Plant J：Pooled CRISPR/Cas9 揭示质体磷酸甘油酸激酶在光合碳固定和代谢中的冗余作用

2019年3月，福建农林大学关跃峰课题组在 The Plant Journal 上在线发表题为“Pooled CRISPR/Cas9 揭示质体磷酸甘油酸激酶在光合碳固定和代谢中的冗余作用”的研究论文。

磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase，PGK）是一种参与糖酵解和光合作用的高度保守的可逆酶。拟南芥中已知存在一种细胞溶质PGK（PGKC）和两种质体PGK（PGKP）。其中，两种PGKP同工酶在功能上是冗余的还是分别专门参与质体碳代谢和光合碳固定仍存在争议。在该研究中，作者利用Pooled CRISPR/Cas9的策略，发现pgkp1 和pgkp2 单突变均没有明显表型，而pgkp1pgkp2 双突变体由于阻碍光合碳固定致死，证明PGKP同工酶在功能上是冗余的。代谢组学分析表明，糖缺乏的pgkp1pgkp2双突变虽然可以通过外源糖获得部分补充，但呼吸中间产物依然没有被拯救。类囊体膜主要由半乳甘油三酯类组成，如单半乳糖基二酰甘油（monogalactosyldiacylglycerol ,MGDG）和二半乳糖基二酰甘油（digalactosyldiacylglycerol ,DGDG）。半乳甘油三酯生物合成需要乙酰辅酶A和甘油-3-磷酸，这两种物质都主要来源于糖酵解。研究者推测pgkp1pgkp2双突变可能会阻碍质体糖酵解，进而导致半乳甘油三酯类生物合成，导致类囊体膜异常和叶绿体发育缺陷。为了证实pgkp1pgkp2双突变对糖酵解依赖性甘油三酯类生物合成的影响，研究者对pgkp1pgkp2突变体进行脂质组分析，检测到34种MGDG分子:其中18:3/16:3和18:3/18:3是最丰富的（Table 1）。来源于叶绿体（“原核”途径）的18:3/16:3 MGDG在pgkp1pgkp2突变体中显著减少（Table 1）；相反，来自细胞质（“真核”）途径的18:3/18:3 MGDG的含量没有显著变化（Table 1）。总的来说，pgkp1pgkp2中的25MGDG分子种类明显减少，总MGDG含量降低（Table 1）。与MGDG相似，18:3/18:3 DGDG，来自真核途径的主要部分在pgkp1pgkp2中没有改变（Table 1）。相比之下，来自原核途径的DGDG物种，如18:3/16:0和18:2/16:0，与wt相比显著减少（表1）。19个DGDG物种中有12个物种的数量减少，在pgkp1pgkp2双突变体中的总DGDG含量显著降低（表1）。半乳甘油三酯生物合成的原核途径（而非真核途径）的损伤与pgkp1pgkp2突变体的质体糖酵解缺陷一致，证实了由于糖酵解依赖性的半乳甘油三酯类（MGDG和DGDG）生物合成的不足导致pgkp1pgkp2的叶绿体发育不良。在质体中异位表达PGKc不能逆转pgkp1pgkp2双突变表型。因此，PGKp1与PGKp2在光合碳碳固定和代谢中起着冗余的的作用，而PGKC的分子功能存在特化。