2024-11-27
光呼吸是一個復雜的代謝過程,，其關鍵酶促步驟分布在五個亞細胞器，氨基酸代謝是各種細胞器之間的重要紐帶,。擬南芥和水稻ER-ANT1功能缺失突變體表現(xiàn)出典型的光呼吸表型,，在自然條件下生長遲緩甚至致死，但在高CO2條件下得以生存,。然而,，ER-ANT1在光呼吸和氨基酸代謝中的作用尚不清楚。
近日,，佛山大學聯(lián)合廣西壯族自治區(qū)農業(yè)科學院,、廣東省農業(yè)科學院和華南農業(yè)大學在The Crop Journal在線發(fā)表了題為“Endoplasmic reticulum adenylate transporter activity affects amino acid metabolism under photorespiratory conditions”的研究論文，本研究對水稻er-ant1突變體在自然條件（光呼吸條件）,、高CO2條件下（非光呼吸條件）以及從高CO2水平向自然條件過渡過程中的游離氨基酸進行了全面的代謝分析,。本研究闡明了ER-ANT1調節(jié)光呼吸氨基酸代謝的分子生理機制，為依賴于光呼吸的能量代謝途徑提供了新見解,。
水稻er-ant1突變體生長遲緩,，氨基酸代謝異常，但在高二氧化碳條件下（1.5% CO2）突變體大多數(shù)氨基酸含量與野生型并無顯著差異（圖1）,。為了更好地了解er-ant1突變體光呼吸表型相關的代謝變化,，作者檢測了在高二氧化碳條件下生長，然后轉移到自然條件下（~0.4% CO2）,，其葉片的游離氨基酸含量,。野生型和er-ant1在0 h時的游離氨基酸總含量相似。然而,，轉移到自然條件后,，野生型和er-ant1葉片的氨基酸含量發(fā)生了不同的變化。其中,，谷氨酸（Glu）,、谷氨酰胺（Gln）和丙氨酸（Ala）含量減少；絲氨酸水平初期降低,，而一周后絲氨酸積累（圖2）,。丙氨酸:乙醛酸氨基轉移酶AGAT是甘氨酸合成途徑的關鍵酶，可催化丙氨酸到甘氨酸的轉化,。AGAT1是一個內質網定位蛋白,，在er-ant1突變體中表現(xiàn)出更高的活性，這可能是丙氨酸水平降低,，甘氨酸（Gly）大量積累的原因（圖2）,。
圖1 野生型和突變體er-ant1植株表型及其葉片氨基酸含量
來自光呼吸的甘氨酸是葉片中NADH的主要來源。作者測定了野生型和er-ant1在CO2轉換過程中NAD+和NADH的豐度，結果表明在高CO2條件下,，野生型和er-ant1之間NADH無差異,，而er-ant1突變體的NAD+比野生型低。轉移到自然條件后,，野生型NADH升高,，而er-ant1突變體中更高；野生型中NAD+含量增加,，而er-ant1突變體中NAD+幾乎無變化（圖3）,，這說明在er-ant1突變體中NAD+代謝模式發(fā)生改變。上述結果表明,，ER-ANT1缺乏影響NAD+代謝,，導致NADH/NAD+比值升高。
圖2 不同光呼吸條件下野生型與er-ant1突變體游離氨基酸含量的比較
圖3 野生型和er-ant1型植物在CO2轉化過程中NAD+和NADH含量的變化
作者提出了一個ER-ANT1影響光呼吸過程中氨基酸代謝的模型（圖4）,。光呼吸代謝涉及各種氨基酸在不同細胞器中的產生和運輸。甘氨酸在過氧化物酶體中由丙氨酸/谷氨酸：乙醛酸氨基轉移酶合成,，隨后轉移到線粒體,。在線粒體中，甘氨酸被氧化為絲氨酸,、NADH和其它化合物,；其中NADH參與線粒體氧化磷酸化，產生ATP,。這些來自線粒體的ATP經ER-ANT1轉運到內質網,。ER-ANT1功能喪失引起氧化磷酸化解偶聯(lián)，導致NAD+降低,，NADH/NAD+比值升高,，從而抑制甘氨酸脫羧酶復合物（GDC）活性。ER-ANT1缺失阻礙了植物的光呼吸代謝,，限制了ATP轉運及利用,，暗示植物中可能存在依賴于光呼吸的能量代謝途徑；ER-ANT1缺失引起NADH/NAD+比值增加,，導致GDC活性降低,，甘氨酸分解受阻，從而減少了絲氨酸等下游代謝產物,。上游底物丙氨酸和谷氨酸沒有增加,，表明ER-ANT1缺乏不影響過氧化物酶體中甘氨酸的合成。
圖4 光呼吸過程中能量代謝,、NADH/NAD+比值,、PLP合成和氨基酸代謝之間的相互作用
農業(yè)與生物工程學院的李潔鈮和宋雨昕為該文共同第一作者，張向前教授為通信作者，廣東省農業(yè)科學院欒鑫副研究員和華南農業(yè)大學已畢業(yè)博士研究生茍亞軍,、廣西農業(yè)科學院張月雄和秦鋼研究員參與了相關研究,。該研究得到國家自然科學基金項目(31671594)和廣東省基礎與應用基礎研究基金(2024A1515011098, 2021A1515012482)的資助。
The Crop Journal 是中國科協(xié)主管,，中國作物學會,、中國農業(yè)科學院作物科學研究所和中國科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰竟餐鬓k的學術期刊，2023年的SCI影響因子為6.0,，在JCR農學和植物學兩個學科位于Q1區(qū),，并位列中科院分區(qū)農林類期刊一區(qū)。
