综述：解读质体逆行信号及其在植物发育中的作用

《Current Opinion in Plant Biology》：Deciphering plastid retrograde signals and their roles in plant development

　　这篇综述系统梳理了质体生物发生逆行信号（biogenic retrograde signaling）的最新进展，重点探讨了类胡萝卜素衍生的脱辅基类胡萝卜素（apocarotenoids）作为新型信号分子的潜力。文章深入解析了逆行信号如何通过调控核基因表达（如PhANGs）、表观遗传重塑（chromatin remodeling）及转录因子（如GUN1）等机制，整合质体分化、植物形态建成及环境适应性，为作物改良提供了新视角。

　　

引言

质体是植物和藻类特有的细胞器家族，起源于内共生事件。作为关键的环境传感器和代谢枢纽，质体通过双向通信与细胞核协同工作，整合环境信号与植物发育程序。虽然前向调控（anterograde regulation）已被广泛研究，但源于质体分化的生物发生逆行信号（biogenic retrograde signaling）仍有许多未解之谜。传统研究集中于叶绿体，认为四吡咯（如血红素heme）是关键信号；然而，近年研究发现，类胡萝卜素衍生的脱辅基类胡萝卜素（apocarotenoids），尤其是那些来源于无环cis-胡萝卜烯的分子，正成为新兴的逆行信号。这些信号不仅在胁迫条件下发挥作用，也在正常叶绿体发育转变（如去黄化de-etiolation）中起作用，并可根据上下文充当正或负调控因子。

生物发生逆行信号：冰山一角

大量证据挑战了早期“单一质体因子”的观点，支持一个由多种逆行信号或质体衍生代谢线索组成的复杂网络。这些信号通过特定途径传递至细胞核，调控基因表达。其中，操作性（operational）或降解性（degradational）信号由分化质体产生，传达其生理状态或损伤；而生物发生信号则在质体分化过程中产生，传达其发育状态。这一分类并非绝对，某些信号在两种过程中均起作用。

由于植物的固着特性，它们不断暴露于影响所有质体类型（尤其是叶绿体）功能的生物和非生物胁迫中。光、水分、温度等环境因素以及病原体等生物因素会触发操作性信号通路。利用突变体或破坏叶绿体功能和分化的处理，已成功鉴定出多种逆行信号及其通路。近期研究表明，氧化还原状态、活性氧物种以及代谢物如3′-磷酸腺苷5′-磷酸（PAP）、2-C-甲基-D-赤藓醇2,4-环二磷酸（MEcPP）和类胡萝卜素衍生物（β-环柠檬醛β-cyclocitral和β-紫罗兰酮β-ionone）在信号传递中起关键作用。

关于生物发生信号的基础研究采用了叶绿体生物发生突变体和化学抑制剂。两种广泛使用的抑制剂——硝磺草酮（norflurazon, NFZ）和林可霉素（lincomycin），分别阻断类胡萝卜素合成和质体基因表达（plastid gene expression, PGE）。破坏质体聚合酶（PEP）、翻译因子和蛋白质导入机制的突变体也至关重要。这些研究揭示了叶绿体发育过程中生物发生信号的两个主要来源：四吡咯衍生分子和与PGE相关的信号。这些通路既独立起作用，也根据最新证据协同工作。

实验数据支持某些四吡咯或其中间体在叶绿体生物发生过程中充当正向信号，但由于丰度低、半衰期短，其作用难以确认。主流模型提出血红素作为信号分子，其耗竭会降低PhANGs表达。血红素在生物体信号传递中的普遍作用进一步支持其作为质体信号的功能。尽管目前是支持度最高的生物发生逆行信号，但血红素水平与基因表达之间的直接联系仍不明确，其作为真正信号的地位仍在研究中。

叶绿体生物发生信号的其他组分包括质体定位的五肽重复蛋白GENOMES UNCOUPLED 1（GUN1），它被提议整合操作性和生物发生通路。GUN1结合RNA，与转录、翻译和蛋白质导入机制相互作用，并调控四吡咯生物合成酶，表明其具有多方面的作用，尽管其精确功能仍不清楚。GUN1主要存在于叶绿体生物发生阶段，尤其在去黄化过程中，并被Clp蛋白酶迅速降解。目前尚不清楚GUN1是协调一个统一的信号通路还是一个模块化网络。

几种转录因子也在生物发生逆行信号中发挥重要作用。GOLDEN-LIKE和GATA、NITRATE-INDUCIBLE、CARBON-METABOLISM-INVOLVED（GNC）整合质体衍生信号与环境线索，调控叶绿体生物发生，这一作用在陆地植物中是保守的。乙烯响应转录因子番茄乙烯响应因子1（Tomato Ethylene Response Factor 1）在NFZ扰动质体后，调控与光合作用和胁迫相关的核基因，将叶绿体状态与乙烯信号联系起来。

其他调控因子已成为生物发生通路的一部分。在猴面花中，四肽重复蛋白RCP2通过调控核编码的类胡萝卜素生物合成基因促进有色体（chromoplast）分化，协调质体分化与代谢输出。双靶向蛋白NUCLEAR CONTROL OF PEP ACTIVITY（NCP）通过将质体中的PEP活性与光敏色素信号联系起来，同步暗到光的转变。这种光诱导的长NCP亚型保留叶绿体靶向肽，定位于质体以促进PEP复合物的组装，其反向易位至细胞核则触发叶绿体生物发生的核重编程。

新的潜在生物发生信号

尽管在理解叶绿体生物发生过程中的生物发生逆行信号方面取得了进展，但我们的知识仍然零散。阐明这些调控网络对于揭示在不同发育和环境条件下质体与细胞核通讯的复杂性至关重要。关键空白包括介导信号的特性、是否存在额外的生物发生通路以及新型分子和生化组分的表征。

禾本科植物的近期研究表明，叶绿体分化通过顺序步骤进行，产生多个连续的生物发生信号，而非单一信号。这些信号被提议作为发育“检查点”，调控核基因表达。未能产生或终止这些信号会导致质体发育停滞在特定阶段。例如，破坏PEP活性会引起核重编程，强烈下调PhANGs，同时上调早期分化基因，如核编码聚合酶（NEP）。

有趣的是，林可霉素在光形态建成过程中诱导的逆行信号通过一个不依赖于GUN1的通路发生，该通路抑制光诱导的发育。这种反应稳定了转录因子EIN3，揭示了质体与乙烯信号通路之间的第二个功能联系，并支持在质体分化过程中存在替代性逆行通路。

关于生物发生信号，有几个因素值得考虑。虽然主流模型表明它们主要作为核基因表达的正调控因子，但一些证据也指向其抑制性作用。这些信号可能不仅来源于受损质体，也可以在正常质体转变过程中瞬时产生，或由特定质体类型响应发育和环境线索（光、温度）而产生——如在去黄化过程中观察到的黄化体（etioplast）向叶绿体的转化。

大多数关于生物发生信号的研究都集中在叶绿体上，因为它们数量丰富且发育重要。然而，叶绿体只是质体的一种类型。其他质体可能拥有独特的、 largely unexplored 的生物发生信号通路。虽然某些元件可能是保守的，但其他元件可能具有质体特异性。要推进我们对质体-细胞核通讯的理解，需要超越叶绿体，利用创新的筛选策略并研究不同的信号来源。

类胡萝卜素作为潜在的逆行信号

一个新兴的潜在逆行信号来源是类胡萝卜素及其降解产物，即脱辅基类胡萝卜素（apocarotenoids）。与四吡咯类似，类胡萝卜素是一个多样化的色素家族，仅在质体（包括非光合类型）中合成，并发挥多种功能。由于其共轭双键，类胡萝卜素对代谢和环境线索引起的氧化和异构化高度敏感，从而产生广泛的类胡萝卜素和脱辅基类胡萝卜素衍生物。

脱辅基类胡萝卜素通过酶促或非酶促裂解产生。酶促裂解由类胡萝卜素裂解双加氧酶（carotenoid cleavage dioxygenases, CCDs）家族介导，该家族包括两个亚家族：CCDs和9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶（9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase enzymes, NCEDs）。NCEDs特异性靶向并裂解叶黄素以产生脱落酸（abscisic acid, ABA）前体，而CCDs裂解更广泛的类胡萝卜素以产生一系列脱辅基类胡萝卜素。CCD依赖性裂解靶向类胡萝卜素骨架中的特定双键，而活性氧（ROS）的非酶促裂解则是随机的，增加了脱辅基类胡萝卜素产物的多样性。与类胡萝卜素不同，脱辅基类胡萝卜素相对较小且通常更易溶，便于膜扩散或蛋白质辅助运输。它们代表了一类多样化、进化上保守的信号和激素分子，参与发育和胁迫响应，包括ABA、独脚金内酯（strigolactones）、β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮和视黄醛（retinal），每一种都能重编程核基因表达。

有趣的是，虽然细菌和真菌使用单一多功能酶（类胡萝卜素异构酶，CRTI）将15-cis-八氢番茄红素转化为all-trans-番茄红素，但所有植物都需要四种酶来进行六个酶促反应；两种去饱和酶（八氢番茄红素去饱和酶 [PDS] 和 ζ-胡萝卜素去饱和酶 [ZDS]）和两种异构酶（ζ-胡萝卜素异构酶 [Z-ISO] 和类胡萝卜素异构酶 [CRTISO]）。PDS和ZDS的加入支持了植物的光合需求。在这种情况下，PDS通过与质体末端氧化酶（plastid terminal oxidase, PTOX）协调，通过质体醌（plastoquinone, PQ）池帮助耗散多余的光合电子，从而实现时空调控。这些额外的酶促步骤可能通过积累各种无环cis-胡萝卜烯及其脱辅基类胡萝卜素衍生物提供了进化优势，这些衍生物根据环境线索和发育需求或通路通量缺陷动态地相互转换。这些无环cis-胡萝卜烯和脱辅基类胡萝卜素衍生产物是否具有信号功能是一个有趣的可能性。

突变体表征显示了源自cis-胡萝卜烯的脱辅基类胡萝卜素的潜在信号作用。在缺陷于CRTISO的carotenoid chloroplast regulation2（ccr2）突变体中，积累了一种未鉴定的、来源于二-cis-ζ-胡萝卜素或三-cis-链孢红素的脱辅基类胡萝卜素，它破坏了黄化体中的原片层体（prolamellar body）形成，损害了幼苗的光形态建成。这些cis-胡萝卜烯是一种脱辅基类胡萝卜素信号（apocarotenoid signal, ACS）的前体，该信号在黑暗中积累，并通过调控关键的光相关转录因子如PIF3和HY5，从而改变核光形态建成基因表达（包括PhANGs），来调控从暗形态建成到光形态建成转变过程中的叶绿体分化。降低八氢番茄红素合酶（PSY）的活性——类胡萝卜素生物合成的限速步骤——会减少这种cis-胡萝卜烯衍生的脱辅基类胡萝卜素信号，支持PSY在暗形态建成到光形态建成转变过程中微调脱辅基类胡萝卜素信号和质体生物发生。

另一个质体衍生逆行信号的候选者是在chloroplast biogenesis5（clb5）和spontaneous cell death1-2（spc1-2）突变体中鉴定出来的，两者都缺失ZDS活性。这些突变体将质体发育停滞在接近前质体（proplastid）的阶段，并表现出严重的叶片异常，包括针状形态和改变的细胞身份。长期的碳补充使clb5能够将茎顶端分生组织重编程为花分生组织。遗传和生化分析表明，这些表型是由于一种称为脱辅基类胡萝卜素信号1（Apocarotenoid Signal 1, ACS1）的脱辅基类胡萝卜素的过度积累造成的，ACS1来源于六氢番茄红素（phytofluene）和/或ζ-胡萝卜素，通过CCD4双加氧酶的酶促裂解和活性氧（ROS）的非酶促裂解产生。然而，由于ACS1丰度低，以及clb5-1突变体中积累的前所未有的新型ζ-胡萝卜素立体异构体（潜在的ACS1前体）的多样性，其精确身份仍未解决。确定ACS1的结构对于确立它是直接还是间接作为逆行信号至关重要。

ACS1改变了数千个核基因的表达，特别是质体相关转录本如PhANGs和叶绿体核糖体蛋白，损害了质体翻译。林可霉素诱导的质体翻译抑制模拟了zds突变体的叶片表型。此外，ACS1抑制核编码的叶绿体核糖体基因，导致叶片发育缺陷，并突出了其在质体逆行信号中的潜在作用。clb5叶片表型在gun1突变体背景下部分恢复，进一步将ACS1与质体翻译逆行信号联系起来。

然而，与典型的质体翻译或转录突变体不同，ACS1积累不会触发典型的Δrpo补偿反应（其特征是NEP驱动的质体基因和质体看家基因（包括NEP本身）的上调）。相反，clb5表现出NEP依赖性转录本和NEP本身的抑制。根据提出阶段特异性 distinct 逆行信号的模型，clb5的转录谱暗示了一种类似于前质体的质体状态，可能类似于作为分化储备的白色体（eoplast），可能影响多种质体类型。

通过NFZ处理、CCD4突变或低光条件降低ACS1水平，可恢复质体翻译基因的核基因表达，表明向后期质体发育阶段的进展。ACS1是直接阻断质体分化还是激活前质体特异性程序，仍是一个悬而未决的问题。除了质体调控，ACS1积累还破坏了更广泛的发育过程，包括分生组织细胞身份和根尖模式。clb5中的许多差异表达基因（DEGs）参与叶、根和花发育以及生长素相关激素信号传导。ACS1改变了生长素PIN1转运蛋白的表达以及叶原基和根尖中的生长素分布，这些缺陷在低光下可逆。ACS1过度积累还导致茎顶端分生组织转变为决定性花分生组织，伴随转录变化，包括SEP3的上调。

ACS1的生理作用进一步得到缺乏ACS1积累的番茄转基因系（由于组成型ZDS过表达）的支持。这些植物表现出显著增加的花序复杂性，表明ACS1的功能在双子叶植物中是保守的。总之，这些发现表明ACS1影响光合组织以外的多种发育过程，强调了其对植物生长和形态的广泛影响。

结论与未来方向

通过生物发生逆行信号进行的质体-细胞核通讯对于协调质体分化与植物发育和适应性至关重要。质体分化是一个动态的多步骤过程，近期发现支持存在连续的、状态特异性的信号作为发育检查点，调控关键的发育转变，并与核基因表达相协调。

生物发生信号通路涉及多种组分，这些组分调控基因表达、染色质状态和蛋白质稳定性。然而，大多数组分仍未确定，特别是逆行信号的性质和特性。代谢衍生物如四吡咯血红素和类胡萝卜素衍生的脱辅基类胡萝卜素（包括β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮、视黄醛、ACS和ACS1）例证了质体衍生代谢物如何有潜力微调质体生物发生并调控植物发育的基本方面。

本综述强调了源自顺式胡萝卜烯的脱辅基类胡萝卜素作为质体生物发生相关逆行信号的候选者。以clb5突变体为例的脱辅基类胡萝卜素的结构多样性，以及它们影响的广泛转录网络，暗示了发现新信号的巨大潜力。尽管迄今为止的研究主要集中在叶绿体上，但新兴证据指向其他质体类型（如有色体和前质体）中存在独特的逆行信号通路，这些通路 largely unexplored。

未来的工作应旨在识别新的生物发生信号，并阐明其化学性质、生物合成起源和动力学。需要破译其转导机制，包括它们如何整合到表观遗传调控中。研究不同质体类型和发育阶段的逆行信号将有助于揭示共享和独特的信号通路。最后，探索逆行信号、激素和环境信号网络之间的交叉对话，不仅将增进我们对植物细胞生物学的认识，还将为作物改良提供强大工具，以增强韧性、发育和生产力。