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佛山大學(xué)聯(lián)合多家單位揭示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腺苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白調(diào)節(jié)光呼吸氨基酸代謝的分子生理機(jī)制 2024-12-09 光呼吸是一個(gè)復(fù)雜的代謝過(guò)程,，其關(guān)鍵酶促步驟分布在五個(gè)亞細(xì)胞器,，氨基酸代謝是各個(gè)細(xì)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(zhǎng)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(xué)聯(lián)合廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,、廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)在The Crop Journal在線(xiàn)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(duì)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(guò)渡過(guò)程中的游離氨基酸進(jìn)行了全面的代謝分析。本研究闡明了ER-ANT1調(diào)節(jié)光呼吸氨基酸代謝的分子生理機(jī)制,，為依賴(lài)于光呼吸的能量代謝途徑提供了新見(jiàn)解,。
水稻er-ant1突變體生長(zhǎng)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(wú)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(guān)的代謝變化，作者檢測(cè)了在高二氧化碳條件下生長(zhǎng),，然后轉(zhuǎn)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(shí)的游離氨基酸總含量相似,。然而,，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶AGAT是甘氨酸合成途徑的關(guān)鍵酶,，可催化丙氨酸到甘氨酸的轉(zhuǎn)化,。AGAT1是一個(gè)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)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(lái)自光呼吸的甘氨酸是葉片中NADH的主要來(lái)源,。作者測(cè)定了野生型和er-ant1在CO2轉(zhuǎn)換過(guò)程中NAD+和NADH的豐度,，結(jié)果表明在高CO2條件下，野生型和er-ant1之間NADH無(wú)差異,，而er-ant1突變體的NAD+比野生型低。轉(zhuǎn)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(wú)變化（圖3）,，這說(shuō)明在er-ant1突變體中NAD+代謝模式發(fā)生改變。上述結(jié)果表明,，ER-ANT1缺乏影響NAD+代謝,，導(dǎo)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(zhuǎn)化過(guò)程中NAD+和NADH含量的變化 作者提出了一個(gè)ER-ANT1影響光呼吸過(guò)程中氨基酸代謝的模型（圖4）。光呼吸代謝涉及各個(gè)氨基酸在不同細(xì)胞器中的產(chǎn)生和運(yùn)輸,。甘氨酸在過(guò)氧化物酶體中由丙氨酸/谷氨酸：乙醛酸氨基轉(zhuǎn)移酶合成,，隨后轉(zhuǎn)移到線(xiàn)粒體。在線(xiàn)粒體中,，甘氨酸被氧化為絲氨酸,、NADH和其他化合物；其中NADH參與線(xiàn)粒體氧化磷酸化,，產(chǎn)生ATP,。這些來(lái)自線(xiàn)粒體的ATP經(jīng)ER-ANT1轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。ER-ANT1功能喪失引起氧化磷酸化解偶聯(lián),，導(dǎo)致NAD+降低,，NADH/NAD+比值升高，從而抑制甘氨酸脫羧酶復(fù)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(zhuǎn)運(yùn)及利用，暗示植物中可能存在依賴(lài)于光呼吸的能量代謝途徑,；ER-ANT1缺失引起NADH/NAD+比值增加,，導(dǎo)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(chǎn)物,。上游底物丙氨酸和谷氨酸沒(méi)有增加，表明ER-ANT1缺乏不影響過(guò)氧化物酶體中甘氨酸的合成,。
圖4 光呼吸過(guò)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(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院的李潔鈮和宋雨昕為該文共同第一作者,，張向前教授為通訊作者,，廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院欒鑫副研究員和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)已畢業(yè)博士研究生茍亞軍、廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院張?jiān)滦?/span>和秦鋼研究員參與了相關(guān)研究,。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31671594)和廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2024A1515011098, 2021A1515012482)的資助,。 The Crop Journal 是中國(guó)科協(xié)主管，中國(guó)作物學(xué)會(huì),、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所和中國(guó)科技出版?zhèn)髅焦煞萦邢薰竟餐鬓k的學(xué)術(shù)期刊,，2023年的SCI影響因子為6.0，在JCR農(nóng)學(xué)和植物學(xué)兩個(gè)學(xué)科位于Q1區(qū),，并位列中科院分區(qū)農(nóng)林類(lèi)期刊一區(qū),。
稿件來(lái)源：農(nóng)業(yè)與生物工程學(xué)院 通訊員：張向前
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