文獻速遞

葉綠體作為植物光合作用的“能量工廠"，其從原始質體到功能完善結構的發育過程，受核編碼轉錄因子精密調控。目前，被子植物（如擬南芥）中的調控機制已被逐步揭開，但在非種子植物中，這些關鍵調控因子的功能是否“代代相傳"，始終是未解之謎。

2024年12月，發表在Cell Reports上的一篇題為“Streamlined regulation of chloroplast development in the liverwort Marchantia polymorpha》"的研究論文，以地錢為對象，探究了已知葉綠體生物發生調控因子（GLK、GATAs、HY5、SCL-MIR171模塊）的功能保守性。該研究借助ChIP-seq明確了MpGLK的直接靶標基因、結合基序及調控特征，聯合ATAC-seq共同揭示了MpGLK的結合特性及與開花植物的保守性和分化。

技術路線

研究結果

該研究通過系統發育分析，在地錢中鑒定出被子植物HY5、GLK、GATA和SCL的同源基因，分別為MpGATA4、MpGATA2、MpSCL和MpGLK。隨后，作者構建了MpGATA4、MpGATA2、MpSCL-MIR171、MpHY5及MpGLK的敲除突變體，發現地錢中MpGATA4與MpGATA2的缺失，對葉綠素合成及葉綠體發生無顯著影響，與擬南芥中同源基因的功能不保守；MpSCL不調控葉綠素含量，僅部分株系葉綠體變大，這也與擬南芥中的情況存在差異；而Mphy5突變體在低溫下會出現葉綠素含量降低的條件性表型，Mpglk突變體則表現出葉綠素積累減少、葉綠體變小的特征，二者均與擬南芥類似。綜上表明，GLK在地錢葉綠體生物發生中具有高度保守的功能，HY5的條件性作用也具備保守性。

圖1. MpGLK、MpGATAs、MpMIR171、MpSCL和MpHY5的敲除突變體

圖2. Mpglk調控葉綠體大小與超微結構

為驗證MpGATA4、MpGATA2、MpSCL和MpHY5功能缺失等位基因中冗余或代償性反應是否掩蓋了對葉綠體生物發生的影響，作者構建了它們與Mpglk的雙突變體，發現其葉綠素含量和表型與Mpglk單突變體無顯著差異，且過表達MpGATA4無法挽救Mpglk突變體表型，表明這些基因不存在功能冗余或代償效應。

圖3. MpGATA4、MpGATA2、MpSCL和MpHY5與MpGLK在地錢的葉綠體生物發生中沒有表型作用

接著，為驗證MpGATA4、MpGATA2、MpSCL和MpGLK是否能激活葉綠體生物合成，作者構建了由強組成型MpUBE2啟動子驅動的過表達株系，以EGFP標記質膜便于分析。結果顯示，MpGATA4、MpGATA2、MpSCL過表達對葉綠素含量和葉綠體大小無影響，MpGATA2過表達在黑暗中也無生長差異；而MpGLK過表達株系呈深綠色、生長遲緩，葉綠素含量最高達對照組4倍，且其不同版本過表達均影響葉綠素含量及葉綠體大小，還能增大非光合細胞的葉綠體。以上結果表明MpGLK可激活葉綠體生物發生。

圖4. MpGLK過表達增加葉綠素含量和葉綠體大小

進一步對相關敲除突變體進行RNA-seq分析，結果顯示MpSCL、MpGATA4、MpHY5敲除分別導致243、332、160個基因下調；MpGLK敲除使1065個基因轉錄豐度降低，與MpGATA4突變體重疊85個基因。三者均影響氧化應激等過程，而MpGLK敲除還影響光合作用和葉綠素合成，對光合基因影響顯著，其他基因對光合基因表達控制有限，不足以影響葉綠體發生。

圖5. MpGLK調控光合作用相關基因的表達

為確定MpGLK的直接靶點，作者通過ChIP-seq分析，發現了2654個可重復結合峰，其結合RGATTYY基序，與開花植物GLK相似，關聯到1326個靶基因。結合ATAC-seq和H3K4me3ChIP-seq分析發現MpGLK結合開放染色質模式與擬南芥一致，40.4%的靶基因在Mpglk突變體中下調，35%在過表達株系中上調，且差異表達基因的結合強度更高，MpGLK靶基因差異表達比例高于開花植物。與五種開花植物對比，僅53個GLK靶基因保守（多參與光合作用），多數不保守。以上結果表明，GLK功能保守但調控網絡已顯著分化。跨物種互補實驗進一步證實了GLK在陸生植物葉綠體生物合成中仍起重要作用，但其作用的轉錄網絡在苔蘚與被子植物分化后的4-5億年間已顯著分化。

圖6. MpGLK的ChIP-seq揭示了地錢與開花植物之間GLK結合的差異