植物光合作用為生物提供物質(zhì)、能量和氧氣，光合作用相關(guān)的生物過(guò)程必須與生物鐘緊密協(xié)調(diào)，才能最大限度地提高光合效率。鎂是光合作用的重要元素，2020年福建農(nóng)林大學(xué)陳志長(zhǎng)課題組報(bào)道了一個(gè)水稻葉綠體鎂離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsMGT3，負(fù)責(zé)向葉綠體節(jié)律性輸入鎂離子，進(jìn)而調(diào)節(jié)光合碳固定（Li et al., Nature Plants, 2020），然而，OsMGT3是如何受到生物鐘調(diào)控來(lái)影響光合過(guò)程還不清楚。
2022年9月16日，陳志長(zhǎng)課題組在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Molecular Plant在線發(fā)表了題為“Two central circadian oscillators OsPRR59 and OsPRR95 modulate magnesium homeostasis and carbon fixation by regulating rhythmic expression of OsMGT3 in rice”的研究論文，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)核心晝夜節(jié)律振蕩器OsPRR59和OsPRR95負(fù)向調(diào)控水稻OsMGT3的節(jié)律性表達(dá)。該研究認(rèn)為OsMGT3介導(dǎo)的碳固定通過(guò)糖信號(hào)正向調(diào)節(jié)ROS水平，而ROS又通過(guò)誘導(dǎo)OsPRR95和OsPRR59的表達(dá)來(lái)抑制OsMGT3。這種反饋回路為增強(qiáng)植物生物鐘和光合作用之間的相互作用提供了一種新的途徑。
該研究首先通過(guò)酵母單雜交篩選試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)PRR家族蛋白能與OsMGT3上游啟動(dòng)子結(jié)合。考慮到PRR家族在植物生物鐘調(diào)節(jié)中的重要作用，研究者將水稻中所有的PRR進(jìn)行酵母單雜交和EMSA驗(yàn)證。隨后，研究者利用CRISPR/Cas9技術(shù)產(chǎn)生各種PRR突變體，發(fā)現(xiàn)只有在osprr95 59雙突變體中才能觀察到OsMGT3表達(dá)水平的顯著變化，暗示OsPRR95和59之間可能存在功能冗余。此外，osprr95 59雙突變體中OsMGT3表達(dá)水平升高，而OsPRR95和OsPRR59過(guò)表達(dá)系中OsMGT3表達(dá)水平下降，進(jìn)一步證實(shí)了OsPRR95/59對(duì)OsMGT3轉(zhuǎn)錄的抑制作用。
OsPRR1, 95和59結(jié)合OsMGT3啟動(dòng)子抑制其轉(zhuǎn)錄
由于OsMGT3介導(dǎo)了水稻葉綠體中的鎂轉(zhuǎn)運(yùn)和隨后的碳固定，因此本研究進(jìn)一步對(duì)OsPRRs是否也參與葉綠體鎂穩(wěn)態(tài)和光合作用進(jìn)行了分析。與野生型相比，osprr95 59雙突變體的碳同化速率（An）顯著提高，與OsMGT3過(guò)表達(dá)株系的An水平相當(dāng)。過(guò)表達(dá)OsPRR95或59會(huì)降低An在日周期內(nèi)的水平，與osmgt3突變體的水平相似。另外，葉綠體中鎂的含量也是與An呈現(xiàn)出一致的水平。研究者利用基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）的熒光蛋白MARIO來(lái)檢測(cè)葉綠體中游離鎂離子的含量，發(fā)現(xiàn)OsMGT3和OsPRR95/59的表達(dá)變化在黎明時(shí)對(duì)基質(zhì)中游離鎂離子的影響很大。這表明OsPRR95和59通過(guò)調(diào)控鎂轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因OsMGT3參與葉綠體中游離鎂離子的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而調(diào)控光合碳固定。
隨后，研究者通過(guò)外源添加不同糖源和各種影響ROS水平的化學(xué)物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)OsPRRs-OsMGT3調(diào)控模塊與細(xì)胞體內(nèi)的糖和ROS水平密切相關(guān)。OsPRR95、OsPRR59以及OsMGT3的晝夜節(jié)律性表達(dá)都受到了蔗糖和超氧陰離子的顯著影響。同時(shí)，osprr95 59雙突變體和OsMGT3過(guò)表達(dá)系在白天內(nèi)源性蔗糖和超氧陰離子水平均升高，而osmgt3突變體和OsPRR95/59過(guò)表達(dá)系在白天內(nèi)源性蔗糖和超氧陰離子水平均降低。以上結(jié)果表明糖信號(hào)和ROS信號(hào)參與了OsPRRs-OsMGT3調(diào)控模塊，并形成負(fù)反饋回路。
鑒于OsPRRs-OsMGT3-sugar-ROS反饋回路需要鎂轉(zhuǎn)運(yùn)的參與，因此研究者進(jìn)一步調(diào)查了該回路與缺鎂脅迫的關(guān)系。結(jié)果顯示，缺鎂脅迫顯著降低了光合碳固定，但是增強(qiáng)了ROS以及蔗糖在水稻體內(nèi)的大量積累。缺鎂脅迫處理后OsMGT3的表達(dá)被顯著抑制，而OsPRR95和59的表達(dá)則顯著升高。有趣的是，添加DPI來(lái)抑制超氧陰離子后，導(dǎo)致缺鎂誘導(dǎo)的光合抑制和基因表達(dá)量的改變被減弱，但對(duì)蔗糖積累影響不大。以上結(jié)果表明，水稻通過(guò)整合缺鎂信號(hào)與這個(gè)反饋回路來(lái)對(duì)缺鎂脅迫做出生理響應(yīng)，也說(shuō)明OsPRRs-OsMGT3調(diào)控途徑可以提高水稻在不利環(huán)境中的生存適應(yīng)性。
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