左：健康的植物。右图：由于MORF2过表达导致叶绿体RNA编辑异常，叶绿体和叶片发育缺陷的植株。
气温升高3℃的世界会是什么样子？植物在更极端的天气条件下会如何生长？科学家们已经知道，当受到各种压力或损害时，植物会利用叶绿体和细胞核的通讯来调节基因表达，帮助它们应对各种压力或损害。
近日，美国索尔克生物研究所的研究人员发现，GUN1基因整合了许多叶绿体到细胞核的逆行信号通路，在受损叶绿体中对蛋白质的合成也具有重要作用，这为植物如何应对压力提供了一个新的视角。相关论文发表在4月15日的《美国国家科学院院刊》上，可能会帮助生物学家培育出能够更好地承受环境压力的植物。
“气候变化有可能极大地影响我们的粮食系统。当植物感受到压力时，比如干旱，它们的产量就会降低。如果我们了解植物对压力的反应，也许就可以开发出一种方法来增加它们的抵抗力，并保持高产量。”索尔克生物研究所教授Joanne Chory说。她是植物分子和细胞生物学实验室的主任，也是这篇论文的通讯作者。
在植物细胞中，叶绿体负责将阳光中的能量转化为化学能（光合作用）。正常情况下，细胞核向叶绿体传递信息以维持稳定的能量生产。不过在应激条件下，叶绿体会通过逆行信号（创建叶绿体到细胞核的通讯反馈回路）向细胞核发出警报。这种SOS提示了一种反应，能够帮助调节叶绿体和细胞核的基因表达，以优化阳光的能量生产。
此前，Chory实验室发现了一组基因，其中包括GUN1。当植物受到胁迫时，这些基因会影响细胞中其他基因的表达。GUN1是在应激条件下积累的，但到目前为止，GUN1的确切分子功能还难以解释。
为了了解GUN1是如何调控叶绿体与细胞核之间的通讯的，科学家们观察了在会破坏叶绿体的药物处理下具有功能性和非功能性GUN1的植物。结果发现，在没有GUN1的植物中，基因表达发生了变化，叶绿体中的RNA编辑也发生了变化。（RNA编辑是一种RNA修饰，能够改变核苷酸，因此成熟RNA中的信息与基因组中定义的信息不同，从而改变了制造蛋白质的指令。）RNA的某些区域编辑量较多，而其他区域编辑量较少——这表明GUN1在调控叶绿体RNA编辑方面发挥了作用。
经过进一步的分析，研究小组意外地发现，GUN1与另一种蛋白质MORF2（植物RNA编辑复合物的重要组成部分）结合，会影响受损叶绿体中与细胞核通讯过程中RNA编辑的效率。MORF2活性的增强导致了广泛的编辑变化，甚至在正常生长条件下叶绿体和叶子的发育也出现了缺陷（见图）。在应激和损伤期间，MORF2的过度分泌也会导致叶绿体与细胞核的通讯中断。
“总的来说，这些发现表明，叶绿体与细胞核之间的通讯和叶绿体RNA编辑之间可能存在联系，这对开花植物来说是重要的调控功能，尤其是在环境胁迫条件下。”Chory说。接下来，研究人员计划研究叶绿体RNA编辑变化如何激活传递到细胞核的信号的机制，以及这些变化如何改变植物对压力的反应能力。
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编译：花花
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://phys.org/news/2019-04-scientists-uncover-link-rna-chloroplast-to-nucleus.html
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