本网讯（通讯员/王燃）近日，我院王燃教授团队在国际知名期刊《Journal of Integrative Plant Biology》（中科院一区Top，IF=12.5）在线发表题为“Light signaling controls chloroplast pyruvate metabolism through the STF1/2–PKP1 module in soybean”的研究论文。该研究揭示了一条直接连接蓝光信号与叶绿体能量代谢的调控通路。该研究定义了CRYs-COP1-STF1/2-GmPKP1模块，将蓝光感知与叶绿体丙酮酸代谢直接耦合，拓展了以HY5为中心的经典发育范式，揭示光信号可直接调控核心质体碳代谢。
光信号协调植物发育与代谢，但光受体与叶绿体能量代谢之间的联系尚不清楚。PKP1通过质体糖酵解产生丙酮酸，但其与光信号的整合以及蓝光是否直接控制质体初级碳代谢尚未被探索。植物丙酮酸激酶此前主要作为参与生长和胁迫响应的糖酵解酶被研究，而GmPKP1是唯一被证明受光信号模块直接调控的质体。因此，解析GmPKP1的转录调控机制，对于理解光信号如何直接控制叶绿体碳代谢具有重要意义。
研究团队鉴定到两个大豆GmPKP同源基因，GmPKP1定位于叶绿体且表达受光信号和昼夜节律影响。利用CRISPR-Cas9获得gmpkp1突变体，并构建过表达株系。过表达株系丙酮酸激酶活性和丙酮酸水平显著升高，但丙酮酸未进入TCA循环，而是主要导向MEP途径，导致叶绿素和类胡萝卜素含量增加。田间试验显示，过表达株系NPQ显著增强而Fv/Fm不变，单株产量显著提高，主要由单株荚数增加驱动，同时种子蛋白含量降低、油分含量提高（图1）。
图1 GmPKP1通过提高光合效率增加大豆产量
转录调控方面，研究筛选到bZIP家族转录因子STF1（大豆HY5同源物）。酵母单杂交和双荧光素酶实验证实GmSTF1和GmSTF2结合GmPKP1启动子并激活其表达，EMSA和ChIP-qPCR进一步证实直接结合。遗传分析显示gmstf1 gmstf2双突变体株高和生物量显著增加，GmPKP1转录本和丙酮酸水平在双突变体中降低更显著，表明GmSTF1/2部分冗余且加性调控。代谢组和转录组分析显示gmstf1突变体中糖酵解和TCA循环中间产物积累，相关基因表达上调。光受体调控方面，酵母双杂交、BiFC和LCI实验证实GmCRY1a和GmCRY2a与GmSTF1/2互作，GmCOP1a/b与GmSTF1/2互作。共表达实验显示GmCOP1a/b抑制GmSTF1/2对GmPKP1pro:LUC的激活，而GmCRY1a/2a增强该激活（图2）。体外泛素化实验也证明了GmSTF1和GmSTF2是GmCOP1介导泛素化的直接底物。
图2 GmCRYs–GmCOP1–GmSTF1/2–GmPKP1 模块正向调控大豆丙酮酸激酶基因的表达
该研究首次鉴定GmPKP1为CRY-COP1-STF1/2光信号模块的直接代谢输出。作为STF1/2的直接靶标，表明CRY-COP1-STF模块直接调控核心叶绿体碳流，而不仅是发育程序，将从“调控植物如何生长”转向“直接控制叶绿体代谢输出”，揭示了蓝光感知与叶绿体能量代谢之间此前未知的调控联系。该研究还提出一个正反馈循环模型：GmPKP1驱动的丙酮酸产生为MEP途径依赖的色素生物合成提供燃料，增强光合能力，进而产生更多ATP和NADPH以维持质体糖酵解并进一步支持MEP途径活性，这一自我强化循环解释了田间条件下产量增强的现象（图3）。该成果为大豆高产优质育种提供了新的分子靶点和理论依据。
图3 大豆光感受器GmCRYs–GmCOP1–GmSTF1/2–GmPKP1模块调控叶绿体糖酵解
河南农业大学和河南大学联合培养博士研究生林法明和河南农业大学生命科学学院王潇然副教授为本文共同第一作者，河南农业大学生命科学学院王燃教授，王潇然副教授和广州大学分子遗传与进化创新中心孔凡江教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（32572306）和河南农业大学高层次人才项目（111-30501301）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70407
光信号协调植物发育与代谢，但光受体与叶绿体能量代谢之间的联系尚不清楚。PKP1通过质体糖酵解产生丙酮酸，但其与光信号的整合以及蓝光是否直接控制质体初级碳代谢尚未被探索。植物丙酮酸激酶此前主要作为参与生长和胁迫响应的糖酵解酶被研究，而GmPKP1是唯一被证明受光信号模块直接调控的质体。因此，解析GmPKP1的转录调控机制，对于理解光信号如何直接控制叶绿体碳代谢具有重要意义。
研究团队鉴定到两个大豆GmPKP同源基因，GmPKP1定位于叶绿体且表达受光信号和昼夜节律影响。利用CRISPR-Cas9获得gmpkp1突变体，并构建过表达株系。过表达株系丙酮酸激酶活性和丙酮酸水平显著升高，但丙酮酸未进入TCA循环，而是主要导向MEP途径，导致叶绿素和类胡萝卜素含量增加。田间试验显示，过表达株系NPQ显著增强而Fv/Fm不变，单株产量显著提高，主要由单株荚数增加驱动，同时种子蛋白含量降低、油分含量提高（图1）。
图1 GmPKP1通过提高光合效率增加大豆产量
转录调控方面，研究筛选到bZIP家族转录因子STF1（大豆HY5同源物）。酵母单杂交和双荧光素酶实验证实GmSTF1和GmSTF2结合GmPKP1启动子并激活其表达，EMSA和ChIP-qPCR进一步证实直接结合。遗传分析显示gmstf1 gmstf2双突变体株高和生物量显著增加，GmPKP1转录本和丙酮酸水平在双突变体中降低更显著，表明GmSTF1/2部分冗余且加性调控。代谢组和转录组分析显示gmstf1突变体中糖酵解和TCA循环中间产物积累，相关基因表达上调。光受体调控方面，酵母双杂交、BiFC和LCI实验证实GmCRY1a和GmCRY2a与GmSTF1/2互作，GmCOP1a/b与GmSTF1/2互作。共表达实验显示GmCOP1a/b抑制GmSTF1/2对GmPKP1pro:LUC的激活，而GmCRY1a/2a增强该激活（图2）。体外泛素化实验也证明了GmSTF1和GmSTF2是GmCOP1介导泛素化的直接底物。
图2 GmCRYs–GmCOP1–GmSTF1/2–GmPKP1 模块正向调控大豆丙酮酸激酶基因的表达
该研究首次鉴定GmPKP1为CRY-COP1-STF1/2光信号模块的直接代谢输出。作为STF1/2的直接靶标，表明CRY-COP1-STF模块直接调控核心叶绿体碳流，而不仅是发育程序，将从“调控植物如何生长”转向“直接控制叶绿体代谢输出”，揭示了蓝光感知与叶绿体能量代谢之间此前未知的调控联系。该研究还提出一个正反馈循环模型：GmPKP1驱动的丙酮酸产生为MEP途径依赖的色素生物合成提供燃料，增强光合能力，进而产生更多ATP和NADPH以维持质体糖酵解并进一步支持MEP途径活性，这一自我强化循环解释了田间条件下产量增强的现象（图3）。该成果为大豆高产优质育种提供了新的分子靶点和理论依据。
图3 大豆光感受器GmCRYs–GmCOP1–GmSTF1/2–GmPKP1模块调控叶绿体糖酵解
河南农业大学和河南大学联合培养博士研究生林法明和河南农业大学生命科学学院王潇然副教授为本文共同第一作者，河南农业大学生命科学学院王燃教授，王潇然副教授和广州大学分子遗传与进化创新中心孔凡江教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金项目（32572306）和河南农业大学高层次人才项目（111-30501301）资助。
论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70407
编辑/郑真真，审核/赵月
