PNAS | 拟南芥叶绿体中SAGA1和SAGA2促进原始淀粉核淀粉形成的分子机制

淀粉核是一种叶绿体微室，大多数藻类和一些陆生植物在其中凝聚初级羧化酶Rubisco（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶），作为提高CO2捕获效率的CO2凝聚机制的一部分。在C3作物中引入基于淀粉核的CO2凝聚机制(pCCM)是提高产量和适应气候变化能力的一种有前景的策略。许多淀粉核的特点是淀粉板的鞘，被认为是限制CO2扩散的屏障。

最近，来自英国的研究人员在C3模式植物拟南芥中重建了一个相分离的“原始淀粉核”Rubisco基质，使用的淀粉核被研究最充分的藻类莱茵衣藻。在这里，作者描述了引入衣藻蛋白淀粉颗粒异常1 (SAGA1)和SAGA2的影响，这两个原始淀粉核淀粉的生物发生和形态调节有关。作者发现，在工程拟南芥植物中，SAGA1定位于原始淀粉核，这导致在原始淀粉核凝聚物内形成非典型球形淀粉颗粒，并形成邻近的片状颗粒，部分覆盖凝聚物，但不改变累积的叶绿体淀粉总量。SAGA2的额外表达进一步增加了淀粉合成的比例，淀粉作为相邻的板状颗粒完全包围原始淀粉核。该发现为在维管植物中组装扩散屏障作为功能性pCCM的一部分铺平了道路，同时也促进了对SAGA1和SAGA2在淀粉鞘形成中的作用的理解，拓宽了工程淀粉形态的途径。

地球上几乎所有的生命都是由核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶加氧酶(Rubisco)的羧化酶活性供能的，Rubisco是用于捕获CO2以促进生长和代谢的主要酶。然而，Rubisco具有相对较慢的周转率和竞争性的加氧酶反应，这可能导致能量和CO2的损失。大多数植物(即C3植物)依赖于环境CO2在叶绿体中的被动扩散，Rubisco在叶绿体中催化CO2吸收。然而，在C3植物的叶绿体中，在CO2浓度下，Rubisco通常只有半饱和，这导致Rubisco池中大量的蛋白质投入，但仍然允许起反作用的氧化反应占据Rubisco活性的三分之一。在C3主要作物中，如小麦和水稻，光呼吸会造成显著的产量损失。最近几项基于实验室和实地的研究表明，提高Rubisco捕获CO2的效率是提高作物产量的一种有希望的策略。这类研究对于改善全球粮食不安全问题非常重要，特别是由于气候变化导致的气温上升将加剧光呼吸的影响，尽管CO2在上升。

为了克服 Rubisco 的局限性，许多重要的藻类谱系和一些非维管陆生植物（金鱼藻）已经进化出一种基于淀粉核的 CO2 凝聚机制 (pCCM)，以提高 Rubisco 周围的 CO2水平 。淀粉核是一种无膜凝聚物，通过将 Rubisco 液-液相分离成基质而形成，基质中加入高于环境浓度的CO2，优先驱动 Rubisco 羧化反应并提高其周转率 。淀粉核的典型特征是穿过单个或多个类囊体膜，这些膜可能向 Rubisco 基质和围绕基质的弯曲淀粉板鞘提供CO2 。据预测，淀粉鞘可作为扩散屏障来限制 CO2扩散，并且还可以限制O2 向内扩散以防止光呼吸 。模型预测，将功能性 pCCM 重新构建到 C3 作物中可能会显着提高作物产量潜力 。

绿藻莱因衣藻(Chlamydomonas reinhardtii，以下简称衣藻)具有最具特征的pCCM。在衣藻中，Rubisco的小亚基(RbcS)与无序连接蛋白EPYC1通过5个Rubisco结合基序(RBMs)之间的弱多价相互作用促进了Rubisco在淀粉核中的凝聚。RBMs被认为在淀粉核组装中起关键作用，因为它们存在于许多淀粉核定位的蛋白质中，包括淀粉鞘相关蛋白SAGA1和SAGA2。SAGA1是一个约180 kda的蛋白，有两个RBMs和一个预测的位于C端附近的淀粉结合结构域(碳水化合物结合模块20 - CBM20)。SAGA1定位于Rubisco基质外围的点上，位于基质和淀粉鞘之间的界面，是正常淀粉鞘形成和淀粉核形态所必需的，尽管其潜在的分子机制尚不清楚。缺乏SAGA1的细胞具有薄而细长的淀粉核淀粉颗粒，其特征是缺乏穿越类囊体膜的多个淀粉核。SAGA2是一个约190 kda的蛋白，与SAGA1相同30%，具有4个RMBs和一个CBM20结构域。与SAGA1一样，SAGA2也有一个预测的c端淀粉结合域，定位于基质-淀粉鞘界面，尽管SAGA2似乎比SAGA1更均匀地覆盖在基质表面。这些观察结果与先前的工作一起支持SAGA1和SAGA2介导淀粉鞘对基质的粘附的模型。

衣藻中包裹淀粉核的淀粉鞘位置和形状与用于储存碳水化合物的瞬时淀粉颗粒不同。在绿藻和植物叶片叶肉细胞中，瞬时淀粉颗粒是离散的，占据类囊体膜之间的“基质口袋”。最近对拟南芥的研究表明，新形成的淀粉颗粒最初可以聚结，然后进行各向异性生长，形成典型的透镜状颗粒。一些参与颗粒起始的蛋白质与类囊体相关，表明类囊体膜在短暂淀粉生物合成中起重要作用。考虑到它们独特的形状和位置，淀粉鞘形成的成分和机制可能与淀粉基质中淀粉形成的成分和机制不同。例如，SAGA1和SAGA2可以通过从基质和/或与类囊体膜相关的酶中募集淀粉形成酶来调节淀粉核周围淀粉鞘形成的位点。

在C3陆地植物中构建功能性pCCM已经取得了重大进展，包括在C3模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)中重建相分离Rubisco基质。Atkinson等人最近在原生Rubisco小亚基(AtRbcS)水平降低的拟南芥中证明，EPYC1和衣藻RbcS(CrRbcS)的表达足以在每个叶绿体中将Rubisco凝聚成单个“原始淀粉核”。衣藻pCCM的建模预测，在凝聚物周围产生淀粉鞘对于提高淀粉核的能量效率非常重要:1)减少浪费的CO2泄漏;2)通过将Rubisco基质中的CO2浓度提高10倍来提高Rubisco活性。在这里，作者研究了SAGA1和SAGA2是否可以将淀粉招募到原始淀粉核中。值得注意的是，作者观察到在冷凝物内形成非典型球形淀粉颗粒，并在凝聚物内部和周围招募了高达71%的总叶绿体淀粉。随后的连续块面扫描电镜成像显示，在表达SAGA1和SAGA2的植物中，凝聚物周围形成了板状淀粉颗粒，表明SAGA1和SAGA2可以调节植物原类淀粉核周围淀粉的募集和成型。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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