发现揭示了植物细胞中的特殊结构如何帮助调节光合作用

普渡大学的科学家发现了一种关键机制，可以调节植物如何发育叶绿体，叶绿体是负责光合作用的重要结构，通过产生氧气和食物来维持地球上的生命

叶绿体是半自主的细胞器，在运作和繁殖中具有一定程度的独立性。然而，它们仍然需要由细胞核中的指令制成的蛋白质才能正常运作，并像光合装置一样组装多蛋白复合物。叶绿体外膜中的特殊转运蛋白必须将这些蛋白质输送到叶绿体中

植物学和植物病理学副教授Gyeong Mee Yoon和博士生Yuan Chi Chien在《科学进展》上发表的一篇论文描述了植物如何通过调节称为TOC（叶绿体外壳上的转运蛋白）复合物的转运蛋白的稳定性来控制这一输入过程

Yoon和Chien确定了转运蛋白的一个关键氨基酸，当其被修饰时，可以作为控制这些转运蛋白的分子开关

Yoon说，改变这种氨基酸和化学修饰会极大地破坏叶绿体的发育和结构。Yoon也是普渡大学植物生物学中心的成员。“这一发现加深了我们对植物生物学的理解，并为提高作物产量开辟了有前景的途径，因为叶绿体是植物生产力的基础。”

他们的工作涉及在对照实验中使用模式植物拟南芥对复杂的植物蛋白字母汤的功能进行分类和基因操纵。TOC33蛋白是这项研究的核心

这种蛋白质是叶绿体外膜中较大的TOC复合物的组成部分。它识别并促进叶绿体靶向蛋白在植物早期发育过程中进入叶绿体

调节TOC蛋白功能的过程仍然难以捉摸。Yoon说，通过这一过程，“植物可以选择性地吸收必要的叶绿体靶向蛋白。”Yoon的实验室专门研究乙烯的生物学，乙烯是一种气态植物激素，在应对环境胁迫和果实成熟方面起着关键作用。正如Yoon和Chien在他们的论文中指出的那样，“乙烯在叶绿体功能和光合作用中起着重要作用。”

一种众所周知的激酶——一种分子开关——叫做CTR1（组成型三重反应1），调节乙烯信号传导。当被激活时，它抑制乙烯信号传导；当停用时，它会促进信号传递。Yoon说，令人惊讶的是，CTR1在调节TOC功能方面的作用是一个与乙烯无关的过程

“CTR1激酶恰好位于叶绿体的外膜中，这是出乎意料的，”她说。这是另一个新发现，因为科学家之前只在称为内质网的细胞膜网络中发现了CTR1，在应激条件下会有一些易位到细胞核

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CTR1在叶绿体中的主要作用是在特定位置磷酸化TOC33，即丝氨酸氨基酸的蛋白质链中的260位。通过改变植物中的这个位点，Yoon和Chien证实了CTR1激酶磷酸化了TOC33。

丝氨酸260的这种化学修饰有助于稳定TOC33，从而增强叶绿体靶向蛋白的导入，从而控制叶绿体发育

稳定的TOC复合物使其更多的蛋白质在叶绿体发育的早期可用。减少这些蛋白质的流动会损害叶绿体的发育，导致植物生长不良或作物产量降低

Yoon说：“当TOC33蛋白不能在丝氨酸260处修饰时，它的稳定性会低于天然版本。这表明这个特定的位点就像一个开关，有助于保持蛋白质的稳定和正常功能。”

植物生物学家可以在实验室中设计这一过程。她说：“我们的研究表明，我们可以影响叶绿体的生物发生和发育，这为未来提高作物产量和粮食安全开辟了有前景的途径。” More information: Yuan-Chi Chien et al, Phosphorylation at serine-260 of Toc33 is essential for chloroplast biogenesis, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adu4054

Journal information: Science Advances