光合作用是植物生长的重要过程,植物通过光合作用固碳、制氧维持着地球的环境条件。叶绿体是植物细胞特有的细胞器，在进行光合作用方面发挥着重要作用，其中叶绿体的生物发生和发育由光合作用相关质体基因（PhAPGs）和光合作用相关核基因（PhANG）的决定。以往研究发现，油菜素类固醇（BRs）作为植物类固醇激素，不仅对植物生长至关重要，而且对叶绿体的发育也有重大影响。然而，在叶绿体发育中BR信号转导的详细分子机制仍不清楚。2024年1月8号，Nature Communications在线发表了题为“BPG4 regulates chloroplast development and homeostasis by suppressing GLK transcription factors and involving light and brassinosteroid signaling”的研究论文，确定了叶绿体发育调节因子BPG4参与BR信号传导，表明BPG4作为叶绿体稳态因子，可以微调PhANG的表达、优化叶绿体发育和避免ROS的产生。
为了阐明BR信号转导的机制，研究人员合成了Brz作为BR生物合成的特异性抑制剂，使用Brz筛选了大约10,000个拟南芥全长cDNA超表达（Full-length cDNA over-expressing，FOX）转基因系，并分离出一种功能获得性突变体bpg4-1D。bpg4-1D突变体的子叶颜色比在光照下生长的WT植株的子叶颜色更浅，其内源叶绿素含量约为野生型植株的60%。BPG4是bpg4-1D的因果基因，似乎在BR信号调控叶绿体中具有重要功能。研究发现BPG4过表达的植株中叶绿体发育和叶绿素含量被抑制，但在BPG4敲除突变体中叶绿素含量增加，即BPG4具有降低植物内源叶绿素含量的功能。亚细胞定位显示BPG4定位于细胞核中，推断其可能参与调节细胞核中PhANG的表达。通过对野生型、BPG4敲除植株和BPG4过表达植株中的14个光合作用相关基因进行qRT-PCR分析发现，BPG4确实抑制细胞核中PhANGs的表达。酵母双杂，CoIP等实验发现BPG4与GLK1和GLK2的存在互作，即BPG4与GLKs的相互作用抑制了GLKs的DNA结合活性，降低了细胞核中叶绿素生物合成相关基因和LHC等PhANGs基因的表达并导致叶绿体中叶绿素合成减少。
由于bpg4-1D突变体即使在有Brz（抑制BR合成）的情况下，子叶表型仍为淡绿色，因此BPG4被认为在BR信号传导中起重要作用。为揭示BPG4与BR信号转导的关系，分析了Brz处理对BPG4表达和BPG4蛋白在光照下积累的影响，结果发现BR信号转导主转录因子BES1通过与BPG4启动子区域结合抑制BPG4的表达。此外，BPG4在光诱导的光合组织中特异性表达并随着昼夜节律而明显改变。先前的转录组数据表明，HY5和PIF是调节BPG4表达的潜在基因，由于HY5和PIF都是光信号转导中的关键转录因子，因此光激活BPG4表达可能是由HY5和PIF直接调控的。因此，HY5、PIF和BES1等多种转录因子协调调控促进BPG4的表达随昼夜节律动态变化。
植物中的ROS主要在叶绿体中产生，当植物的光能过剩时，过度的光能吸收会触发ROS的产生对植物造成严重损害，这一现象被称为光抑制。最近的研究表明，GLKs过度活化会加速ROS的产生并导致光抑制和细胞死亡。在这项研究中，作者检测了突变体和过表达材料在过度光照条件下的光合活性和ROS含量，发现BPG4的缺乏导致ROS生成增加和光合活性（Fv/Fm）降低，而BPG4过表达则有助于避免ROS的产生和光抑制。这些结果表明，BPG4通过GLKs负调控叶绿体发育以防止ROS的产生，并维持叶绿体中足够的光合作用。BPG4的表达是由光和BR缺乏诱导的，与GLK激活相吻合，但BPG4的功能却是抑制GLK活性和叶绿体发育。因此，光和BR信号转导对BPG4表达的调节似乎与BPG4在叶绿体调节中的功能存在矛盾。在没有BPG4（BPG4敲除突变体）的情况下，光和BR缺乏过度激活GLKs，PhANGs的表达，由于GLKs对PhANGs的过度转录可能导致ROS的生成增加，对植物产生毒性。因此，在环境胁迫条件下（例如强光）下，ROS的产生和过度光能吸收引起的光抑制比在野生型中更强烈。在BPG4过表达植株中，BPG4蛋白的大量积累抑制了GLK的转录活性，导致PhANG表达降低进而抑制了叶绿体发育。因此，在强光条件下，光能会被适度吸收从而减少ROS的产生并防止光抑制。BPG4 mRNA表达和蛋白功能在叶绿体发育中的矛盾，对微调PhANGs的表达、避免ROS的产生、维持叶绿体稳态等具有重要作用。本文对BPG4分子功能的研究，不仅有助于理解叶绿体发育的未知调控机制，而且未来可能应用于作物分子育种来提高籽粒产量或增强抗逆性。
