近日，生命科学学院彭新湘/朱国辉/张智胜课题组在国际知名植物学期刊New Phytologist和Plant Physiology上发表研究论文，揭示了光合作用和光呼吸代谢调控的新机制，为作物高光效和抗性育种提供了新思路。
光合作用是作物产量形成的物质基础，植物90%以上的干物质直接来源于此，提升光合效率是作物增产的关键途径。光呼吸是伴随光合作用发生的一个物质与能量消耗性过程，但在漫长的演化历程中，它已成为植物维持基础代谢和氧化还原平衡所必需的代谢途径。因此，阐明光合与光呼吸的精细调控机制，对提高作物光合效率、抗逆性和最终产量至关重要。
在New Phytologist发表题为“ABA insensitive 5 mediates abscisic acid regulation of plant photosynthesis by coordinating carbon and nitrogen assimilation”的论文中，团队为发掘高光效基因，利用拟南芥Fd-GOGAT突变体glu1构建了突变体库，并筛选到表型恢复突变体rog1（repressor of glu1 1）。基因克隆证实ROG1编码ABA合成关键酶ABA2，揭示了ABA在调节氮素利用和光合作用中的关键功能。研究发现，ABA对光合作用的抑制作用依赖于ABA信号通路上转录因子ABI5。机制研究表明，ABI5作为转录抑制因子，能够直接结合关键碳同化基因（RCA、RBCS2B、RBCS3B）和氮同化基因（GLU1）的启动子，抑制其转录活性。
研究进一步评估了靶向ABI5的应用潜力：在拟南芥中，abi5-8突变体在正常条件下Rubisco最大羧化速率提升32%，单株生物量和种子产量分别增加16%和37%。在水稻田间实验中，osabi5突变体光合速率提高7-16%，光合氮利用效率（PNUE）提高13-19%，单株生物量和产量分别增加13-14%和10-18%。后续可利用基因编辑技术微调ABI5基因的表达，进一步评估其在作物高光效育种中的应用价值。
该研究首次揭示了ABA通过ABI5协同负调控碳氮同化、抑制光合作用的新机制，而降低ABI5表达可显著提升拟南芥和水稻光合效率、生物量和产量，为农作物增产提供了新的思路。
在Plant Physiology发表题为“Glycolate oxidase persulfidation mediates the salicylic acid-modulated GC switch to regulate photorespiratory H2O2 levels”的论文。团队前期发现乙醇酸氧化酶（GLO）与过氧化氢酶（CAT）的互作/解离（简称GC开关）调控光呼吸H2O2水平，此过程受到水杨酸（SA）调节，但内在分子机制并不清楚。
该研究发现，在水稻过氧化物酶体中可检测到硫化氢（H2S）的存在，且定位于过氧化物体的GLO与CAT均存在过硫化修饰，而SA能促进这种修饰。利用可视化工具材料等体内实验表明，H2S可在植株与细胞水平快速（<10 min）降低GLO-CAT相互作用；表面等离子共振（SPR）等实验证实H2S在体外同样可诱导GLO-CAT发生解离，表明H2S可作为GC开关的直接调控因子。蛋白关键位点研究发现：GLO蛋白Cys344位点的过硫化修饰调控GC开关，且不影响其酶活性；而CAT蛋白Cys230位点的过硫化修饰会抑制其自身活性，但不影响GC开关状态。此外，外源H2S能诱导过氧化物体的氧化态，且与乙醇酸（GLO底物）同时处理具有协同效应，表明H2S与SA类似，可在短时间内快速诱导光呼吸H2O2信号。研究还揭示了一个重要的反馈调节机制：GLO与CAT的过硫化促进光呼吸H2O2产生，而高水平H2O2又会反馈降低二者的过硫化水平，从而恢复GC开关状态和CAT活性，避免H2O2的持续积累。
该研究完善了“SA—GC开关—H2O2”的调控网络，为深入理解SA、H2S与H2O2的交叉对话及其氧化还原调控机制提供了新的认知，也为未来利用该通路调节植物抗逆性奠定了理论基础。
生命科学学院博士生龙俏颖和硕士生黄宇轩为New Phytologist论文的共同第一作者，朱国辉教授为该论文通讯作者。博士生黄嘉宇和硕士生吴凯欣为Plant Physiology论文的共同第一作者，彭新湘研究员和张智胜副研究员为该论文的共同通讯作者。上述研究得到国家重点研发计划、农业生物育种国家科技重大专项、国家自然科学基金的资助。
相关论文链接：
http://doi.org/10.1111/nph.70409
https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf369
文图/生命科学学院 朱国辉
