核质双靶向转录因子 BAI1：调控陆生植物光合基因转录的关键 “开关”

在叶绿体生物发生过程中，质体和细胞核基因转录的协调对光合装置组装至关重要，但此前未发现调控质体基因转录的转录因子。研究人员开展了关于核 - 质体双靶向转录因子 BAI1 的研究，发现其可调控核与质体基因转录，该研究为植物光合作用机制提供了新见解。

　　

研究背景

在植物的微观世界里，叶绿体就像一个个小小的 “能量工厂”，对植物的生长和生存起着至关重要的作用。它不仅参与氧气光合作用，还在维生素、脂肪酸、氨基酸以及植物激素的生物合成中发挥着关键作用。而这个 “能量工厂” 的正常运转，依赖于细胞核和质体基因组之间的紧密协作。

在陆生植物中，细胞核基因组负责编码约 3000 种质体蛋白，质体基因组则编码约 120 种蛋白质，这些蛋白质对于光合装置的组建、质体转录、翻译以及 RNA 周转等过程不可或缺。大多数参与碳同化的多聚体机制和光合膜复合物都是 “混血儿”，其亚基分别由核基因组和质体基因组编码。例如，在拟南芥中，光系统 I（PSI）的核心亚基 PsaA - C、PsaI 和 PsaJ 由质体基因组编码，而其他亚基则由核基因组编码；光系统 II（PSII）的核心成分 PsbA、PsbB、PsbT 和 PsbH 由质体编码，而 LHCII 和 OEC 的亚基则由核基因组编码。绿色藻类和维管植物中的 I 型 RubisCO（核酮糖 - 1,5 - 二磷酸羧化酶 / 加氧酶）是由 8 个大亚基（RbcL，由质体基因组编码）和 8 个小亚基（RbcS，由核基因组编码）组成的十六聚体。

同样，质体基因转录机制也依赖于双基因组的协调。质体基因由两种不同的 RNA 聚合酶转录：PEP（细菌型质体编码的 RNA 聚合酶）和 NEP（噬菌体型核编码的 RNA 聚合酶）。在发育成熟的叶绿体中，PEP 是主要的转录机器，负责产生超过 80% 的质体转录本，而 NEP 主要转录一些 “管家” 基因。

然而，目前虽然已经发现了一些调控核编码光合基因转录的转录因子，但尚未找到调控质体基因转录的转录因子。在动物中，已经发现了一些双定位转录因子可以协调核基因组和线粒体基因组的转录，但在植物中，这种核 - 质体双靶向蛋白是否存在，以及它们如何协调核质之间的通讯，仍然是未解之谜。因此，探寻植物中是否存在这样的双靶向因子，并揭示其在光合装置组装中的作用机制，成为了植物生物学领域亟待解决的重要问题。西北大学等机构的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Molecular Plant》上，为我们揭开了这一神秘面纱。

研究方法

研究人员采用了多种关键技术方法来开展此项研究。在基因定位与验证方面，运用图位克隆和全基因组重测序技术，确定了 bai1 突变体的基因缺陷；通过构建质粒并转化植物，验证了相关基因的功能。在基因表达分析中，利用定量实时 PCR（qPCR）技术检测基因转录水平，借助 RNA 测序（RNA - seq）分析基因表达差异。此外，还运用了蛋白质免疫共沉淀（Co - IP）、酵母双杂交（Y2H）、双分子荧光互补（BiFC）等技术探究蛋白质之间的相互作用 。

研究结果

1. bai1 突变体及 BAI1 基因的鉴定：从拟南芥 GABI_418G11 系中筛选出 bai1 突变体，其表现出白化子叶、淡黄色真叶和致死等多效性发育缺陷。通过图位克隆和全基因组测序，确定 At5g52010 基因的 19 - bp 缺失是导致突变的原因，并将其命名为 BAI1 基因。BAI1 编码一个含有 C2H2 型锌指结构域和 PIN LabA - 样结构域的蛋白质，具有弱的自激活活性12。
2. BAI1 对叶绿体生物发生的影响：透射电镜（TEM）分析显示，bai1 突变体的叶绿体发育停滞在早期，缺乏淀粉粒，积累大量小球形质体小球，且类囊体膜发育异常。免疫印迹分析表明，突变体中光合复合物的质体和核编码亚基含量显著降低，说明 BAI1 缺陷导致了质体功能障碍34。
3. BAI1 的亚细胞定位及功能依赖：荧光观察发现 BAI1 定位于细胞核和叶绿体，主要在叶绿体中。通过构建不同的 BAI1 片段融合 eGFP 进行瞬时表达实验，证实了 BAI1 的功能依赖于其双靶向定位到细胞核和叶绿体。此外，RT - qPCR 和 GUS 染色结果显示，BAI1 在吸胀种子中表达量最高56。
4. BAI1 与 HMR 的相互作用及对 PEP 复合物组装的影响：通过 Co - IP 筛选出与 BAI1 相互作用的蛋白质 HMR，Y2H、BiFC 等实验进一步验证了二者的相互作用，且相互作用位点位于 BAI1 的 C 末端区域。研究发现，BAI1 是一种新的 pTAC 成分，与 HMR 紧密结合以组装 PEP 复合物，bai1 突变体中 1000 - kDa PEP 复合物显著减少，PEP 依赖的质体编码基因转录水平降低78。
5. BAI1 与 HMR 的协同作用及对 HMR 转录的调控：转录组分析表明，BAI1 和 HMR 功能相似，二者在调控基因表达上具有高度一致性，且 BAI1 能直接激活 HMR 的转录。遗传分析发现，BAI1 和 HMR 以协同方式发挥作用，同时缺失二者会加剧单基因功能缺失的缺陷910。
6. BAI1 对 RbcL 和 RbcSs 转录的激活作用：ChIP - qPCR、EMSA 和双荧光素酶报告基因实验表明，BAI1 是 RbcL 和 RbcSs 基因转录的激活剂，能直接结合到它们的启动子区域促进转录，且 HMR 作为共激活剂增强了这一作用1112。
7. BAI1 家族的起源及功能保守性：系统发育分析显示，BAI1 家族起源于晚分化的链形植物藻类 Klebsormidium nitens，且 BAI1 和 HMR 经历了相同的进化趋势，可能是共同进化的伙伴。跨物种互补实验表明，高等植物中的 BAI1 同源物能完全互补拟南芥 bai1 突变体的缺陷，而苔藓中的 PpBAI1 只能部分互补，说明 BAI1 转录因子家族在陆生植物中功能高度保守，但在不同植物类群中存在差异1314。

研究结论与讨论

本研究揭示了核 - 质体双靶向转录因子 BAI1 在调控核与质体基因转录中的重要作用。BAI1 直接结合到 RbcL 和 RbcSs 基因启动子的顺式调控区域，激活它们的表达，促进混合 RubisCO 的组装 。同时，BAI1 作为一种新的 pTAC 成分，与 HMR 相互作用，促进 PEP 复合物的组装，维持质体基因转录的平衡。这一发现揭示了一种新的转录调控机制，为理解植物光合作用中核质基因转录的协调提供了新的视角。

此外，BAI1 和 HMR 起源于晚分化的链形植物藻类，且在陆生植物中功能保守，这表明它们可能是陆地植物遗产基因，在植物适应陆地环境的过程中发挥了关键作用。对 BAI1 家族成员在作物中的进一步研究，有望为提高作物的光合效率、产量以及分子育种提供理论基础和技术支持，在农业生产领域具有潜在的应用价值。