全 文 ：植物生理学通讯 第 44卷 第 6期，2008年 12月1064
叶绿素生物合成的分子调控
吴自明 1, 张欣 2, 万建民 2,*
1江西农业大学, 作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室, 农业部双季稻生理生态与栽培重点实验室, 江西省作物生理
生态与遗传育种重点实验室, 南昌 330045; 2中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081
Molecular Regulation of Chlorophyll Biosynthesis
WU Zi-Ming1, ZHANG Xin2, WAN Jian-Min2,*
1Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding of Jiangxi Province, Key Laboratory of Physiology, Ecology
and Cultivation of Double Cropping Rice, Ministry of Agriculture, Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic
Breeding, Ministry of Education, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China; 2Institute of Crop Science, Chinese
Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
提要: 介绍了叶绿素生物合成的分子调控研究进展, 并对今后这一领域的研究作了展望。
关键词: 叶绿素; 生物合成; 分子调控
收稿 2008-09-19 修定 2008-10-13
资助 江西省教育厅项目(G JJ09 477 )、江西农业大学博士启
动基金和校自然科学基金。
* 通讯作者(E-mail: wanjm@caas.net.cn; Tel: 010-62186628)。
叶绿素是植物叶绿体内参与光合作用的色素
之一。全球每年有大约109吨的叶绿素季节性地合
成和降解, 但这些过程大部分是发生在海洋中
(Rüdiger 1997)。通过对衣藻、拟南芥和水稻等
模式生物的研究, 已经鉴定出参与叶绿素生物合成
的所有酶类(Beale等 2005)。然而因叶绿素的生物
合成分子调控的复杂性, 除了受外部环境条件和生
长发育影响外, 其内在相关基因调控也很重要。
1 叶绿素生物合成酶的区域化定位
高等植物中叶绿素的生物合成是以谷氨酸与
δ-酮戊二酸作为原料的, 然后合成 δ-氨基酮戊酸
(ALA) (图 1)。参与叶绿素的生物合成的酶在质体
内定位于 3 个部分 , 从 5 - 氨基乙酰丙酸( 5 -
aminolevulinate, ALA)到原卟啉IX的合成发生在叶
绿体基质中, 后续的合成步骤都是由膜结合或膜相
关的一些酶所催化。有人在菠菜叶绿体膜中检测
到原卟啉 IX氧化酶、原卟啉 IX、原叶绿素酸酯
氧化还原酶和原叶绿素酸酯等中间代谢产物的存在
(Joyard等 1990; Matringe等 1992)。Walker和
Weinstein (1991)证明镁螯合酶复合体对膜有很高的
亲合性。这些都充分说明从起始到中间步骤镁卟
啉的合成都在叶绿体膜上进行。与初始步骤相反,
叶绿素所有的后期步骤, 如叶绿素酸酯 a植醇化及
其还原, 以及叶绿素 a氧化生成叶绿素 b都发生在
类囊体膜上(Block等 1980)。叶绿素生物合成前期
和后期的催化步骤区域化定位, 意味着中间代谢产
物必须在质体膜到基质、类囊体膜之间运输, 三者
必然存在复杂的代谢调控网络。
2 叶绿素合成途径的分子调控
2.1 ALA的合成 ALA的合成是叶绿素生物合成途
径的限速步骤(图 1、表 1)。从谷氨酸到 ALA合
成需经三步独立的催化反应(谷氨酰 tRNA合成酶;
谷氨酰 tRNA还原酶; 谷氨酰 -1-半醛转氨酶), 但
有初步证据表明催化这三步反应的酶并不是独立起
作用。Krishnasamy和Wang (1990)发现莱茵衣藻
(Chlamydomonas reinhardtii)的谷氨酰tRNA还原酶
的活性受谷氨酸、ATP和谷氨酰 tRNA合成酶激
活, 在有谷氨酰tRNA出现时谷氨酰tRNA还原酶才
与谷氨酰 tRNA合成酶形成复合体(Chen等 1990;
Jahn 1992)。谷氨酰 tRNA合成酶和谷氨酰 tRNA
还原酶形成的复合体便于谷氨酰 tRNA更好地向
ALA合成的运输, 从而能限制蛋白合成机构对谷氨
酰 tRNA竞争。因此, 谷氨酰 tRNA还原酶是代谢
和环境条件调控的关键酶。拟南芥中有 3个基因
编码谷氨酰tRNA还原酶(HEMA1~3, McCormac等
2001), 2个基因编码谷氨酰 -1-半醛转氨酶(Ilag等
1994)。HEMA1基因受光诱导在所有组织中表达,
而 H E M A 2 基因不受光诱导 , 仅在根中表达
(McCormac等 2001)。
2.2 Mg2+螯合 叶绿素生物合成和血红素、光敏
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表 1 被子植物编码叶绿素合成的基因
步骤 酶 基因名称
1 谷氨酰 -tRNA还原酶(glutamyl tRNA reductase) H E MA 1、H EM A2、H E MA 3
2 谷氨酸 -1-半醛转氨酶(glutamate 1-semialdehyde aminotransferase) GSA (HEML1)、GSA2 (HEML2)
3 胆色素原合酶(porphobilinogen synthase) [5-氨基酮戊酸脱水酶(5-aminolevulinate HEMB1、HEMB2
dehydratase)]
4 羟甲基后胆色素原合酶(hydroxymethylbilane synthase) [胆色素原合酶脱氨酶 HEMB1、HEMB2
(porphobilinogen deaminase)]
5 尿卟啉原 III合酶(uroporphyrinogen III synthase) [尿卟啉原 III共合酶 HEMD
(uroporphyrinogen III co-synthase)]
6 尿卟啉原脱羧酶(uroporphyrinogen decarboxylase) H EME1、H EME2
7 粪卟啉原氧化脱羧酶(coproporphyrinogen oxidative decarboxylase) H EMF1、H EMF2
8 原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen oxidase) HEMG1、HEMG2
9 镁螯合酶 D亚基(Mg chelatase D subunit) CHLD
镁螯合酶H亚基(Mg chelatase H subunit) CHLH
镁螯合酶 I亚基(Mg chelatase I subunit) CHLI1、CHLI2
1 0 镁原卟啉 IX甲基转移酶(Mg-protoporphyrin IX methyltransferase) CHLM
1 1 镁原卟啉原 IX单甲酯环化酶(Mg-protoporphyrinogen IX monomethylester cyclase) CRD1 (ACSF)
1 2 二乙烯还原酶(divinyl reductase) DVR
1 3 NADPH原叶绿素酸酯氧化还原酶(NADPH:protochlorophyllide oxidoreductase) PO RA、P O R B、P O R C
1 4 叶绿素合酶(chlorophyll synthase) CHLG
1 5 叶绿素酸酯 a氧化酶(chlorophyllide a oxygenase) CAO
　　表中步骤数与图 1 中数字对应; 基因名称为该基因在拟南芥中的名称, 可变基因名和酶的名称用括号表示, 除 POR基因用字母后
缀表示, 编码同一基因的多个酶用数字后缀表示。
图 1 被子植物叶绿素合成途径(Beale 2005)
标有数字的箭头为表 1 中所列的酶; 根据有效底物发生反应 12 或 13; 反应 14 可利用 2 种底物。
色素生物合成是四吡咯生物合成途径的 2个分支,
原卟啉Ⅸ是形成叶绿素和血红素的分水岭。在质
体和核糖体缺乏的大麦突变体, 白叶部分的镁螯合
酶和镁卟啉转甲基酶活性丧失, 铁螯合酶活性增强,
其光合作用的丧失是由于四吡咯代谢偏向血红素的
合成, 而不是叶绿素的合成(Yaronskaya等 2003)。
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在豌豆和拟南芥黄化苗见光后, 光诱导ALA合成速
率的增加, 伴随着叶绿素合成途径代谢中间产物的
普遍增加, ALA脱水酶和铁螯合酶的mRNA的水平
各自升高大约 20倍和 5倍。Guo等(1998)研究表
明镁螯合酶对原卟啉IX的亲和性高于铁螯合酶, 这
就意味原卟啉IX偏向叶绿素的合成, 大部分原卟啉
IX是通向叶绿素合成的Mg2+螯合分支。但是在正
常光照条件下金鱼草(Antirrhinum majus)的镁螯合
酶突变体OLIVE (OLI)的mRNA水平下降, 黑暗条
件下其转录水平恢复正常(Hudson等1993)。Oli基
因的翻译产物类似细菌 bchH蛋白, 结合原卟啉 IX
(Hudson等 1993; Gibson等 1995), 而Mg2+螯合是
由镁螯合酶复合物催化。一种推测是光照条件下
限制OLI蛋白水平是为了减少黑暗条件下原卟啉
IX通向叶绿素合成途径中的Mg2+螯合。酶活性的
这些变化反映叶绿素和血红素需求的差异, 正常生
长或没有光合作用条件下, 原卟啉IX向叶绿素和血
红素合成分配的变化部分是由于各自的核基因表达
调控, 这些改变源于质体信号介导质体到细胞核生
理状态变化。
许多研究表明了镁卟啉(Mg-porphyrin)还参与
质体和核质信号转导, 镁卟啉和镁卟啉单甲基酯酶
能诱导HSP70表达, 且镁卟啉能替代光诱导HSP70
表达(Kropat等 1997, 2000; Strand等 2003)。Mg2+
螯合由镁螯合酶来完成, 该酶包含三亚基, CHLH亚
基、CHLI亚基和 CHLD亚基, 其中 CHLH亚基在
质核信号转导过程中起重要作用。采用除草剂(胡
萝卜素合成抑制剂)筛选到的拟南芥基因组解偶联
(genomes uncoupled)突变体 gun1-gun5。其中 gun1
参与了镁卟啉和质体基因表达的反馈信号(Nott等
2006; Susek等 1993)。Koussevitzky等(2007)研究
表明 G U N 1 是可结合 D N A 的质体定位 P P R
(pentatricopeptide-repeat)家族蛋白, 通过调控质体基
因表达, 同时作为反馈信号, 介导AP2型转录因子
ABI4 (abscisic acid-insensitive 4)抑制核编码质体基
因表达(Koussevitzky等 2007)。gun2和 gun3作为
编码澡胆色素(phytochromobiline)的合成过程中的
酶(gun2编码血红素氧化酶, 催化血红素转化成胆
绿素; gun3编码澡胆色素合酶, 催化胆绿素向澡胆
色素转变), 间接的影响镁螯合酶H亚基的信号活性
(Mochizuki等 2001)。GUN4作为叶绿素合成与细
胞内信号的调控子, 与镁螯合酶相互作用影响它的
活性(Susek等 1993)。有趣的是, 这个蛋白既结合
底物, 又结合镁螯合酶的产物, 如原卟啉 IX和镁卟
啉(Larkin等 2003)。这样既保护卟啉和镁卟啉免
于酶分解, 又便于代谢产物进入下游叶绿素合成。
同时, 也保护了植物免于光氧化损伤。此外, Wilde
等(2004)从篮细菌(Synechocystis sp. PCC 6803)中
发现一个类似于gun4的突变体, 这个蛋白不仅调控
镁螯合, 而且调控原卟啉 IX与铁螯合。gun5是被
证明编码镁螯合酶CHLH亚基, 除了组成镁螯合酶
充当催化作用外, 还通过结合过多的卟啉或镁卟啉,
监测卟啉水平, 经由下游调控因子, 如 gun1 等
(Koussevitzky等 2007), 向核发送负调控或抑制正
向的信号反馈调控核基因的表达(Mochizuki等
2001)。除草剂处理的 gun5突变体叶片中的镁卟
啉的含量大幅度降低, 与Lhcb的表达呈负相关关系
(Strand等 2003), 这些结果与镁卟啉超出域值导致
限制 Lhcb1转录是一致的(Strand等 2003)。近来,
Shen等(2006)发现一种参与叶绿素生物合成和质
体-核信号转导的蛋白质的脱落酸受体ABAR, 编码
一个已知蛋白质, 即定位于质体内的参与催化叶绿
素合成和质体-核信号转导的蛋白质镁螯合酶H亚
基(CHLH)。
2.3 原叶绿素酸酯(pchlide)到叶绿素酸酯(chlide) 原
叶绿素酸酯氧化还原酶(POR)在光照条件下催化原
叶绿素酸酯形成叶绿素酸酯, 其作用机理尚未弄清
楚。von Wettstein等(1974)已经鉴定出大量削弱这
种机制的大麦突变体, 至少有 4个基因阻止过多原
叶绿素酸酯的积累。从单子叶植物大麦和双子叶
植物拟南芥中克隆出了porA和porB, 这2个por基
因同源性较高(大麦 75%, 拟南芥 88%), 但它们具
有明显不同的表达模式(Armstrong等1995; Holtorf
等 1995)。大麦中, PORA (36 kDa)广泛存在于暗
光下生长的组织中, 见光后很快降解, 而小分子
PORB蛋白均匀分布在各组织中(Holtorf等 1995)。
拟南芥中 36 kDa形式的 PORB与 37 kDa形式的
PORA相比, 光照条件下更丰富、更稳定。porA
基因在黄化组织中特异性表达, 见光后转录水平下
降, 而porB组成型表达在两种类型植物中并不受光
照条件影响(Armstrong等 1995)。拟南芥在红光照
条件下发芽产生正常光照下的表型, PORA特异性
缺失, 而 PORB正常, 当转移到白光下, PORB光还
原原叶绿素酸酯前体。尽管形成光捕获复合体, 但
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反应中心复合体形成却受阻, 说明在拟南芥种子发
芽过程中PORA在反应中心形成过程中具有独特功
能(Runge等 1996)。
关于por表达的调控机制, 单子叶植物中光敏
色素介导光诱导负调控porA的表达(Batschschauer
和Apel 1984; Mösinger等 1985)。porA和 porB调
控模式的差异, 是否是由于启动子区域的差异有待
进一步研究。结构的差异说明 POR转运到细胞器
特性的差异。从黄化质体到叶绿体, PORA蛋白除
了底物原叶绿素酸酯, 还需要ATP结合到蛋白酶敏
感因子上 , 这两种物质都积累在细胞器表面
(Reinbothe等 1995a)。相反, 大麦 PORB蛋白无需
原叶绿素酸酯, 因而在整个变绿的过程中原叶绿素
酸酯没有在细胞器表面积累也能起作用。PORA
和PORB的水平受光激活蛋白酶的调控, 这种蛋白
酶由核基因编码, 在叶绿体中合成(Reinbothe等
1995b)。研究表明 PORA辅基蛋白、PORA结合
物(单结合或双结合NADPH和原叶绿素酸酯)能够
抵抗降解, 相反, POR非共价结合叶绿素酸酯易被
降解。有人研究提出 PORA蛋白的存在是为了建
立黄化质体前片层体类晶体结构( R y b e r g 和
Sundqvist 1991; von Wettstein等1995)。似乎PORA
并不仅仅作为普通的催化酶, 更是充当一种保护催
化产物叶绿素酸酯的自杀性酶, 见光植株降解
PORA蛋白是为了迅速形成类囊体膜(Reinbothe等
1995b, c, d)。
2.4 叶绿素(chlorophyll) 的形成 叶绿素合成酶作
为类囊体定位的酯化酶, 能够利用牻牛儿基牻牛儿
基焦磷酸(geranylgeranyl diphosphate, GGPP)或植
醇焦磷酸(phytol diphosphate, PhyPP)作为底物
(Rüdiger等 1980; Soll等 1983; Oster等 1997; Oster
和Rüdiger 1997), 因而叶绿体拥有一个非常灵活的
叶绿素 a形成系统。NADPH的含量水平对类囊体
膜上的 Chl aPh的增加与减少有显著影响(Soll等
1983)。Wu等(2007)研究发现, 叶绿素合成酶基因
单碱基突变体 ygl1的叶绿素合成速率随着叶绿体
的发育而增加, 表现为叶片缓慢变绿。S ol l 等
(1983)研究提出叶绿体中的叶绿素合成酶比黄化质
体中的叶绿素合成酶更加稳定, 且对底物的特异性
发生改变, 叶绿体对底物PhyPP和GGPP亲和性是
4:1, 而黄化质体是 2:1。中间复合物Chl a GG,DHGG,THGG
的增多也会影响类囊体膜的稳定, 因此, 当黄化质
体转变成叶绿体后, 叶绿素合成速率也会加快。
Klein等(1988a, b)认为质体核糖体反应中心新
生肽(RCs)对叶绿素a有更高的亲合性, 叶绿素b是
由叶绿素 a氧化而来, 所以当RCs不再整合叶绿素
a时, 富余的叶绿素 a才有部分氧化成叶绿素b。部
分叶绿素 a合成的减少, 将会扩大对叶绿素 b合成
的抑制(Falbel等1996), 导致叶绿素 a/b值升高。叶
绿素b减少也会导致光合单元减少和叶绿体类囊体
膜的发育不良。叶绿素酸酯a氧化酶(CAO)是催化
叶绿素酸酯b形成的酶, 不同的光照强度条件下, 拟
南芥中叶绿素a和叶绿素b的比值与CAO的mRNA
水平相关, 表明通过调控 CAO的mRNA水平至少
可以部分调控叶绿素 b的合成。然而, 在植物中过
多表达CAO, 叶绿素 a和叶绿素 b的比值仅有微小
变化(2.85到 2.65) (Tanaka等 2001); Wu等(2007)
研究发现黄绿叶突变体ygl1叶片CAO的mRNA水
平轻微下降, 而叶绿素 a和叶绿素 b的比值大大增
加(3.63到7.91), 说明CAO的活性受转录后水平调
控。
3 非叶绿素合成途径的分子调控
3.1 血红素(heme)的反馈调节 血红素反馈抑制已
经作为叶绿素合成的关键的调控步骤。减少血红
素降解和阻碍胆色素原形成的突变体都降低了原叶
绿素酸酯形成, 这个效应被认为是血红素限制ALA
合成所致(Terry和Kendrick 1999)。最直接的证据
是, 在番茄aurea突变体和yellow-green-2突变体中,
血红素氧化酶(heme oxygenase)和光敏色素生色团
合酶(PΦB synthase)突变, 造成血红素的过量积累,
血红素反馈抑制叶绿素前体ALA的合成, 突变体叶
色黄化(Terry和Kendrick 1999)。血红素在完整的
叶片组织和分离的叶绿体中可被降解(Castelfranco
和 Jones 1975; Thomas和Weinstein 1990)。当然,
血红蛋白的形成需要消耗血红素, 血红素的含量水
平可被血红素自身的生理浓度变构抑制。当血红
素消耗大于合成时, 游离的血红素减少就会促进
ALA合成, ALA合成速率增加将会促进血红素形成;
当血红素的合成大于消耗时, 其浓度会再次升高从
而又抑制ALA的形成。总的结果是原卟啉 IX形
成速率的自动调节确保满足血红素和镁卟啉 IX合
成需要, 过量产生将会导致光氧化损伤。之所以用
血红素而不用原卟啉 IX作为反馈调节效应子是因
为血红素比原卟啉IX更具有相对较强光化学惰性,
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可以避免原卟啉 IX瞬时增加带来的光氧化损伤。
这一结论最早是在具有不同的ALA形成过程的光
合细菌中提出来的(Lascelles和Hatch 1969), 显然
也可以应用于叶绿体血红素和叶绿素的合成过程。
血红素作为谷氨酰 tRNA还原酶的变构抑制
剂, 成熟蛋白的N端的31~34个氨基酸被认为是血
红素作用区域(Vothknecht等 1996)。从古细菌嗜
热菌(Archaebacterium methanopyrus kandleri)中分
离出的谷氨酰 tRNA还原酶的晶体结构分析表明,
谷氨酰 tRNA还原酶是V形二聚体酶, 具有保守氨
基酸和三体的结合域(NADPH结合、催化和二聚
化位点)(Moser等 2001)。然而细菌谷氨酰 tRNA
还原酶并没有类似植物谷氨酰tRNA还原酶那样的
氨基酸末端延伸(Vothknecht等 1996)。黑暗条件
下, 被子植物叶绿素合成在依赖光阶段还原原叶绿
素酸酯受阻, 同时ALA合成也受限制。在许多黄
化苗突变体中鉴定出的拟南芥 flu突变体, 黑暗条
件下不依赖血红素调控ALA合成, 荧光叶绿素前体
积累。研究表明 FLU编码一个负调控因子, 它的
一个四聚肽重复区域可与谷氨酰tRNA还原酶相互
作用(Meskauskiene等 2001), 但是FLU如何获取信
号, 参与谷氨酰 tRNA还原酶的翻译后调控还有待
进一步研究。
3.2 光敏色素(phytochrome)调控 叶绿素合成受许
多来自细胞核和细胞质间信号转导的调节。光敏
色素在光作用下进入细胞核与转录因子直接作用调
节基因表达, 在光敏色素信号转导中已有报道
(Davies等 1990; Ni等 1998)。Chory等(1989)利用
酵母双杂交技术, 以光敏色素B的C端区域为探针,
从拟南芥中分离了一类 helix-loop-helix转录因子,
光敏色素相互作用因子 3 (phytochrome-interacting
factor 3, PIF3)。当光敏色素暴露于红光时, 它便
结合pif3的蛋白, 该蛋白是调节包括光合作用和植
物生物钟有关的许多基因表达的一种转录因子。
因此, 抑制光敏色素B的活性就可减少植物对远红
外光的敏感性, 这将会降低植株的生长趋势。Huq
等(2004)在拟南芥中又发现了一种具有 helix-loop-
helix (bHLH)负调控因子(PIF1), 与光敏色素相互作
用负调控叶绿素的生物合成。López-Juez等(1998)
研究拟南芥 cue (chlorophyll a/b-binding protein un-
der expressed)突变体发现, cue突变体响应光敏色素
激活, 抑制 CAB基因的表达, 质体信号紧密参与光
敏色素调控编码质体蛋白的核基因表达。另外, 叶
绿素降解的中间产物荧光叶绿素代谢物(fluorescent
chlorophyll catabolite, FCC)、无荧光叶绿素代谢
物(nonfluorescent chlorophyll catabolite, NCCs)等与
光敏素有非常相似的结构, 这是否意味着叶绿素降
解产物或降解代谢可能也参与部分植物的信号传递
或代谢过程的调控, 这些问题都有待深入研究。
4 结束语
尽管叶绿素的合成及其调控研究取得很大的
进展, 但仍有许多问题没有解决。如叶绿素的合成
与降解的相互控制机制。根据 Hendry和 Stobart
(1986)的研究, 叶绿素的半衰期在 16~58 h之间, 意
味着叶绿素积累是个动态的过程, 但是在进行光合
作用的成熟叶片中没有发现有NCCs存在(Matile等
1999); 还有叶绿素代谢中间产物, 如卟啉和吡咯, 会
导致光氧化损伤, 所以推测叶绿素的合成和降解存
在复杂的保护机制。这些机制涉及到的基因功能
和作用机理都尚未弄清楚, 都值得我们进一步研
究。
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