MHOrT | 河北农业大学曹洪波团队揭示类胡萝卜素聚集体对质体分化的影响及其分子机制

https://doi.org/10.1186/s43897-025-00213-8

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质体（叶绿体、有色体、白色体、淀粉体等）是植物细胞中具有多种功能的重要细胞器。其类型的转化受发育阶段和环境因素的共同调控，对植物的适应性和细胞分化至关重要。在果实发育过程中，随着果实成熟和类胡萝卜素的积累，叶绿体逐渐分化为有色体，以储存高浓度的类胡萝卜素。这一转化过程反映了果实成熟期间细胞器结构与功能的显著动态变化。

类胡萝卜素和叶绿素是自然界中广泛存在的重要植物色素，在植物生长发育中发挥着多种生理功能。类胡萝卜素与果实的色泽形成及营养价值密切相关，因此在桃果实研究中备受关注。高含量的类胡萝卜素通常是果实的理想性状，其通常与质体内类胡萝卜素的聚集密切相关。然而，类胡萝卜素聚集体在细胞内的具体作用，尤其是它们如何影响质体的分化过程，目前尚未完全阐明。

本研究中，首先利用类胡萝卜素抑制剂CPTA处理‘冬雪蜜桃’成熟果实，明确了番茄红素聚集体对于叶绿素降解的影响（Fig.1）。进一步结合透射电镜和转录组分析，证实番茄红素聚集体能够诱导桃果实中有色体的形成，并显著抑制光合作用相关基因的表达（Fig.2）。

Fig.1 CPTA 诱导的番茄红素积累促进叶绿素降解。

Fig.2番茄红素聚集体微观结构观察和转录组分析。

为进一步明确类胡萝卜素聚集体在叶绿素降解和质体分化中的作用，本研究在桃愈伤组织中过表达类胡萝卜素合成关键酶PSY，特异性诱导β-胡萝卜素聚集。色素分析和透射电镜观察结果显示，β-胡萝卜素聚集体可诱导桃愈伤组织中叶绿素降解，并伴随有色体分化（Fig.3）。

Fig.3 β-胡萝卜素促进桃愈伤组织中质体的分化。

在CPTA处理组及PSY过表达的愈伤组织中，除番茄红素和β-胡萝卜素显著积累外，八氢番茄红素含量也发生明显变化。为探究八氢番茄红素聚集体是否同样参与调控叶绿素降解与质体分化，使用NFZ（PDS酶抑制剂）处理‘冬雪蜜桃’，发现八氢番茄红素的积累并未引发类囊体膜结构解体和有色体分化。以上结果证实，不同类胡萝卜素聚集体对质体分化的调控作用存在明显差异（Fig.4）。

Fig.4NFZ 诱导的八氢番茄红素积累不会导致叶绿素降解、类囊体膜结构解体或色素体分化。

在CPTA处理的果实和PSY过表达的桃愈伤组织中，叶绿素降解基因SGRL的表达均显著上调。为深入探究SGRL的功能，本研究利用CRISPR基因编辑技术，在过表达PSY1的桃愈伤组织中对SGRL基因进行敲除，并获得两个存在核苷酸缺失（导致蛋白质翻译提前终止）的株系（#5和#8）。色素分析显示，与仅过表达PSY1的转基因材料相比，sgrl-ko株系中叶绿素含量显著上升（尤其叶绿素a），同时类胡萝卜素含量也显著增加（Fig.5）。基于此，推测SGRL的C端结构域可能对PSY的功能至关重要。进一步通过类胡萝卜素工程菌系统验证表明，SGRL的C端编码的75bp核苷酸序列是调控类胡萝卜素合成能力的关键区域，该发现为桃果实类胡萝卜素生物强化育种提供了潜在的分子靶点（Fig.5）。

Fig.5 SGRL调节叶绿素和类胡萝卜素代谢。

叶绿体分化为有色体的过程涉及大量蛋白质构成的调整。基于4D无标记定量蛋白质组学技术，鉴定了CPTA处理11 d时的果皮和PSY1过表达愈伤组织的全蛋白质组。蛋白组和蛋白质免疫印迹结果显示，番茄红素和β-胡萝卜素的聚集体导致光合系统和类囊体膜结构相关蛋白含量显著下降（Fig.6）。

Fig.6番茄红素和β-胡萝卜素聚集体引起质体蛋白的变化。

类胡萝卜素倾向于嵌入类囊体磷脂双层膜中，并在积累到较高浓度时形成聚集体。因此，影响膜结构的类胡萝卜素聚集体可能是诱导质体膜系统重塑的关键驱动因素。为阐明不同类胡萝卜素聚集体产生差异生物学效应的机制，本研究引入分子动力学模拟进行分析。结果发现，相较于八氢番茄红素，番茄红素和β-胡萝卜素对生物膜厚度和刚性具有更显著的影响，更易改变膜结构的稳定性。该结果从物理层面解释了特定类胡萝卜素为何能够更有效地触发类囊体解体及有色体分化（Fig.7）。

Fig.7脂质双层中不同类胡萝卜素聚集体的分子动力学模拟。

综上所述，番茄红素和β-胡萝卜素的聚集会导致类囊体膜结构重塑，过量的结晶番茄红素和β-胡萝卜素会激活由SGRL介导的叶绿素降解过程，进而引发光合系统的逐步降解（Fig.8）。

Fig.8类胡萝卜素聚集体诱导的色素体分化和叶绿素降解模型。

河北农业大学园艺学院青年教师王朋飞副教授为该论文的第一作者，曹洪波教授为通讯作者。已毕业研究生赵徐磊、刘利鹏，在读研究生高彩桢，团队成员陈海江教授、王佳慧副教授、韩艳博士、张学英教授以及华中农业大学朱凯杰副教授、康奈尔大学李莉教授参与了本项工作。该工作获得了国家自然科学基金面上项目（32572945，32072549），河北省自然科学基金面上项目（C2024204096），河北省青年拔尖人才计划，河北省农业农村厅（HBCT2024160204），河北省高等教育科研项目（QN2025112）等项目的资助。我们感谢东田纳西州立大学孙天虎博士和康奈尔大学Brennan Hyden博士审阅稿件，感谢华南农业大学祝钦泷教授提供的基因编辑载体，以及河北农业大学张帅华教授提供的分子动力学模拟建议。