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光呼吸是一个复杂的代谢过程，其关键酶促步骤分布在五个亚细胞器，氨基酸代谢是各个细胞器之间的重要纽带。拟南芥和水稻ER-ANT1功能缺失突变体表现出典型的光呼吸表型，在自然条件下生长迟缓甚至致死，但在高CO₂条件下得以生存。然而，ER-ANT1在光呼吸和氨基酸代谢中的作用尚不清楚。

近日，JN江南官方联合广西壮族自治区农业科学院、广东省农业科学院和华南农业大学在The Crop Journal在线发表了题为“Endoplasmic reticulum adenylate transporter activity affects amino acid metabolism under photorespiratory conditions”的研究论文，本研究对水稻er-ant1突变体在自然条件（光呼吸条件）、高CO₂条件下（非光呼吸条件）以及从高CO₂水平向自然条件过渡过程中的游离氨基酸进行了全面的代谢分析。本研究阐明了ER-ANT1调节光呼吸氨基酸代谢的分子生理机制，为依赖于光呼吸的能量代谢途径提供了新见解。

水稻er-ant1突变体生长迟缓，氨基酸代谢异常，但在高二氧化碳条件下（1.5% CO₂）突变体大多数氨基酸含量与野生型并无显著差异（图1）。为了更好地了解er-ant1突变体光呼吸表型相关的代谢变化，作者检测了在高二氧化碳条件下生长，然后转移到自然条件下（~0.4% CO₂），其叶片的游离氨基酸含量。野生型和er-ant1在0 h时的游离氨基酸总含量相似。然而，转移到自然条件后，野生型和er-ant1叶片的氨基酸含量发生了不同的变化。其中，谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）和丙氨酸（Ala）含量减少；丝氨酸水平初期降低，而一周后丝氨酸积累（图2）。丙氨酸:乙醛酸氨基转移酶AGAT是甘氨酸合成途径的关键酶，可催化丙氨酸到甘氨酸的转化。AGAT1是一个内质网定位蛋白，在er-ant1突变体中表现出更高的活性，这可能是丙氨酸水平降低，甘氨酸（Gly）大量积累的原因（图2）。

图1 野生型和突变体er-ant1植株表型及其叶片氨基酸含量

来自光呼吸的甘氨酸是叶片中NADH的主要来源。作者测定了野生型和er-ant1在CO₂转换过程中NAD⁺和NADH的丰度，结果表明在高CO₂条件下，野生型和er-ant1之间NADH无差异，而er-ant1突变体的NAD⁺比野生型低。转移到自然条件后，野生型NADH升高，而er-ant1突变体中更高；野生型中NAD⁺含量增加，而er-ant1突变体中NAD⁺几乎无变化（图3），这说明在er-ant1突变体中NAD⁺代谢模式发生改变。上述结果表明，ER-ANT1缺乏影响NAD⁺代谢，导致NADH/NAD⁺比值升高。

图2 不同光呼吸条件下野生型与er-ant1突变体游离氨基酸含量的比较

图3 野生型和er-ant1型植物在CO₂转化过程中NAD⁺和NADH含量的变化

作者提出了一个ER-ANT1影响光呼吸过程中氨基酸代谢的模型（图4）。光呼吸代谢涉及各个氨基酸在不同细胞器中的产生和运输。甘氨酸在过氧化物酶体中由丙氨酸/谷氨酸：乙醛酸氨基转移酶合成，随后转移到线粒体。在线粒体中，甘氨酸被氧化为丝氨酸、NADH和其他化合物；其中NADH参与线粒体氧化磷酸化，产生ATP。这些来自线粒体的ATP经ER-ANT1转运到内质网。ER-ANT1功能丧失引起氧化磷酸化解偶联，导致NAD+降低，NADH/NAD+比值升高，从而抑制甘氨酸脱羧酶复合物（GDC）活性。ER-ANT1缺失阻碍了植物的光呼吸代谢，限制了ATP转运及利用，暗示植物中可能存在依赖于光呼吸的能量代谢途径；ER-ANT1缺失引起NADH/NAD+比值增加，导致GDC活性降低，甘氨酸分解受阻，从而减少了丝氨酸等下游代谢产物。上游底物丙氨酸和谷氨酸没有增加，表明ER-ANT1缺乏不影响过氧化物酶体中甘氨酸的合成。

图4 光呼吸过程中能量代谢、NADH/NAD⁺比值、PLP合成和氨基酸代谢之间的相互作用

农业与生物工程学院的李洁铌和宋雨昕为该文共同第一作者，张向前教授为通讯作者，广东省农业科学院栾鑫副研究员和华南农业大学已毕业博士研究生苟亚军、广西农业科学院张月雄和秦钢研究员参与了相关研究。该研究得到国家自然科学基金项目(31671594)和广东省基础与应用基础研究基金(2024A1515011098, 2021A1515012482)的资助。

The Crop Journal 是中国科协主管，中国作物学会、中国农业科学院作物科学研究所和中国科技出版传媒股份有限公司共同主办的学术期刊，2023年的SCI影响因子为6.0，在JCR农学和植物学两个学科位于Q1区，并位列中科院分区农林类期刊一区。

稿件来源：农业与生物工程学院

通讯员：张向前