2023年6月27日，我院謝國生教授團隊在《New Phytologist》發表了OsFBN7-OsKAS I module promotes formation of plastoglobules clusters in rice chloroplasts”的研究論文。該研究揭示了原纖維蛋白家族成員OsFBN7與葉綠體中脂肪酸從頭合成關鍵酶OsKAS Ia/Ib互作，提高後者的酶蛋白豐度和穩定性，從而顯著提高葉綠體中半乳糖脂（MGDG和DGGD）含量。最終，在水稻葉片葉綠體中促進葡萄串狀質體小球（Plastoglobule，PG）的形成。該研究揭示了OsFBN7-OsKAS I模塊在水稻葉綠體中半乳糖脂促進PG形成新機制中的作用。

在葉綠體中，質體小球是由類囊體外膜劇烈起泡或發芽形成的，并附着在類囊體膜外部上的球狀脂質體。其成分包括，定位于其核心的中性脂類（質體醌、維生素 E、維生素 K1）、脂肪酸葉醇酯類，以及位于其外層的半乳糖脂（MGDG、DGDG）和脂類結合蛋白（如豐度最高的原纖維蛋白（Fibrillins, FBN）家族，占PG蛋白總量的~53%）。PG是高等植物質體中廣泛存在的一種亞細胞器，主要參與了質體代謝、質體發育轉換和環境适應。然而，半乳糖脂在質體小球形成中的作用機制還未見報道。

本研究以水稻葉片為對象，鑒定了OsFBN7等5個PG核心蛋白在水稻葉綠體中的亞細胞定位（圖1）。首次發現：在水稻整個生育期（苗期、開花期和灌漿期），OsFBN7超表達導緻葉綠體中PG數量劇增、直徑變小，促進了PG的成簇分布（圖2）。利用酵母雙雜交文庫篩選到一個與OsFBN7互作的蛋白OsKAS Ib（β-脂酰-ACP-合酶 I），它是葉綠體脂肪酸從頭合成途徑中C4:0-ACP 向C16:0-ACP 碳鍊延伸過程中的關鍵酶。進一步檢測OsFBN7與OsKAS家族其他成員(OsKAS Ia、OsKAS IIa、OsKAS IIb和OsKAS III)互作時，發現OsFBN7與OsKASI（OsKAS Ia和OsKAS Ib）發生特異性蛋白互作（圖3）。

圖1質體小球核心蛋白定位　　　　圖2水稻劍葉不同時期透射電鏡下質體小球

圖3 OsFBN7與OsKAS Ia和OsKAS Ib互作

分子遺傳和生理生化實驗鑒定表明，在水稻穩定轉化體系和煙草瞬間轉化體系中均檢測到OsFBN7能夠顯著提高OsKAS Ia/Ib的蛋白豐度（圖4）；體外蛋白熱穩定性實驗表明，OsFBN7能夠顯著提高OsKAS Ia/Ib蛋白的熱穩定性（圖５）。這些結果揭示了OsFBN7調控OsKAS Ia/Ib活性的新機制。這是在水稻中的首次報道。

圖4 OsFBN7提高OsKAS I蛋白豐度　　 圖5 OsFBN7提高OsKAS I蛋白穩定性

進一步，苗期RNA-seq檢測表明，超表達OsFBN7能夠顯著上調脂肪酸去飽和相關基因（OsSAD2，OsFAB2-5）、二酰甘油合成相關基因(OsPAP1)和MGDG合成關鍵基因（OsMGD2）的轉錄水平；開花期劍葉脂質組學檢測表明，超表達OsFBN7能夠顯著提高磷脂酸（PA），二酰甘油（DAG），單半乳糖甘油二酯（MGDG）和雙半乳糖甘油二酯（DGDG）含量（圖6）。

圖6水稻葉片脂質含量

綜上所述，本研究揭示了OsFBN7通過與OsKAS Ia和OsKAS Ib分别互作，提高了後者的活性和穩定性，促進了脂肪酸的從頭生物合成，顯著提高了葉綠體中半乳糖脂合成中間産物PA和DAG的含量，最終顯著提高葉綠體中主要糖脂（MGDG，DGDG）含量。其結果是，大量的MGDG和DGDG被運送至高MGDG/DGDG比率的類囊體膜上，緻使類囊體外膜脂質片層快速劇烈起泡形成小而多的初級PG。随後，發生二次起泡過程産生更多的小PG。OsFBN7存在于PG的表面，提供了蛋白塗層（protein coating）防止PG的聚集與融合。這樣，大量的小PG相互靠近、形成了葡萄串狀的質體小球簇（圖7）。

 圖7 OsFBN7-OsKAS I模塊在水稻葉綠體中促進PG形成新機制模式圖

本論文揭示了OsFBN7在葉綠體中調控OsKAS I蛋白穩定性和活性的新機制，為今後闡明水稻等禾谷類作物種子中脂類代謝及澱粉品質形成中的作用機制及其育種應用提供了新基因資源和新方法。

謝國生教授團隊已畢業的李佳佳博士和在讀博士生孔冬豔為論文共同第一作者，謝國生教授和華中師範大學張征鋒副教授為通訊作者，李強教授、肖本澤副教授、納沙泰爾大學Felix Kessler教授也參與了該研究。

原文鍊接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19081

供稿： 孔冬豔

審核：謝國生