵含量的下降，以及新老葉間鐵分配的缺陷，表明FIC1是葉綠體內(nèi)膜上的鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與調(diào)控持續(xù)光照條件下新生葉片的鐵吸收，并維持新老葉片之間的鐵分配。此外，fic1突變體中鐵轉(zhuǎn)運(yùn)和鐵穩(wěn)態(tài)相關(guān)基因的表達(dá)發(fā)生變化，進(jìn)一步支持了FIC1在持續(xù)光照條件下維持葉片鐵穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵作用。
該研究在葉綠體中鑒定出一種新的Fe2+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白FIC1，并闡明了其在葉綠體內(nèi)鐵轉(zhuǎn)運(yùn)及新老葉間鐵分配中的作用。該研究為持續(xù)光照條件下葉綠體鐵吸收以及鐵向幼嫩新生組織轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制提供了提論基礎(chǔ)。
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實驗室、湖北洪山實驗室博士研究生張菊梅和已畢業(yè)博士游磊（現(xiàn)為湖北醫(yī)藥學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院副教授）為共同第一作者，胡紅紅教授為通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的薛紹武教授、賴雪雷教授也參與了該研究。該研究得到國家自然科學(xué)基金委資助。
文章鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247（25）00713-2
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