核酮糖-1,5-二磷酸羧化/加氧酶（Rubisco）兼具羧化酶与加氧酶活性。其加氧反应会生成3-磷酸甘油酸和2-磷酸乙醇酸（2-PG），后者可抑制卡尔文循环中的多种酶，从而影响植物的光合碳固定。光呼吸始于对2-PG的代谢，其第一步反应由磷酸乙醇酸磷酸酶（PGLP）催化。光呼吸循环最终将2-PG转化为3-磷酸甘油酸。这一途径具有重要生理功能：一方面，它能代谢有毒物质2-PG并回收有机碳，保障植物在有氧条件下的正常光合作用；另一方面，可通过消耗多余能量与还原力，帮助植物在逆境中维持光合作用并增强抗逆性。当环境发生变化时（如由暗转光或遭遇高光胁迫），光呼吸速率会显著上升，这是植物适应环境的重要机制。然而，光呼吸代谢如何快速响应环境变化的分子机理尚不完全明确。
近日，华南农业大学彭新湘/朱国辉团队在植物学TOP期刊Journal of Integrative Plant Biology（五年影响因子10.8）上发表了题为“Redox modulation of PGLP1 oligomerization mediated by thioredoxinf is crucial for plant responses to high light and fluctuating light”的研究论文。该研究揭示了PGLP1作为硫氧还蛋白f（Trxf）的作用靶点，能够通过氧化还原依赖的寡聚化状态转变来响应光环境变化，从而实现对光呼吸代谢的精细调控。
研究表明，拟南芥PGLP的酶活性受氧化还原状态严格调控，光照或还原条件可迅速激活其活性，而黑暗或氧化条件则会抑制其活性。生化分析显示，光暗变化会影响PGLP1的寡聚状态：暗处理促进其形成低活性寡聚体，光照则促使它解聚为高活性二聚体。体内外实验进一步表明，PGLP1第320位半胱氨酸（Cys320）是氧化还原调控的关键位点；该位点突变（C320S）会减少氧化或光照条件下PGLP1寡聚体的形成。研究还发现，叶绿体硫氧还蛋白Trxf（包括Trxf1和Trxf2）能与PGLP1直接互作。在暗转光过程中，与野生型相比，trxf突变体中PGLP1寡聚体丰度更高、酶活更低，说明Trxf参与介导了光依赖的PGLP激活。
此外，研究鉴定到一个拟南芥PGLP1弱表型等位突变体pglp1-2。在该突变体中回补由其自身启动子驱动的野生型PGLP1（Compl-WT）或Cys320突变体PGLP1（Compl-C320S），发现Compl-C320S株系的PGLP活性较高，在强光或波动光条件下表现出更高的光呼吸速率与光合效率，以及更强的逆境耐受能力。这表明提高PGLP活性可优化光呼吸代谢，从而增强植物对高光等环境胁迫的适应性。
图1 PGLP1氧化还原修饰及其调节光呼吸与植物环境适应性
已有研究显示，光依赖的蛋白质氧化还原修饰可精细调控光合电子传递、卡尔文循环、ATP和叶绿素合成等多个光合相关过程。本研究揭示了一种由Trx介导的光依赖型PGLP1氧化还原调控新机制（图1），将光呼吸整合到植物响应光环境变化的整体代谢网络中。该机制有助于保障叶绿体内多种代谢过程的协同进行与能量的有效利用。研究结果也为通过遗传改良光呼吸关键酶、提高作物光能利用效率提供了新思路。
华南农业大学生命科学学院博士后席悦、博士生黎光儒和已毕业硕士生彭秋妃为论文共同第一作者，朱国辉教授为论文通讯作者。彭新湘研究员和张智胜副研究员参与指导了本研究。研究得到了国家自然科学基金、生物育种国家科技重大专项和中国博士后科学基金的资助。
相关论文链接：https://doi.org/10.1111/jipb.70152
文图/生命科学学院
