叶绿体是植物进行光合作用的细胞器，正常发育过程受到核基因组和叶绿体基因组在多个层次的协同调控，核质互作的分子机理一直是叶绿体生物发生的核心科学问题之一。光合膜蛋白复合体的反应中心亚基通常由叶绿体基因编码，而外周蛋白和天线蛋白由核基因组编码。这些核基因组编码的叶绿体蛋白，在细胞质中合成，然后通过叶绿体被膜上的TOC-TIC蛋白转运装置运输至叶绿体，同叶绿体基因组编码的亚基组装形成超级复合体。但是目前为止，叶绿体蛋白转运装置和基因表达装置协同调控机制并不清楚。
中国科学院植物研究所迟伟研究组以叶绿体蛋白转运马达FtsHi1为切入点，对上述问题进行了深入研究。该研究团队利用亚细胞定位分析和cpChIP等多种实验手段证明FtsHi1实际上是一个定位于叶绿体拟核的DNA/RNA结合蛋白。荧光标记实验证明FtsHi1在体外具有DNA/RNA解旋酶活性，可以有效的解开DNA-DNA和DNA-RNA双链。进一步研究发现，FtsHi1的DNA/RNA解旋酶活性与叶绿体内R-loop的清除有关，该蛋白的突变会引起叶绿体R-loops过度累积。R-loops是一种含RNA-DNA杂合体的三链结构，在基因组复制、基因转录和基因组稳定性方面具有重要作用。进一步研究发现，在ftsHi1突变体中，R-loops的过度累积会降低叶绿体基因的复制和转录活性，但叶绿体基因组的完整性并没有受到影响。因此，FtsHi1可以作为一个DNA/RNA结合蛋白直接参与叶绿体基因表达过程，从而影响光合膜复合体中反应中心亚基的生成。同时，FtsHi1又可以作为一个叶绿体蛋白转运马达分子，直接控制着光合膜复合体中LHCII等天线蛋白的生物发生过程。FtsHi1蛋白的这种双功能特性，在蛋白转运和叶绿体基因表达之间建立了一种内在的分子关联，可以精细调控核基因编码蛋白和叶绿体基因编码蛋白生物发生过程中分子剂量比，从而保证光合膜蛋白复合体中两种类型亚基的高效组装。该研究为深入了解高等植物叶绿体基因表达、细胞器R-loop调控以及光合膜蛋白复合体组装等科学问题提供了新的见解。
该研究成果于12月11日在线发表于国际学术期刊New Phytologist。植物所已毕业博士研究生柴新和博士研究生王修顺为论文的共同第一作者，迟伟研究员为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导专项和黄河三角洲农业高新技术产业示范区科技专项资助。
论文链接：
http://doi.org/10.1111/nph.19470
