New Phytologist│绿色植物组织中的叶绿体发育：光、激素和转录调控之间的相互作用

剑桥大学植物科学系Julian M. Hibberd课题组综述了质体如何发展成为光和细胞的叶绿体进行了总结，并讨论了转录因子家族，光信号网络和植物激素如何影响这一过程。通过这个复杂的网络系统，使得未来在作物改良过程中重新设计变成了可能。国际著名杂志New Phytologist发表了该文章。

细胞的叶绿体含量主要通过叶绿体生物发生来调节，叶绿体从祖细胞遗传的小的未分化前质体发育而来的过程，然后通过随后的几轮叶绿体分裂。这两个概念上不同的过程的顺序取决于器官和叶绿体发育的条件。根据组织的不同，前质体可以分化成其他类型的质体，包括色质体、黄化质体、淀粉质体或油质体（Lopez-Juez&Pyke,2005）。当含有大量非绿色叶绿体前体（称为黄质体）的深色子叶在光照下开始变绿时，黄质体转化为叶绿体之后，随着含有它们的细胞扩张，这些叶绿体会分裂（Pipitone等人，2021年）。相比之下，在线性单子叶植物叶片的发育过程中，具有非常少量原生质体的未分化细胞分化为具有许多叶绿体的光合细胞，质体分裂先于光合积累过程（Loudya等，2021）。深色子叶细胞中黄质体的丰富可能反映了黄质体也可能在胚胎细胞中的前质体分裂后发育的事实。叶绿体是液泡中叶绿体材料的选择性降解，也可以影响叶绿体的数量，特别是在应对内部和外部压力时（Zhuang&Jiang，2019）。因此，生物发生、分裂和吞噬叶绿体之间的平衡控制着任何细胞中叶绿体区室的大小，这种结果在不同细胞类型之间存在很大差异（图1a）。在大多数植物物种中，叶肉细胞是光合作用的主要场所，并与叶绿体紧密堆积，因此它们占据了质膜和中央液泡之间的大部分细胞质。相比之下，其他组织，如束鞘、口鞘和保卫细胞，含有越来越少的叶绿体，在表皮细胞中，它们甚至更不发达（Pyke&Leech，1994）。 

尽管裸子植物中会发生不依赖光的绿化，但在被子植物中，光是叶绿体发育的基础，因为它是数百个叶绿体和光合作用相关基因的表达所必需的(Hillsetal.,2015)。然而，光对于这个过程是不够的。这可以通过以下事实来说明：并非所有暴露在光线下的叶子中的细胞类型都含有相同数量的叶绿体（图1a）。在某些细胞类型中，这些差异可能是光量、质量和/或感知差异的结果。例如，对于组织深处的细胞，不仅可以获得较少的光，而且基因表达对蓝光或红光的反应也可能不同（Hendron&Kelly,2020）。除了光，其他因素，包括植物激素，如油菜素内酯(BRs)、细胞分裂素(CKs)、生长素和赤霉素(GA)，也参与调节叶绿体发育(Müller&Munné-Bosch,2021）。这些内源性调节剂在协调下胚轴伸长、顶端钩的展开、子叶的扩张以及叶绿体生物发生中发挥重要作用，以允许光形态发生并在发育的后期调节植物生长。因此值得注意的是，植物激素可以通过控制细胞分裂和扩张之间的平衡，以及直接通过影响叶绿体和光合作用相关基因的表达以及叶绿体的生物合成和分裂来间接影响任何细胞中叶绿体区室的大小。另外值得注意的是，大多数激素是通过光信号调节的，要么通过控制激素生物合成途径，要么通过激活激素来诱导下游信号通路。因此，植物和叶绿体发育过程中存在一个复杂的光和激素信号网络。在光和植物激素的下游，几个转录因子家族已被确定在控制叶绿体的大小和丰度方面发挥关键作用。 在接下来的部分中，我们首先总结我们对质体如何发育成光合细胞的叶绿体区室的理解，特别关注叶绿体和光合作用相关的基因表达和叶绿体生物发生，而不是对细胞发育的任何影响。然后，我们讨论转录因子家族、光信号网络和植物激素如何影响这一过程，特别关注BR、CK、生长素和GA。我们考虑了鲜为人知的领域，以及我们对这个复杂网络的理解如何允许其合理地重新设计以改善未来的作物。 

生物发生：前质体或黄质体向叶绿体的转化

当种子在黑暗中发芽时，就会启动称为skotomorphogenesis的发育程序。在诸如双子叶植物拟南芥等具有低胚萌发的物种中，细胞伸长促进的下胚轴生长增加推动子叶穿过土壤到达光照。同时，形成一个特征性的紧密闭合的顶端钩，保护分生组织和子叶免受机械损伤。在这个过程中，前质体，所有质体的祖细胞，在子叶细胞中增殖并分化成黄质体（图1b））。Etioplasts含有一种半结晶的膜团块，称为原板层体，由光合装置的结构构件组成，包括原类囊体膜、原叶绿素和原叶绿素氧化还原酶，这种需要光的酶将其转化为叶绿素（Liebersetal.，2017年；Pipitone等人，2021年）。原叶绿素或任何其他成分的缺乏会导致原板层体缺失或异常（Mascia&Robertson,1978;Solymosi&Aronsson,2013）。一旦幼苗从土壤中出现并暴露在光线下，就会开始光形态发生。光触发子叶中的黄原体转化为成熟的叶绿体（图1b）。最近的一项优雅的成像和生化分析提供了所涉及过程的定量视图（Pipitone等人，2021年）。叶绿体膜的结构脂质绝大多数由必需的半乳糖脂组成（Jarvis等，2000）。在光照12小时内，并持续约4天，随着成熟光合复合物的蛋白质出现和类囊体的表面积迅速扩大，它们的积累增加（Pipitone等，2021）。同时，子叶扩张，光调节基因被激活，下胚轴生长受到抑制。因此，子叶中的叶绿体生物发生在光照下有效地发生，因为在黑暗中形成的原板层体已经为快速转化为叶绿体做好了准备（Liebersetal.,2017）。与子叶不同，真叶中的叶绿体是在原基细胞中前质体的光照下发育的（Charuvi等人，2012年）。这些原生质体不含原层状体，因此无法快速转化为叶绿体（Hernández-Verdeja等人，2020年）。在前质体分化为叶绿体（即叶绿体生物发生）期间，类囊体形成，光合作用机制排列在类囊体内（Jarvis&López-Juez，2013年）。以越来越高的分辨率进行成像、转录组学和蛋白质组学分析（Lietal.,2010;Majeranetal.,2010;Loudyaetal.,2021)已经开始定义过程并帮助将基因识别的组件置于上下文中。在质体构建阶段，输入核编码蛋白质和合成叶绿体DNA中编码的蛋白质所需的机器建立起来。随后是膜合成和光合复合蛋白的表达和积累。色素合成蛋白基因的表达之后是与光合作用的光依赖性反应和最终碳代谢相关的基因表达（Loudya等人，2021年）。类囊体的三维组装本身涉及膜重塑蛋白的活性，包括促进曲率的CURT1（Armbruster等人，2013年）和膜重塑电机VIPP1（N.Ohnishi等人，2018年）。这种结构对于每个类囊体及其与其他类囊体的关系都很重要。通常，类囊体膜根据它们是否与其他类囊体膜或基质接触，分为贴壁区域（granalamella）和非贴壁区域（stromalamella）（Wietrzynski等人，2020）。光系统在区域之间被隔离，因此光系统II主要位于贴壁（颗粒核心），而光系统I位于非贴壁（颗粒边缘和基质类囊体）域中（Wietrzynski等人，2020）。尽管最近我们对支持类囊体组装的过程的理解有所改进，但知识上的主要差距包括它是如何被调节的，以及结构是如何排列的。相比之下，叶绿素生物合成途径是叶绿体生物发生的另一个重要组成部分，其定义明确（Tanaka和Tanaka，2007年）。最重要的步骤之一是原叶绿素氧化还原酶的光活化，它催化原叶绿素向叶绿素a和b的转化。这些产物随后被转化为叶绿素a和b(Sperlingetal.,1998;Liebersetal.,2017年）。同时，蛋白质的整合，其中许多是从叶绿体外部输入的，涉及叶绿体信号识别途径的伴侣分子或通过膜锚直接插入脂质双层（Celedon&Cline综述，2013年）。因此，完全形成的类囊体膜包含蛋白质和色素-蛋白质复合物，包括光系统II、细胞色素b6f复合物、光系统I和三磷酸腺苷(ATP)合酶(Staehelin&DeWit,1984)。无论是来自深色子叶细胞中的黄原体（Pipitone等人，2021年）还是来自分生细胞中的前质体（Loudya等人，2021年）），可以确定叶绿体生物发生的两个阶段：第一个阶段被称为“质体阶段”，或光合作用促进“结构建立阶段”，而第二个阶段是“叶绿体”或“绿化阶段”，在deetiolation这也是“叶绿体增殖阶段”。

分裂：绿色或非绿色叶绿体通过裂变增殖

根据叶绿体发育的组织和条件，叶绿体分裂可以在绿化之前和/或之后进行（图1b）。此外，遗传证据表明，分裂本身并不驱动细胞器生物发生或导致细胞被叶绿体“填充”，这意味着叶绿体分裂和生物发生可以分开考虑。例如，质体分裂加速的突变体含有更多的叶绿体，但它们更小，而必需的质体分裂蛋白的缺失导致每个细胞产生一到两个巨大的叶绿体。在任何一种情况下，被叶绿体占据的细胞的总比例保持不变（Pyke评论，1999）。相比之下，已鉴定出其他突变体，其中叶肉细胞的总叶绿体占有率显着降低，但单个叶绿体大小仅受到轻微干扰（Larkin等人，2016年）。因此，虽然质体或叶绿体分裂通常与建立细胞的最终细胞器区室的过程有关，但细胞器的生物发生和分裂是不同的，并且涉及遗传上可分离的成分。尽管叶绿体分裂过程与细胞大小密切相关，但它被认为在很大程度上独立于细胞分裂，因为即使细胞分裂停止，它也会继续进行（Jarvis&López-Juez，2013年；Loudya等人，2021年）。由于涉及叶绿体分裂的几个基因被光激活并在黑暗中被抑制（Mohammed等人，2018年），似乎随着叶绿体的生物发生，发育中的叶子中的叶绿体分裂受到光的调节。驱动叶绿体分裂的分子机制已被广泛研究（Chenetal.,2018）。简而言之，位于内外叶绿体膜上的环形收缩复合物导致中间质体收缩。FtsZ1和FtsZ2蛋白（微管蛋白样细胞骨架GTP酶）形成内部可收缩Z环（Olson等人，2010）。质体分裂蛋白1和2（PDV1和PDV2）募集细胞溶质动力蛋白样成分动力蛋白相关蛋白5B（DRP5B；也称为ARC5）以形成外收缩环，该外环还含有多聚糖丝（Holtsmark等人，2013）。含有Z和DRP5B的环的收缩导致叶绿体分裂，而动力蛋白的膜“挤压”活动完成了这一过程。与FtsZ2和DRP5B蛋白的丰度在拟南芥的发育过程中没有显着变化相比，PDV蛋白的丰度在分裂发生后下降（Okazaki等人，2009年）。PDV1/2的突变等位基因和过表达基因分别比野生型具有更少和更多的叶绿体（Okazaki等，2009）。综上所述，PDV1和PDV2似乎可能是叶绿体分裂的限速调节剂。

控制叶绿体发育的核和叶绿体编码基因

虽然叶绿体分裂似乎完全由核编码基因控制，但叶绿体的生物发生是由核和叶绿体编码的基因产物决定的。大约3000个核编码蛋白定位于叶绿体（Richly等人，2003年）。这些包括在输入、类囊体生物发生、RNA加工、蛋白质成熟和降解、质体基因表达、叶绿素生物合成、代谢物转运和光系统组装中起作用的蛋白质(Waters&Langdale,2009a）。编码这些蛋白质的基因被广泛称为叶绿体和光合作用相关的核基因（Cp和PhANGs）。大多数核编码的叶绿体结合蛋白最初是在细胞溶质核糖体上作为前蛋白合成并输入叶绿体。对于大多数人来说，前蛋白N端的可切割转运肽通过与叶绿体膜复合物（称为外叶绿体(TOC)膜的易位子和内叶绿体(TIC)膜的易位子）相互作用直接进入叶绿体（由Sjuts等人，2017年）。输入的驱动力由叶绿体热休克蛋白提供，而最终加工由基质加工肽酶进行（Sjutsetal.,2017年）。与大型核基因组相比，叶绿体基因组包含大约120到130个基因，仅编码大约80种蛋白质，其中大部分与光合作用、转录和翻译有关（Daniell等人，2016年）。质体转录由核编码聚合酶(NEP)和质体编码聚合酶(PEP)进行(Börneretal.,2015)。一组充分表征的质体SIGMA(SIGs)因子控制PEP介导的叶绿体基因转录的起始(Chietal.,2015）。叶绿体基因的转录和翻译对于叶绿体发育至关重要。例如，PEP复合物的突变等位基因是白化（Yang等人，2019年），sig6突变体无法产生足够的叶绿体编码蛋白，因此叶绿体生物发生缺陷（Chi等人，2010年）和完全有缺陷的突变体在NEP中是胚胎致死的(Hricováetal.,2006)。

叶绿体逆行信号控制Cp和PhANG转录

由于叶绿体功能所需的大多数蛋白质都是核编码的，因此需要在叶绿体的功能状态和核基因转录之间进行严格调节。从叶绿体发出控制核转录的信号称为逆行信号，受光、叶绿体基因表达、叶绿体蛋白输入、四吡咯生物合成、氧化还原状态和活性氧物质等因素控制（Yurina和Odintsova，2019年）。生物逆行信号是指在叶绿体生物发生的早期步骤中来自质体的信号，以确保该过程安全完成，而操作逆行信号则来自完全活跃的叶绿体并根据环境条件调整细胞器的操作（Pogson等人，2008年；Grübler等人，2021年）。一些属于五肽重复(PRR)家族的基因已显示通过改变信使RNA(mRNA)序列、周转、加工或翻译来影响逆行信号传导(Barkan&Small,2014)。其中一个基因是GENOME SUNCOUPLED1(GUN1)，它是生物信号传导的关键参与者，它与通过TIC-TOC系统参与RNA编辑和蛋白质输入的其他蛋白质相互作用并影响其他蛋白质的功能（Wu等人，2019；赵等人，2019年；塔迪尼等人，2020年）。GUN1还与参与四吡咯合成的酶相关，包括血红素和叶绿素（Shimizu等人，2019年），并调节叶绿体稳态以响应环境压力和发育变化。例如，当高光或林可霉素处理破坏叶绿体完整性时，正逆行信号（可能是四吡咯血红素）的丢失或负信号的诱导会导致GUN1的激活。这导致通过GUN1介导的未知GLK1转录激活因子的抑制抑制关键的叶绿体转录因子GOLDEN-LIKE1(GLK1)(Martinetal.,2016）。此外，任何现有的GLK1蛋白都以泛素化和蛋白酶体介导的降解为目标（Tokumaru等人，2017年）。虽然与叶绿体发育没有直接联系，但GUN1显然有助于在发育和环境变化期间调节叶绿体的完整性。我们接下来讨论我们对激活Cp和PhANGs并因此激活叶绿体生物发生的主要转录因子的理解。

 叶绿体发育的转录调节因子

转录因子如GOLDEN2-LIKE1和2(GLK1&2)在植物生长的所有阶段都参与了叶绿体的生物合成。它们的表达水平在细胞类型和叶片发育过程中有所不同，这可能导致观察到的叶绿体发育差异（Waters等人，2008；Wang等人，2017a；Hua等人，2021）。由于这些转录因子在迄今为止研究的所有植物中都具有同源物，并作为光和激素信号传导的关键整合子（图2、8），因此它们被认为是我们所知道的最接近叶绿体发育调节剂的主要调节因子。

GLK1&2调节关键的叶绿体生物发生基因并控制C4物种的细胞特异性叶绿体发育

在玉米中鉴定了GOLDEN2(G2)和随后的GLK1(Langdale&Kidner,1994;Halletal.,1998)。g2突变体是苍白的，因为它们在束鞘细胞中具有较小的叶绿体和错误形成的类囊体（Langdale&Kidner，1994；Rossini等人，2001）。GLK基因属于Golden2、ARR-B和PSR1(GARP)转录因子家族(Fitteretal.,2002)，现已在许多物种中进行了研究，包括拟南芥、水稻、番茄、高粱、Gynandropsisgynandra、大麦和苔藓Physcommitriumpatens（Fitter等人，2002年；Yasumura等人，2005年；Powell等人，2012年；Wang等人，2013年；Taketa等人，2021年）。在这些物种中的每一个中，GLK基因作为同源对存在，称为GLK1和GLK2，glk1glk2双突变体具有与较小的叶绿体相关的淡绿色表型，类囊体膜的积累减少和颗粒堆积缺陷（Rossini等人，2001年；Fitter等人，2002年；安村等人，2005；Waters等人，2008年，2009年b)。例如，拟南芥glk1glk2双突变体的叶肉和束鞘叶绿体的横截面积比野生型小50%（Fitters等，2002）。由于glk突变体在细胞或叶片发育中没有表现出明显的缺陷，因此GLK蛋白似乎特别影响叶绿体。GLK的过表达增加叶绿素和叶绿体的产量，并可能导致通常具有较小叶绿体含量的组织中的叶绿体发育（Nakamura等人，2009；Kobayashi等人，2012，2013；Wang等人，2017b）。GLKs似乎可以调节和同步一系列Cp和PhANGs的表达，这些Cp和PhANGs对叶绿体的发育至关重要，包括叶绿素生物合成基因HEMA1、CHLH、GUN4、CAO、PORA、PORB和PORC以及其他基因，例如LHCB1-6和RbcS参与光收集和碳固定（Fitteretal.,2002;Watersetal.,2008,2009b）。在大多数物种中，这两个GLK基因在控制叶绿体发育方面具有冗余功能。然而，在C4玉米中，它们具有组织特异性的表达模式——而ZmG2优先在束鞘细胞中表达ZmGLK1在叶肉中的表达更强（Langdale&Kidner，1994；Hall等，1998；Rossini等。,2001年）。因此，在玉米中，这两个基因似乎独立发挥作用，并且由于与C4叶片中光合作用分区相关的受限空间作用域，它们在叶绿体生物发生过程中具有不同的作用（Rossini等，2001）。事实上，正是这种特化使它们得以识别——其他物种的功能冗余将需要一个双突变体。

GNC和CGA1/GNL在叶绿素生物合成和叶绿体发育调控中发挥部分冗余作用

GNC和CGA1/GNL转录因子属于GATA转录因子家族，并且由于它们对各种环境扰动（包括光和硝酸盐）的强烈诱导而被鉴定（Bietal.,2005;Manfieldetal.,2007;Naito等人，2007年；哈德森等人，2013年）。它们的表达也受到内源信号的调节，例如CK(Naitoetal.,2007;Hudsonetal.,2013)和GA(Richteretal.,2010)。gnc_拟南芥和gnl突变体的叶绿体更小，叶绿素比野生型少10-30%（Bi等人，2005年；Mara和爱尔兰人，2008年；Richter等人，2010年；Chiang等人，2012年）。此外，与野生型相比，双gncgnl突变体的叶绿素含量降低了20-40%(Mara&Irish,2008;Chiangetal.,2012）。由于双突变体显示的表型的严重性增加，已经提出两种转录因子在叶绿素生物合成和叶绿体发育的调节中发挥部分冗余作用（Mara&Irish,2008;Richteretal.,2010）。拟南芥中GNC或CGA1/GNL和水稻中CGA1/GNL的过表达导致光形态发生过程中的绿化加速，成熟叶片中叶绿素含量增加，以及叶表皮和根细胞等非绿色组织中叶绿体发育的激活（Richteretal.,2010,2013;科尔默等人，2011年；蒋等人，2012；哈德森等人，2013年；小林等人，2017；祖博等人，2018年）。重要的是要注意，与GLK的过表达一样，这种非绿色组织中的绿化激活没有达到通常在叶肉细胞中看到的程度。由于CGA1/GNL的修饰也会影响发芽、气孔发育、开花和衰老，因此它们的功能似乎会影响不同发育阶段的多个过程（Richteretal.,2010,2013;祖博等人，2018年）。虽然GNC和CGA1/GNL都起到正向调节叶绿体发育的作用，但它们的作用方式似乎不同，因此它们分别充当阻遏物或激活剂（图2）。尽管GNC或CGA1/GNL的过表达导致诱导参与叶绿素生物合成的基因，包括Mg-螯合酶亚基基因，但只有CGA1/GNL已显示直接结合这些基因的启动子，这表明它激活了它们的表达（Xuetal.,2017;Bastakis等人.,2018;图2)。CGA1/GNL也被提出来调节SIG2的表达和协调叶绿体中基因表达的SIG6（Bastakis等人，2018年）。相比之下，GNC抑制光合作用负调节因子的表达，例如PHYTOCHROMEINTERACTINGFACTORs(PIF)和参与BR生物合成和信号传导的基因（Zubo等人，2018年；图2）。当然，CGA1/GNL和GNC有可能根据靶基因和与其他伙伴的相互作用充当激活剂和阻遏剂。GNC与在gnc突变体中下调的LHCB1.4启动子结合的发现说明了这一点，因此GNC可能充当LHCB1.4的转录激活剂（Xu等人，2017年）。对gnccga1和glk1glk2双突变等位基因和gnccga1glk1glk2四突变体的分析表明，这些转录因子在叶绿体发育过程中发挥着冗余作用（Bastakis等人，2018年；Zubo等人，2018年）。然而，四重突变体仍然组装叶绿体。在拟南芥中普遍研究的glk1等位基因中仍然存在少量GLK1表达（Fitter等人，2002）但仍然存在敲除表型不会导致其他物种白化病或胚胎致死的情况，这表明存在叶绿体发育的额外调节剂。有人提出，LLM域B-GATA转录因子家族的成员发挥了这一作用（Behringer等人，2014；Behringer&Schwechheimer，2015；Ranftl等人，2016）。总之，虽然其他参与者必须参与叶绿体发育，但有令人信服的证据表明GLK1&2、GNC和CGA1/GNL具有根本性的重要性。由于这些转录因子受包括光和植物激素在内的信号调节，我们接下来解决这个问题。 

光对于叶绿体的生物发生是必要的，但还不够

植物色素(Phy)和隐花色素(Cry)光受体通过分别感知红/远红光和蓝光的能力在叶绿体发育中发挥重要作用。在暴露于红光后，细胞溶质、无活性的Pr形式的光敏色素转化为活性Pfr并转移到细胞核（Quail，2002；图3）。在那里，Pfr通过调节包括PIF在内的几类转录因子的活性来诱导基因表达的变化，PIF是叶绿体发育和光合作用的关键调节因子。PIF属于转录因子的基本螺旋-环-螺旋家族，并且在黑暗中抑制多个PhANG的转录。这包括编码叶绿素生物合成酶的基因（Moon等人，2008年；申等人，2009；Gommers&Monte,2018)和GLK1转录因子(Martinetal.,2016)。在感知红光时，Pfr通过触发蛋白酶体的磷酸化和降解来抑制PIF功能（Bauer等人，2004；Leivar&Monte，2014）。除了减轻PIF对光合作用基因的抑制之外，Pfr还抑制光信号传导的另一种抑制因子，即E3泛素连接酶复合物CONSTITUTIVEPHOTOMORPHOGENIC1(COP1)-SUPPRESSOROFPHYA(SPA1)，从而允许积累积极驱动转录的转录因子PhANGs(Luetal.,2015;Sheerin等人，2015年）。

  油菜素类固醇在黑暗中抑制光形态发生和叶绿体发育

de-etiolated2(det2)突变体是第一个与叶绿体发育相关的BR相关突变体。在黑暗中，det2突变体增加了PhANGs的表达，例如RbcS、RbcL、CAB(LHCB1)、psaA-B和psbA以及几个叶绿素生物合成基因(Choryetal.,1991)。然而，det2突变体的叶绿体含有较少的颗粒堆积。DET2编码类固醇5α-还原酶，一种在BR生物合成途径早期起作用的酶，因此det2无法合成BR(Fujiokaetal.,1997)。其他几个与BR相关的突变体已被分离出来，它们对表型有类似的扰动，包括BR生物合成突变体dwarf4(dwf4)(Azpirozetal.,1998)和组成型光形态发生和侏儒症(cpd)(Szekeresetal.,1996)，如以及BR信号突变bri1(Clouseetal.,1996)和bin2(Lietal.,2001）。在黑暗中，尽管它们无法积累叶绿素，但这些突变体去黄化、积累叶绿素前体并启动叶绿体生物发生。BRs对光形态发生和初始叶绿体发育的负控制是由BRASSINAZOLERESISTANT1(BZR1)转录因子及其同源物BZR2/BES1介导的，它们都形成同源二聚体来控制转录。在黑暗中，BZR1&2抑制参与光信号和叶绿体生物发生的基因，从而抑制光形态发生（图4）。例如，BZR1抑制光感受器phytochromeB和phototropin1(Sunetal.,2010)、GATA2和GATA4(Luoetal.,2010)和GLK1&2(Yuetal.,2011)的表达）。BZR1和PIF4形成异二聚体来调节大量靶标，包括在skotomorphogenesis期间抑制GLK1&2和几个叶绿素生物合成基因(Ohetal.,2012)。有人提出，BZR1-PIF4对Cp和PhANGs的抑制可避免原叶绿素在黑暗中的过度积累，从而在暴露于光时将光氧化损伤降至最低并促进绿化（Wang等人，2020）。在黑暗中通过BR信号传导对Cp和PhANGs的抑制通过COP1介导的非活性（磷酸化）BZR1的降解得到加强。这增加了去磷酸化与磷酸化BZR1蛋白的比例，因此更有可能形成活性和稳定的去磷酸化BZR1同源二聚体，从而抑制光形态发生和叶绿体发育（Kim等人，2014年）。在光照下，BZR1与HY5相互作用（Li&He,2016），其中HY5特异性结合并抑制BZR1的活性去磷酸化形式。因此，HY5减弱了BZR1的活性，使得叶绿体的发育在暴露于光时不再受到抑制(Li&He,2016)。 

BR在抑制叶绿体生物发生中的核心作用的进一步证据来自BR合成抑制剂芸苔素唑(Brz)，该抑制剂用于鉴定两种新的叶绿体蛋白，称为BRZ-INSENSITIVE-PALEGREEN2(BPG2)和BPG3。小松等人，2010年；吉泽等人，2014年）。bpg2-1突变体具有淡绿色的子叶，对Brz诱导的绿化促进不敏感（Komatsuetal.,2010）。此外，bpg2-1突变体的叶绿体异常，颗粒堆积较少，淀粉颗粒较多，质体球较大。BPG2是一种叶绿体定位蛋白，它影响源自叶绿体基因组的16S和23SrRNA的积累，并且对叶绿体中的转录后和翻译调控很重要。与bpg2-1一样，bpg3-1D突变体具有淡绿色的子叶，对Brz不敏感（Yoshizawa等人，2014年）。由于bpg3-1D突变等位基因显示通过光系统II的电子传输率较低，其淡绿色表型可能是由于与光系统II功能降低相关的光抑制(Yoshizawaetal.,2014）。尽管对BPG2和BPG3的初步研究揭示了BR信号在叶绿体发育过程中的重要作用（Komatsu等人，2010年；Yoshizawa等人，2014年），并且它们对Brz处理的不敏感性表明它们是BR作用的目标，但对我们来说目前尚不清楚这两个基因如何影响BR信号传导或叶绿体发育的控制。

细胞分裂素正向调节叶绿体的生物合成和分裂

60多年前报道了CK对叶绿素生物合成和叶绿体分化的积极影响（Cortleven&Schmülling评论，2015年）。虽然最初的研究调查了CK对诸如离叶和培养烟草组织等系统的影响，但后来的报告集中在其对叶绿体发育和去黄化过程中绿化的影响。例如，虽然用外源CK处理的暗生拟南芥幼苗不会积累叶绿素，但它们确实表现出发育中的光生表型并表现出较大的含有类囊体膜的黄原体（Chory等人，1994年）。后来的研究支持了这些发现，并显示CK处理植物的叶绿体分化加速（Kusnetsov等人，1998年；Cortleven&Schmülling，2015年）。除了影响叶绿体的超微结构外，CK还促进叶绿体分裂。此外，CK通过促进叶绿素生物合成中的几个步骤来加速叶绿素的产生，包括5-氨基乙酰丙酸（ALA，四吡咯生物合成途径的第一步）的形成和原叶绿素向叶绿素的光依赖性转化（Fletcheretal.,1973;Masuda等人,1994;黑田东彦等人，1996；库斯涅佐夫等人，1998年；Yaronskaya等人，2006年；Cortleven&Schmülling，2015年；Cortleven等人，2016年）。这些对CK的反应与大量核和质体编码基因的调节有关，这些基因对叶绿体功能和发育很重要，包括Rubisco的大小亚基和光合作用的光依赖性反应的几个成分（Abdelghani等人）细胞分裂素被组氨酸激酶感知，例如拟南芥组氨酸激酶2和3(AHK2&3)和细胞分裂素反应1/拟南芥组氨酸激酶4(CRE1/AHK4)(Inoueetal.,2001;Suzukietal.,2001)。这些组氨酸激酶将信号转导至以拟南芥组氨酸磷酸转移蛋白(AHP)(Hutchisonetal.,2006)和B型拟南芥反应调节剂(B型ARR)命名的组氨酸磷酸转移蛋白(图5)。B型ARR然后充当转录因子并调节早期CK反应基因（Argyros等人，2008；Ishida等人，2008年）。ARR1、ARR10和ARR12被提议用于调节叶绿素生物合成，因为arr1arr10arr12三重突变体呈淡绿色（Argyros等人，2008年）。现在很清楚ARR10和ARR12直接与叶绿素合成的启动子和光捕获复合基因HEMA1和LHCB6结合，并且在去黄化过程中这些和其他参与叶绿素生物合成的基因的调节依赖于CK受体AHK2和AHK3（Cortleven等人，2016）。除了直接作用于CK信号下游的B型ARR之外，还提出了几种其他转录因子来调节与叶绿体发育相关的基因以响应CK。例如，CK最强烈诱导的基因之一是APETALA2/乙烯反应元件结合因子(AP2/ERF)转录因子。CRF2的过表达加速了叶绿体分裂，并且有人认为这是由质体分裂环PDV2的细胞溶质成分水平增加介导的（Okazaki等人.,2009年）。此外，包括CGA1/GNL和GNC在内的几种GATA转录因子的表达也由CK诱导（Manfield等人，2007；Naito等人，2007；Hudson等人，2011；Bhargava等人，2013；Ranftl等人，2016年）。虽然CGA1/GNL是CK诱导的最敏感的基因之一，但GNC对CK的响应上调不那么明显（Naito等人，2007；Chiang等人）.,2012;Ranftl等人，2016年）。然而，在arr突变等位基因中，CGA1/GNL和GNC的表达均降低（Chiang等人，2012年）。在根中，CK通过以AHK2和HK3依赖性方式诱导GNC、CGA1和GLK2的表达，作为绿化的有效启动子（Kobayashi等人，2012年，2017年；A.Ohnishi等人，2018年））。然而，目前尚不清楚GLK家族在光形态发生过程中是否也对芽中的CK有反应。总之，这些结果表明CK对叶绿体发育和功能的积极影响是由许多转录调节因子介导的，包括B型ARR以及CRF2、CGA1/GNC，可能还有GLK。 

生长素促进老株细胞伸长和控制根、梢绿化

生长素可以以两种不同的方式影响叶绿体占据的细胞比例。首先，它控制细胞扩增，其次它抑制非绿色根组织中的前质体向叶绿体的转变。生长素在控制叶片扩张中的核心作用可能间接影响细胞的叶绿体区室。例如，具有小叶绿体隔室的束鞘等细胞往往比通常充满叶绿体的叶肉大。因此，细胞伸长的延长期与控制每个束鞘细胞的叶绿体隔室的大小有关，尽管事实上这不被认为是叶肉的情况，其中不同大小的细胞既在内部，也在物种之间，维持一个恒定的叶绿体隔室（Pyke，1999）。此外，局部生长素的初始活性及其随后从枝条的输出在叶原基的启动和随后的需要CK的叶片发育中起着中心的开关样作用，这涉及叶肉细胞分化和随后的叶绿体发育（Mohammed等人，2009年）。,2018年）。在枝条和幼苗生长的后期，已经报道了生长素和叶绿体发育之间的联系（图6）。例如，用生长素处理的Solanumlycopersicon（番茄）和Cinnamomumcamphora（樟脑）叶片中的叶绿素含量增加（Khan等人，2019年；Zhou等人，2020年）），并且在茶树（茶）暴露于阴凉后检测到的较高水平的生长素与叶绿素生物合成和叶绿体生物发生基因的表达增加有关（Liuetal.,2020）。在拟南芥中，包括CAB(LHCB1)、LSU和LHCB2在内的29种叶绿体相关蛋白的丰度对生长素处理有反应(Xing&Xue,2012)。在番茄植株中，与野生型相比，AUXINRESPONSEFACTOR10(SlARF10)和SlARF6A的过表达导致叶片叶绿素含量和光合作用速率增加，而SlARF10-RNAi和SlARF6A敲低系的叶绿素较少（Yuanetal.,2018,2019）。令人惊讶的是，SlARF6A与CAB、RbcS和GLK1基因的启动子结合以正向调节它们的表达，从而深入了解生长素如何调控叶片中的叶绿体发育和光合作用（Yuan等人，2019年）。因此，生长素对气生器官叶绿体发育的作用原则上是消极的，但在后期或不同情况下也可能是积极的。 

随着根的发育，前质体分化成非光合淀粉体。但是，如果去除枝条，就会开始叶绿素积累和叶绿体发育。将外源生长素应用于离体根部可抑制叶绿素积累和叶绿体发育，表明生长素可以调节根叶绿体发育，并且去除枝条的绿化效果部分是由于去除了幼芽组织中的生长素来源（Kobayashi等人，2012）。这是由生长素信号蛋白IAA14和生长素响应转录因子ARF7和ARF19控制的，它们抑制参与叶绿体发育的基因，包括GLK2、HY5、GNC/CGA1（Kobayashi等人，2012年，2017年；Richter等人，2013年）。总之，目前的证据表明，生长素可能通过控制细胞分裂和扩张来调节细胞的叶绿体区室，但它也有能力更直接地作用于Cp和PhANGs。然而，大多数研究都集中在生长素和果实叶绿体发育上（Salazar-Iribe&De-la-Peña，2020)强调需要进一步研究该器官中的叶组织和特定细胞类型。

 赤霉素在skotomorphogenesis和photomorphogenesis期间平衡细胞和叶绿体发育

赤霉素通过增加下胚轴伸长和抑制PhANG表达来促进黑暗中的skotomorphogenesis。GA水平降低的幼苗，例如GA生物合成突变体，在黑暗中表现出部分去黄化的表型，诱导光调节光合作用基因包括CAB2和RbcS(Alabadietal.,2004;DeLucasetal.,2008);Feng等人，2008年;Gallego-Bartolome等人，2011）。在skotomorphogenesis和photomorphogenesis期间的大多数GA调制反应与光信号密切相关。这是由DELLA蛋白介导的，DELLA蛋白是GA信号转导的负调节因子，可响应GA被26S蛋白酶体途径降解（Alabadietal.,2004,2008;Archardetal.,2007;DeLucasetal.,2008;Feng等人，2008年；Archard和Genschik，2009年）。表达稳定的GA不敏感DELLA蛋白的突变体在黑暗中生长时显示出与GA生物合成突变体相似的光形态发生表型（Alabadi等人）。.,2004年；德卢卡斯等人，2008年；冯等人，2008年）。当不响应GA而降解时，DELLA蛋白结合并抑制PIF活性（图7）。这可以防止PIF结合和抑制包括多个PhANG在内的靶基因（DeLucas等人，2008；Feng等人，2008）。DELLA蛋白还通过泛素-蛋白酶体途径诱导PIF降解，从而影响PIF稳定性（Lietal.,2016）。简而言之，GA反应是PIF行动的结果，GA导致PIF的负调节器被移除。

在黑暗生长的子叶中，DELLA转录物和蛋白质都积累以诱导类胡萝卜素和叶绿素前体原叶绿素的合成（Cheminant等人，2011年）。DELLA蛋白还可以诱导POR的表达，POR已被提出独立于PIF介导（图7）（Cheminant等人，2011）。在GA水平降低或DELLA蛋白稳定的突变体中诱导色素和POR产生导致子叶黄化叶绿体中原板层体的形成增加（Cheminant等，2011）。与pif突变体不同，由于积累的原叶绿素的毒性、光动力效应，pif突变体在转移到光时表现出严重的光漂白，高水平的POR酶保护GA缺陷突变体免受光氧化损伤。基于这些结果，有人提出DELLA在平衡黄化幼苗中色素的产生和POR水平方面发挥着核心作用，以便在光照下使黄化体快速安全地转化为子叶中完全光合作用的叶绿体（Cheminant等人）。.,2011年）。GA也被证明可以调节GNC和CGA1/GNL的表达。GNC和CGA1/GNL表达受GA负调控，与这一发现一致，GNC和GNL已被证明在DELLA蛋白和PIF的下游起作用，GNC和GNL的启动子序列都是PIF3直接靶向的(Richteretal.,2010)。赤霉素还可以影响细胞叶绿体区室的发育，因为它控制细胞扩增和细胞分裂（Martínez等人，2016年）。缺乏GA生物合成的拟南芥和水稻植株表现出细胞数量和大小的减少，这在整个叶片水平上与叶绿体分裂和总叶绿体数量的减少相吻合（Jiangetal.,2012）。基于这些发现，有人提出GA正向但间接调节叶绿体分裂(Jiangetal.,2012）。这些作者表明，GA对细胞伸长的作用先于叶绿体分裂基因的激活，这与叶绿体分裂是由负责产生恒定叶绿体细胞群的细胞机制激活的观点一致。然而，这种稳态机制并不完全有效——发现拟南芥和水稻中缺乏GA的植物每个叶肉细胞的叶绿体密度增加，叶绿素水平更高，每单位叶面积的光合作用速率增加，反映了深绿色这些变种人的出现。此外，叶肉细胞中的叶绿体显示颗粒堆积增加（Jiangetal.,2012）。总体而言，这些结果表明，GAs在协调单子叶和双子叶叶的叶肉细胞中的细胞和叶绿体发育中很重要。

结论和未来展望

叶绿体和植物发育与光和激素密切相关，通过信号级联控制这两个过程，最终导致发育相关基因和Cp和PhANGs的转录改变（图8；表S1）。由于GLK和GNC/CGA1转录因子的表达受多种激素和光信号通路的调节，它们作为激素和光驱动的叶绿体发育的整合点。因此，这个整合位点是设计具有改良叶绿体发育的植物的合乎逻辑的起点（Wang等人，2017b）。例如，已经进行了几项研究以确定两种玉米GLK的细胞特异性作用是否可以利用基因在水稻中建立类似C4的表型，以提高光合作用和产量。水稻GLK1的过表达增加了愈伤组织、胚芽鞘的束鞘细胞和叶鞘中的叶绿体生物合成(Nakamuraetal.,2009)，但在苗期后不能维持增强的叶绿体发育。相比之下，水稻中玉米G2和GLK1的过表达导致芽的绿化增加，成熟水稻叶片的维管鞘细胞和叶绿体通常不发育的组织中的叶绿体发育持续增强（Wangetal.,2017b）。此外，ZmGLK基因在水稻中的组成型表达增强了叶片叶绿素水平和色素-天线复合物，从而提高了光捕获效率，这可能是由于改善了修复和增加了光合作用以及营养生物量和谷物产量（Lietal.,2020）。同样，CGA1在水稻中的过表达导致叶绿体数量和叶绿素水平增加，从而为改善光合作用的工程作物提供了另一个潜在目标（Hudson等人，2013年；Ermakova等人，2020年；Lee等人，2021年））。调整这些反应，使其发生在特定的发育阶段或特定的环境条件下，很可能会导致光合作用和产量的进一步提高。研究表明GLK和GNC/CGA转录因子是叶绿体发育的主要调节剂，但其他因素必须有助于叶绿体的调节。例如，虽然苍白，但gnccga1glk1glk2四倍体突变体发育出可行的绿色叶绿体（Bastakis等人，2018年；Zubo等人，2018年）)并且尚未确定负责这种绿化的蛋白质。由于GNC和CGA1所属的GATA转录因子家族的几个成员与叶绿体发育、绿化和光形态发生有关，因此它们被认为有助于叶绿体发育的剩余调节。例如，在四个LLM结构域B-GATA的拟南芥突变体研究中，GATA15、GATA16、GATA17和GATA17-LIKE揭示了在促进绿化和下胚轴伸长中的作用（Ranftl等人，2016年）。AtGATA2的过表达在黑暗中引起组成型光形态发生，而抑制在光照和BR缺乏期间减少光形态发生（Luoetal.,2010）。在过表达OsGATA12的水稻中，由于更多的叶绿体数量和更多的叶绿素，增加了叶片的绿色度并延缓了衰老。在这里，OsGATA12被证明可以降低参与叶绿素降解的STAYGREEN等基因的表达（Luetal.,2017）。由于大多数GATA的作用仍不清楚（Behringer&Schwechheimer，2015)它们代表了控制叶绿体成熟的有趣候选者。候选的另一个来源可能在于其他组织（如水果）中的叶绿体发育。例如，GLK相关番茄基因ARABIDOPSISPSEUDORESPONSEREGULATOR2-LIKE(APPR2-Like)的过表达会增加未成熟果实中的叶绿体数量、面积和叶绿素含量(Panetal.,2013)。除了番茄和胡椒的果实之外，该基因的作用还没有被探索过。最近证明，叶绿体增殖、叶绿体蛋白质输入的积累和叶绿体遗传机制（基因组复制、转录和翻译）的增加都可以在叶绿体绿化之前完成。因此，除了前面提到的个别候选基因之外，还应注意识别在绿化之前（在第一个“质体”或“结构建立”阶段）起作用的调节剂对于完成我们对叶绿体发育的理解至关重要。一个限制是缺乏与从一种质体到另一种类型的转变相关的转录组学数据集（例如，从前质体或黄体到叶绿体以及其间的阶段）。另一个限制是这样的转变，例如在早期叶细胞分化期间，与影响细胞的其他过程同时发生，无论它们的光合作用或替代命运如何。这使得很难区分与叶绿体发育特别相关的事件。单细胞分离、测序和显微镜等技术的进步使获取此类数据集成为可能。有了这些数据集，以及目前可用的与激素、光和叶绿体反应相关的数据集，系统方法可用于帮助剖析绿色植物组织中叶绿体发育过程中发生的网络和串扰。测序和显微镜使获取此类数据集成为可能。有了这些数据集，以及目前可用的与激素、光和叶绿体反应相关的数据集，系统方法可用于帮助剖析绿色植物组织中叶绿体发育过程中发生的网络和串扰。测序和显微镜使获取此类数据集成为可能。有了这些数据集，以及目前可用的与激素、光和叶绿体反应相关的数据集，系统方法可用于帮助剖析绿色植物组织中叶绿体发育过程中发生的网络和串扰。本文回顾的工作强调了光和植物激素在叶绿体发育过程中的核心作用，以及这些途径如何通过它们对转录调节因子的控制联系起来。提高对每个组件（转录因子、光和激素）如何控制叶绿体发育的了解无疑是有价值的，但似乎可能需要同时修改网络的多个组件。作为这个复杂系统一部分的节点和连接必须因细胞类型而异，并导致叶绿体数量和功能的细胞类型特异性差异。因此，未来的研究可能会受益于关注组织和细胞特定环境中叶绿体发育的调控，以确定这些网络如何在特定细胞类型中重新连接。

原文链接：

https://doi.org/10.1111/nph.17839