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Plant Cell | 香港中文大学姜秉昊课题组揭示拟南芥子叶中类囊体生物合成程序

2022-04-08 08:36:04

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质体家族的细胞器主要从分生组织细胞中的前体发育而来。质体可以分为三个亚类:叶绿体、白色体和有色体;其中叶绿体由于独特的捕获光能的作用,其结构和功能属性最为突出。叶绿体由两个基质包膜、基质和类囊体膜的复杂三维网络围绕着。类囊体会形成一个连续的腔室—类囊体腔,以及两个结构域:盘状堆积的基粒类囊体和相互连接非堆积的基质类囊体。类囊体的结构分化是由于这些复合体在基粒和基质类囊体之间的不均匀分布造成的。近些年通过冷冻固定细胞技术,人们对类囊体结构和动力学结构基础认识有了一定进展,例如,通过对低温聚焦离子束研磨的玻璃体衣藻细胞进行低温电子断层扫描,可以观察到叶绿体包膜和类囊体膜;也有研究证明了类囊体边缘和内部叶绿体包膜的接触位点不同;当然也不乏对类囊体结构模型的研究等。上述研究对类囊体结构的理解和认识做出了很大贡献,然而前体转化为叶绿体的过程中类囊体结构的产生和变化过程却依然未知。

近日,香港中文大学生命科学学院姜秉昊(Byung-Ho Kang)副教授在The Plant Cell发表了一篇题为Thylakoid-Bound Polysomes and a Dynamin-Related Protein, FZL, Mediate Critical Stages of the Linear Chloroplast Biogenesis Program in Greening Arabidopsis Cotyledons的研究论文,阐述了拟南芥子叶中叶绿体形成和类囊体发育的连续变化过程。


该研究使用冷冻固定细胞的电子断层摄影术、免疫标记、相关免疫印迹和转录组分析研究了这一发育过程,明确了五个组装阶段的线性发育序列:1,管状囊泡状类囊体(吸涨后24小时(hours after imbibition,HAI));2,从前囊体(36 HAI)发展而成的片状前期类囊体;3,具有与原始前基粒类囊体(60 HAI)的宽管状连接的序列堆栈增殖;4,基粒叠加和基质类囊体结构分化(84 HAI);5,基粒堆栈的成熟(120 HAI)

拟南芥幼苗发育过程

该研究发现前基粒类囊体和基粒膜的发育与36HAI时类囊体结合多核糖体和光系统II复合亚基的出现相吻合;同时在在60 HAI检测到ATP合酶,细胞色素b6 f复合体和捕光复合体II蛋白,而PSI蛋白和曲率诱导CURT1A蛋白在84 HAI出现。该研究指出,如果基质核糖体的生物合成被延迟,类囊体会积累直至产生基质核糖体,并且在多核糖体结合到类囊体膜后基粒发育为类囊体。该类囊体组织受到干扰的fzo-likefzl突变体中,基粒堆叠出现离散而且螺旋膜隔室代替细胞器范围内的膜网络,这表明FZL参与将膜隔室融合在一起。该项研究表明了类囊体蛋白复合体,CURT1蛋白和FZL蛋白在类囊体生物合成过程介导组装的关键作用。

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