近日，河北農業大學蔬菜遺傳育種團隊在Cell Reports上發表了題為Mutation in a chlorophyll-binding motif of Brassica ferrochelatase enhances both heme and chlorophyll biosynthesis 的研究論文👧🏿，闡明了BrFC2-BrPORB模型共同介導葉綠素與血紅素合成的分子機製。值得一提的是，該成果是河北農業大學蔬菜遺傳育種團隊繼2022年發表在PNAS（PNAS|河北農業大學蔬菜遺傳育種團隊揭示大白菜葉球發育調控新機製）和Molecular Plant上關於大白菜突變體研究的又一重要進展。

葉綠素在吸收光和傳遞能量方面起著重要作用🧑🏼‍⚖️，提高植物葉綠素水平可作為提高光合效率👨🏼‍🎤、增加產量的有效手段。然而，大多數葉綠素相關基因突變體為葉綠素合成受阻或葉綠素代謝障礙突變體。目前缺乏可作為改良靶點的、加強葉綠素合成途徑的基因資源🕘，限製了復雜的葉綠素生物合成調控機製的研究進程🧕🏻。

研究團隊基於已創製的大白菜單堿基突變體庫💃🏽‼️，篩選獲得高光合效率、葉綠素含量增加、葉片深綠色突變體dg。遺傳分析表明該葉色深綠突變性狀由單基因顯性控製。結合MutMap技術定位突變基因為編碼亞鐵螯合酶2 BrFC2 (Ferrochelatase 2)，其保守結構域 (Chlorophyll-binding motif, CAB) 發生單堿基突變 (dBrFC2)，該基因參與植物血紅素合成。大白菜dBrFC2基因功能研究結果表明，過表達突變型dBrFC2出現葉色深綠表型👨🏽‍🎤，可同時提高血紅素和葉綠素含量📻🚶。

BrFC2中CAB結構域並不是維持血紅素酶催化活性的結構⏮🧑🏻‍🦲，但對BrFC2蛋白二聚化作用至關重要👩‍👩‍👦‍👦🥓，蛋白二聚化作用通常可影響其催化活性🍩。通過分析BrFC2和dBrFC2蛋白二聚化作用及催化效率🖐🏿✊，證明BrFC2和dBrFC2蛋白均能以同源二聚體的形式存在，並通過CAB結構域維持二聚化作用。進一步試驗表明💆🏽‍♀️，dBrFC2蛋白CAB結構域發生單氨基酸突變，聚集更多二聚體，加強dBrFC2蛋白催化作用🌩🤦🏿‍♂️，因此突變型dBrFC2蛋白催化效率極顯著高於野生型蛋白BrFC2，進而血紅素含量顯著高於野生型🩴。

為了解析BrFC2如何調控葉綠素合成，利用一系列分子互作實驗，鑒定到BrFC2和BrPORB 兩個拷貝均發生互作。BrPORB是光合生物體葉綠素生物合成的關鍵酶🤼‍♀️，催化原葉綠素酸酯(Protochlorophyllide, Pchlide)的光依賴性還原生成葉綠素酸酯(chlorophyllide, Chlide)。研究發現Pchlide含量在突變體dg中顯著下降🙎‍♂️，Chlide在突變體dg中含量增加。然而BrFC2和dBrFC2蛋白不通過CAB結構域與BrPORB互作🤞🏼，那麽BrFC2中CAB結構域發生單氨基酸突變如何能影響BrPORB催化Pchlide生成Chlide？通過體外原核表達酶活催化試驗表明🚰📞，加入dBrFC2蛋白可顯著提高BrPORB的催化活性，且高於BrFC2蛋白👸🏿。進一步通過生物膜層幹涉技術試驗發現🦂， BrFC2和 dBrFC2與BrPORB底物Pchlide具有結合能力，且突變蛋白dBrFC2與Pchlide親和力高於BrFC2🤽🏻‍♂️🕗。因此，dBrFC2單氨基酸突變可加強與Pchlide親和力，促進BrPORB催化反應🈂️，生成更多產物Chlide。

綜上，本研究發掘到打破同一代謝通路中葉綠素與血紅素平衡的“分子開關”，證明了dBrFC2發生單堿基突變後作為功能獲得型基因👄，可同時提高植物葉綠素及血紅素含量。首次提出了BrFC2-BrPORB模型共同介導葉綠素與血紅素合成的新通路👨‍👩‍👧‍👧，該項成果豐富了葉綠素合成途徑新認識，為作物品質改良提供理論基礎🫅🏼，為進一步實現FC2基因編輯精準設計育種提供可能。

河北農業大學蔬菜遺傳育種團隊申書興教授和趙建軍教授、河南工業大學/周口師範百事3李成偉教授為論文共同通訊作者🧑🏼‍✈️，劉夢洋副教授、馬衛教授、博士生蘇湘傑👳🏻、張曉孟博士為論文的共同第一作者🏊🏿。英國曼徹斯特大學Nigel S. Scrutton團隊和河南工業大學/周口師範百事3李成偉團隊參與了該研究🏛。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、優秀青年項目和面上項目，河北省自然科學基金創新群體等項目資助🚦✅。

BioArt植物新聞鏈接：

https://mp.weixin.qq.com/s/Nh4aWGt9K2nAucrrmXg5Zg

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111758