近日，我校农学院薛飞/孙杰教授团队对棉花叶色温敏调控机制进行解析，该团队利用图位克隆技术成功定位到一个与温度敏感型叶片黄化突变表型相关的基因GhSCY2D。该基因编码Sec2复合体的核心组分，与茉莉酸信号通路协同调控叶绿体结构完整性，对维持叶绿体结构稳定性具有重要作用。相关研究成果以“Deletion of GhSCY2D Causes Impaired Chloroplast Development and Temperature-Dependent Leaf Yellowing in Cotton (Gossypium hirsutum L.)”为题发表在国际权威期刊《Plant, Cell & Environment》（中科院一区TOP期刊，五年影响因子7.6）。
叶绿体作为植物进行光合作用的主要场所，它能够利用光能将无机物转化为有机物，为植物的生长和发育提供能量。叶绿体含有约3,000种蛋白质，其中大部分蛋白是由细胞核编码的。核编码的叶绿体蛋白需要通过TOC、TIC复合体转运到叶绿体中，部分叶绿体蛋白还需要借助Sec2复合体整合到叶绿体内膜上。本研究发现一个对温度敏感的叶色黄化突变体，该突变体在低温条件下表现为叶黄化，而在高温条件下叶色则恢复正常（图1）；转录组GO富集分析表明茉莉酸响应通路参与了突变体叶色敏感的调控，代谢组分析也发现茉莉酸及其衍生物含量变化显著，且喷施低浓度的MeJA后突变体叶色恢复正常（图2）。
图1 黄化突变体表型鉴定
图2 叶色突变体转录代谢分析
为鉴定决定棉花温度叶色敏感的关键基因，本研究利用BSA方法定位候选基因，结果发现GhSCY2D基因的缺失导致了突变体叶色温敏的黄化表型（图3）。此外，该研究还对棉花Sec2复合体的组分进行了鉴定，发现GhSECE2、GhSECA2和GhSCY2能够形成复合体来维持棉花叶绿体稳定（图4）。
图3 GhSCY2D基因的定位及功能研究
图4 棉花Sec2复合体组分鉴定及功能研究
最后本研究对叶色温敏的机制进行了解析（图5），发现低于28°C条件下，突变体中GhSCY2A表达水平较低，导致Sec2蛋白转运系统结构异常，使叶绿体蛋白无法正常运输，进而引起叶绿体功能紊乱。同时，由于突变体光合能力减弱，大量活性氧（ROS）生成，但茉莉酸（JA）合成受阻，最终导致ROS积累并破坏叶绿体结构。在高于32°C条件下，突变体中GhSCY2A基因表达上调，使Sec2蛋白转运系统恢复正常功能，促进叶绿体蛋白运输，有利于叶绿体结构修复。位于叶绿体膜上的JASSY转运蛋白可将OPDA转运至细胞质，促进JA合成，进而诱导胁迫响应基因表达，增强ROS清除能力；这些生物学过程共同维持叶绿体结构稳定，促使叶片恢复绿色。
图5 茉莉酸与GhSCY2A协同维持叶绿体结构稳定的机制
论文第一单位为石河子大学，农学院薛飞教授、孙杰教授及澳大利亚朱乾浩老师为论文的通讯作者，农学院硕士研究生冯小康、马艳梅和博士研究生梁倩为论文第一作者，该工作得到了国家生物育种重大专项（2023ZD04038-02）、天山英才青年拔尖人才项目（2023TSYCJU0011）和兵团科技重大专项（2023AA008）等项目的资助。
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