叶绿体是植物细胞的能量工厂，当一株植物从种子发芽并开始长出第一片叶子时，就开启了一场为生存而制造叶绿体的竞赛。如果没有叶绿体将阳光转化为能量，赋予生命的阳光反而会产生一种叫做活性氧的有害化学物质，从内到外燃烧植物。近日，日本和英国的研究人员发现了嫩叶形成第一个叶绿体的新细节，相关论文发表在《美国国家科学院院刊》上。
植物在制造叶绿体时，发育中的叶绿体和细胞核会相互传递信号。一种25年前发现的蛋白质——GUN1，在叶绿体和细胞核之间的通讯中起着重要作用，但此前科学家们并不清楚其作用的细节。
这项研究的通讯作者、东京大学的Tatsuru Masuda教授说：“长久以来，GUN1一直是个谜，研究它并不简单，因为尽管植物细胞在一生中会产生很多这种蛋白质，但它们在阳光下很快就会降解。”
在这项研究中，科学家们发现，GUN1会影响另一种信号分子的产生和释放。在叶子发育的最初几天和没有阳光的时候，GUN1会与一种含铁分子——植物血红素结合。植物血红素是一种四吡咯类化合物，四吡咯类化合物是由四个五边形环组成的大分子，会将金属原子——如铁（血红素）或镁（叶绿素）——拴在中心，这是一种古老的分子，在大多数生物体中都至关重要。尽管研究人员知道四吡咯是如何形成的，但对于它们如何在细胞中移动以及它们在移动过程中做了什么却知之甚少。
在使用从植物幼叶中分离出的GUN1的一系列实验中，研究人员观察到GUN1会直接与植物血红素和其他四吡咯类化合物结合，从而控制细胞产生植物血红素。Masuda说：“我们认为，GUN1会与植物血红素结合，阻止它从叶绿体转移到细胞核，这可能有助于确保叶绿体的有效发育。”
由于GUN1会在阳光下降解，所以当有光能让叶绿体进行光合作用转化能量时，GUN1才会释放植物血红素，向细胞核发送信号。Masuda说：“了解叶绿体是如何自然形成的，也许会帮助我们将来在不利条件下操纵植物进行光合作用的方式，比如在非常强或非常弱的光下。”
GUN1是影响叶绿体和细胞核基因组通信的六种突变基因之一。其他的GUN蛋白也会与其他的四吡咯类化合物相互作用。研究人员认为，现在已经确定了所有GUN蛋白的特征，这将有助于更详细地了解四吡咯如何促进叶绿体与细胞核之间的通讯。Masuda说：“下一步我们将精确定位GUN1蛋白与植物血红素或其他四吡咯类化合物结合的位置，并继续追踪植物血红素在细胞内的运输。”
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编译：花花 审稿：alone 责编：张梦
期刊来源： 《美国国家科学院院刊》 期刊编号： 0027-8424
原文链接：https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00080.html
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