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模式植物拟南芥。课题组供图
本报讯(记者温才妃 通讯员刘逸飞)近日,西湖大学、西湖实验室特聘研究员闫浈团队在《细胞》上连续发表两篇论文,揭示了叶绿体蛋白转运的动力机制及其进化多样性。
研究团队揭示了一种被称为“马达”的蛋白复合体,该复合体能够驱动叶绿体蛋白穿过叶绿体的“大门”,即TOC-TIC复合物。这一发现解答了长期困扰科学界的难题。闫浈表示:“如果能够精细调控叶绿体门控,我们有望显著提高粮食作物的单位面积产量,并增强植物的固碳能力。这对于应对全球气候变化和粮食安全问题至关重要。”
叶绿体是植物细胞中进行光合作用的主要场所,每年通过光合作用合成的有机物量相当于人类年消耗量的10倍。为了完成这些复杂的化学反应,叶绿体需要从细胞质中吸收大量蛋白质。这些蛋白质在细胞质中合成后,需要借助特殊的转运机制才能进入叶绿体内部。
此前,虽然科学家已经知道叶绿体表面存在一个由TOC-TIC复合物组成的“大门”,但对于驱动蛋白质穿越这扇门的动力来源一直不清楚。2022年,该团队揭示了TOC-TIC复合物的精细结构,现在他们又成功确定了提供动力的“马达”身份。
为了确定“马达”的身份,研究团队首先在豌豆中构建了一个叶绿体蛋白转运实验系统,试图捕捉转运过程的中间状态。接着,他们利用冷冻电镜技术解析了这一超级复合物的结构,尽管分辨率有限,但初步推测“马达”的候选者是Ycf2-FtsHi复合体。
为了验证这一假设,研究团队通过基因编辑技术在Ycf2-FtsHi复合体的关键组分上添加标签,成功从拟南芥中纯化出这一复合体,并解析了其高分辨率结构。随后,他们将这一结构与之前获得的模糊图像进行比对,发现二者惊人吻合,从而证实了Ycf2-FtsHi复合体正是叶绿体蛋白转运的“马达”。
研究团队还进一步探索了“马达”在不同光合生物中的进化多样性。结果发现,Ycf2-FtsHi复合体在绿色植物谱系中高度保守,但在不同物种中存在一定差异性。
相关论文信息:
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.003
《中国科学报》 (2024-09-03 第1版 要闻)