2024年9月19日，Cell Reports杂志在线发表沈阳农业大学现代设施园艺工程技术中心李天来院士&刘玉凤教授团队标题为Ubiquitin-mediated
degradation of SlPsbS regulates low night temperature tolerance in tomatoes的研究论文。文章揭示了叶绿体囊泡化(CV)蛋白和COP9信号体亚基5A(CSN5A)共介导的叶绿体蛋白泛素依赖性降解途径，从而为胁迫条件下番茄叶绿体蛋白稳定性的调控提供基础参考。• 夜间低温胁迫促进SlPsbS蛋白降解
• SlCSN5A在细胞质中泛素化并降解SlPsbS
• SlCV通过促进SlCSN5A和SlPsbS之间的连接来调节SlPsbS的稳定性
• SlCSN5A和SlCV负向调控植物抗逆性
在夜间低温(LNTs)条件下,PsbS蛋白对于迅速诱导非光化学猝灭(NPQ)至关重要，但其稳定性常受到不利环境条件的影响。因而，PsbS或叶绿体蛋白稳定性的调控机制尚未完全阐明。鹿嘉智博士等人的最新研究展示了LNT降低了番茄叶片中的NPQ水平和SlPsbS蛋白的丰度。LNT激活的叶绿体囊泡化(SlCVs)蛋白靶向叶绿体，诱导形成含有从叶绿体中导出SlPsbS的CV囊泡(CCVs)。随后，SlCV和SlPsbS在细胞质中与COP9信号体亚基5A(SlCSN5A)连接，并被泛素化和降解。遗传证据表明，SlCV的过表达加剧了SlPsbS蛋白的降解，而SlCSN5和SlCV的沉默则延缓了LNT诱导的NPQ降低和SlPsbS蛋白的周转。本研究揭示了一条由CV和CSN5A共同介导的叶绿体蛋白泛素依赖性降解途径，为逆境条件下叶绿体蛋白稳定性的调控提供了基础参考。低温是严重抑制作物生长和生产力的环境因素。叶绿体被认为是植物对逆境响应的中心感应器和反应器，并且在低温条件下，它们是植物叶片氧化损伤的主要场所。这可能导致光合作用的光抑制。植物已经进化出快速响应逆境的策略；例如，非光化学淬灭(NPQ)被广泛认为是快速调节光能捕获以保护光系统II(PSII)反应中心免受光损伤的主要途径。PsbS蛋白被鉴定为植物中NPQ激活的主要诱导蛋白。PsbS蛋白在逆境下迅速且短暂地积累以诱导NPQ，而持续或严重的逆境会加速其降解。psbs突变体植物表现出NPQ降低，并且对逆境更加敏感。因此，PsbS蛋白的稳定性在植物对非生物逆境的响应中起着重要作用。然而，关于低温如何调节PsbS蛋白稳定性以影响能量稳态的了解还很少。在逆境条件下，高效降解整个受损的叶绿体及其特定组分对于高效光合作用和其他代谢反应是必需的。近期研究强调了泛素化在叶绿体相关蛋白降解中的作用，但确切机制仍然不明。COP9信号体(CSN)是一个在进化上保守的多亚基蛋白复合体，它从CULLIN-RING E3泛素连接酶(CRL)复合体中切割共价连接的相关泛素(Ub)1(RUB1)/NEDD8，并参与泛素-蛋白酶体途径的蛋白降解。这种催化活性位于CSN5亚基的MPN基序中。CSN5通过调节生长素、茉莉酸和花色苷生物合成参与植物发育和逆境响应。在拟南芥中，CSN5由两个基因CSN5A和CSN5B编码。CSN5A被发现通过促进GA样2(RGL2)和ABA不敏感5(ABI5)的蛋白降解来调节拟南芥种子萌发，突出了CSN5在蛋白降解中的作用。拟南芥csn5a突变体在热应激下表现出叶绿素含量、CO2同化率和光合作用活性的增加。鉴于CSN5A在植物生理过程中的深度参与，可以想象CSN5A具有更广泛的作用，包括例如在逆境条件下调节叶绿体蛋白的稳定性。PPI1位点1(SP1)的抑制因子和植物U-box 4(PUB4)是两个主要的E3泛素连接酶，据报道它们参与了叶绿体泛素化，但它们似乎只介导叶绿体外膜组分的降解。叶绿体内蛋白质如何被泛素化的问题仍然不确定。一种可能性是泛素化在叶绿体内发生。然而，尚未在叶绿体中鉴定出泛素化修饰因子。另一种可能性是，叶绿体内蛋白质在通过未知机制被运输到叶绿体外后，被E3泛素连接酶修饰。核编码的叶绿体囊泡化(CV)蛋白参与了在细胞器外发生的叶绿体降解。胁迫诱导的CV蛋白靶向叶绿体，并与叶绿体蛋白如PsbO相互作用。这种相互作用导致含有CV的囊泡(CCVs)形成，将叶绿体蛋白集中到中央液泡进行降解。除了已知的底物外，CV在PsbS降解中的作用尚不清楚。CV蛋白参与叶绿体蛋白的流出，促进叶绿体内蛋白质与细胞质组分的连接。然而，目前仍不清楚CV蛋白是否与叶绿体蛋白的泛素化有关，或者CCVs是否可以被泛素-蛋白酶体系统(UPS)降解。番茄(Solanum
lycopersicum L.)作为一种园艺作物在全球广泛种植，在华北冬季和春季的蔬菜大棚栽培中极易受到夜间低温(LNT)胁迫的影响，导致番茄产量和质量严重下降。在本研究中，我们发现LNT胁迫抑制了NPQ的增加，并导致番茄叶片中SlPsbS的降解。SlCSN5A直接在细胞质中与SlPsbS相互作用，并介导了SlPsbS的泛素化和降解。SlCV参与了SlPsbS从叶绿体的转运，促进了SlCSN5A与底物(SlPsbS)之间的接触。有趣的是，SlCV也被发现与SlCSN5A物理相互作用并被泛素化和降解。此外，SlCSN5-RNA干扰(RNAi)和Slcv突变体植物表现出更高的LNT耐受性，而SlCV过表达(OE)促进了番茄叶片中SlPsbS蛋白的降解。总体而言，我们的研究表明SlCSN5A和SlCV在调节逆境下叶绿体蛋白稳定性中发挥了关键作用，从而揭示了提高植物耐寒性的潜在新途径。本研究中，夜间低温胁迫下番茄光合作用相关的叶绿素荧光参数通过便携式光合仪GFS-3000与双通道叶绿素荧光仪DUAL-PAM-100联用系统以及叶绿素荧光成像系统IMAGING-PAM完成。部分实验结果如下。
沉默SIPsbS会增加番茄植株对夜间低温胁迫的敏感性![]()
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SlCSN5A与SlPsbS 相互作用并介导其降解![]()
SlCSN5A调节SIPsbS泛素化水平并影响夜间低温胁迫下番茄植株的NPQ![]()
SlCV促进SlPsbS和SlCSN5A之间的相互作用![]()
SlCV抑制夜间低温胁迫下番茄叶片NPQ发生并促进PsbS降解![]()
SlCSN5调节SlCV-OE植物中SlPsbS的稳定性，SlCSN5A是SlCV介导的SlPsbS降解和对夜间低温胁迫敏感所必需的。Lu J., et al. Ubiquitin-mediated degradation of SlPsbS regulates low night temperature tolerance in tomatoes[J]. Cell Reports, 2024, 43, 114757. 白露秋分夜，一夜凉一夜。
