维生素C，又称抗坏血酸，是人类所需的重要抗氧化物质。然而，由于人体无法自行合成，必须从饮食中获取，植物制品是主要来源。维生素C对于植物而言同样至关重要，可以作为抗氧化剂来消除产生于生物和非生物压力下的活性氧自由基。尽管植物维生素C的生物合成途径已经被深入研究，但其调控机制仍未完全解析。其中，光作为植物生命的必需因素，对维生素C的合成和积累具有重要影响，但其具体机制一直未知。那么，究竟是什么因素控制植物中维生素C的生物合成，特别是在果实中的积累呢？近日法国波尔多大学Pierre Baldet课题组在The Plant Cell期刊上发表了题为Blue light promotes ascorbate synthesis by deactivating the PAS/LOV photoreceptor that inhibits GDP-L-galactose phosphorylase的研究论文，揭示了植物利用蓝光调控维生素C生物合成的机制，为改善植物的抗逆能力和果实品质提供了新思路。

研究人员通过研究番茄突变体，发现光照是调节植物维生素C代谢的重要因素。在突变体中可产生富含维生素C的果实，通过基因组定位分析，确定了一个光感受器的隐性遗传敲除突变位点（PAS/LOV蛋白，PLP）。

图1. 富含抗坏血酸的果实的基因定位

图2. PAS/LOV基因参与调节发育中的果实和番茄器官中的抗坏血酸含量

通过使用CRISPR/Cas9技术在野生型中产生了plp突变体以验证其作为抑制抗坏血酸生物合成的负调节因子的功能。与野生型相比，PLP基因敲除突变体在整个植株水平上没有明显的形态和生理变化。但是在果实发育过程中以及所有番茄植物器官中进行抗坏血酸测定，结果显示突变体的果实中抗坏血酸含量比野生型更高，其中高峰值出现在12天后，之后在成熟期初期（Breaker阶段）差距逐渐缩小，但在成熟期又再次增加。研究比较了突变体和野生型在白天和黑夜周期内抗坏血酸含量的变化趋势以及PLP和GGP1的表达量。结果显示，尽管突变体中抗坏血酸水平始终较高，但白天和黑夜抗坏血酸含量的日变化趋势与野生型相同。GGP1的mRNA表达量在白天降低，在夜间增加，日出前2小时达到峰值。有趣的是，PLP mRNA也在夜间的4小时达到峰值。然而，白天时PLP转录本水平低于GGP1，同时PLP转录本水平在突变体中显著低于野生型。

图3. plp突变体和WT植物的抗坏血酸和GDP-L-半乳糖磷酸酶以及PAS/LOV mRNA在一个昼夜周期内的变化

图4. PAS/LOV和GDP-L-半乳糖磷酸化酶的亚细胞定位及其相互作用

进一步的实验表明，PLP与维生素C合成中的控制步骤——GDP-L-半乳糖激酶（GGP）的两种异构体相互作用，从而抑制了维生素C的合成。这种相互作用在细胞质和细胞核中发生，但当PLP被截短时，相互作用被抑制。通过对野生型和plp突变体的蓝光、红光、白光以及黑暗等不同光照条件下的抗坏血酸含量进行分析，发现蓝光可以通过对PLP的抑制作用来促进抗坏血酸的积累。

图5. 光照对WT和plp突变体叶片在日-夜周期中抗坏血酸代谢的影响

图6 PAS/LOV对GDP-L-半乳糖磷酸酶的体外抑制作用以及蓝光对PAS/LOV的影响

抗坏血酸对人类健康和植物抗逆性具有重要作用，研究植物中的抗坏血酸代谢具有重要的农业和经济意义。在本研究中，通过鉴定导致 EMS Micro-Tom 突变体抗坏血酸含量增加2-4倍的突变位点，作者确定了抗坏血酸代谢调节的一个主要调控基因。将 PLP 定义为抗坏血酸生物合成的负调节因子，证实 PLP 与 GGP 蛋白的相互作用，研究表明这种相互作用导致 GGP 的活性受到抑制，而蓝光抵消了这种抑制作用。为研究光对维生素C合成的影响提供了新的思路，有望促进和改善栽培作物的营养品质和增强其抵御环境压力的能力。

文章来源：植物生物技术Pbj