李家洋，博士，植物分子遗传学家，中国科学院院士、发展中国家科学院院士、美国国家科学院外籍院士、德国科学院院士，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员、博士生导师 。

叶绿体和线粒体是细胞进行氧化还原反应的两个重要细胞器，这些氧化还原反应支撑着细胞的能量代谢，当氧气被部分还原时，便会生成ROS（活性氧）。ROS信号传递使细胞对其产生响应，从而使细胞调节自身以适应氧化还原态的变化。之前有研究认为苹果酸阀(malate valve)能够释放叶绿体中过量的还原当量，但缺少NADP-依赖的苹果酸脱氢酶这一关键酶的突变体却并未出现叶绿体功能受损，暗示替代途径的存在。近期的拟南芥研究揭示了叶绿体可利用NAD-依赖的苹果酸脱氢酶运出还原力，即叶绿体NADH可被用于生成苹果酸，随后苹果酸被转运至线粒体，经氧化后重新生成NADH，线粒体NADH可为线粒体电子传递链提供电子，在电子传递过程中发生电子渗漏，导致产生线粒体ROS (mROS)，mROS能够激活信号转导途径从而调节能量代谢，在某些情况下则能够引发程序性细胞死亡(PCD)。

近日，李家洋院士携中国科学院遗传与发育生物学研究所、中国科学院大学及澳大利亚塔斯马尼亚大学研究人员在Cell Press细胞出版社旗下期刊Trends in Plant Science上发表观点综述文章(Opinion)，该文章认为从叶绿体到线粒体的(chloroplast to mitochondrion, CTM)苹果酸转运系统与叶绿体氧化还原应激相关，并提议以“苹果酸循环(malate circulation)”来描述此种还原当量(reducing equivalents)的再分配对细胞内能量稳态的调节，并从九个方面对其进行了系统阐述。

1. 调控叶绿体还原力所面临的挑战

由于光合作用的电子传递反应将产生整个细胞中同化及生物合成所需的所有还原当量，叶绿体被认为是ROS的主要生成细胞器。而ROS的生成会触发氧化信号转导，引发细胞功能变化，因此，维持还原力产生及消耗间的平衡至关重要。

苹果酸阀被认为是在叶绿体消除还原当量中发挥作用的方式之一。这种观点认为过量NADPH可被质体NADP-依赖的苹果酸脱氢酶(plNADP-MDH)消耗，产生苹果酸，苹果酸可被转运出叶绿体进行进一步氧化反应。但plNADP-MDH的缺失突变体，在光合胁迫条件下却未受到影响，暗示存在其他机制。新的研究发现，过量的叶绿体NADH可被质体定位的NAD-依赖的苹果酸脱氢酶(plNAD-MDH)消耗，而反应产生的苹果酸被转运至线粒体，线粒体苹果酸被氧化，产生NADH，随后NADH又被线粒体电子传递链复合体I氧化，极端情况下，NADH提供的电子在沿电子传递链传递过程中产生的ROS将触发细胞死亡。

2. 线粒体中的ROS

当细胞中还原当量供应大于需求时，光合电子传递链(pETC)中的电子载体被过还原，叶绿体即产生ROS。线粒体可通过将电子从还原剂传递至氧分子来缓解细胞中的过度还原。然而，线粒体中氧的部分还原可导致mROS的产生，但这一过程的控制机制尚不清楚。mROS的生成对于植物应对多种非生物胁迫来说至关重要，例如因气候变化而加剧的高温及干旱。

线粒体mROS的生成与线粒体电子传递链(mETC)紧密相关，其产生速率随着呼吸速率降低而升高。在光合组织中，光照下线粒体产生的ROS相对较少，这是由于植物线粒体存在交替氧化酶(AOX)，AOX可使电子从泛醌直接传递至氧，从而减少ROS生成。mROS还与PCD诱导相关，即在胁迫环境中及PCD过程中，mETC被抑制时细胞生成mROS。然而，有研究揭示AOX过表达可阻止PCD的发生。还原当量驱动mROS生成以响应胁迫环境的机制尚不明确，但苹果酸可能在其中发挥作用。

3. 叶绿体在mROS生成及细胞死亡中的潜在新功能

苹果酸在mROS生成中的重要作用的发现来源于研究人员对拟南芥叶绿体功能缺陷突变体mosaic death1 (mod1)研究的意外收获。mod1的异常生长表型与马赛克型细胞死亡(mosaic cell death)密切相关。MOD1编码叶绿体中的烯酰-ACP还原酶(ENR)，该酶是脂肪酸合酶(FAS)复合体的一个亚基。拟南芥中ENR由单基因编码，该基因在突变体mod1中发生了单碱基突变，导致一个氨基酸替换，使得突变体中ENR酶活显著下降。

研究人员从mod1背景的T-DNA插入突变体库中筛选出一系列mod1抑制突变体株系suppressor of mod1 (som)。对其中som3进行分析，发现SOM3基因编码线粒体复合体I的一个亚基；som42为SOM42过表达突变体，SOM42编码一个定位在线粒体的PPR (pentatricopeptide repeat)蛋白，该蛋白可负调控编码复合体I亚基的NAD7的转录本含量。同时，复合体I活性降低的突变体也可抑制mod1表型及mROS的生成，而在mod1中过表达AOX1a可抑制mROS水平及细胞死亡。由此可推测出，叶绿体与线粒体之间可能存在一种直接的交流路径。

4. 叶绿体NADH-依赖的苹果酸循环在mROS生成中的作用

为理解mod1中叶绿体与线粒体是如何进行交流的，研究人员筛选出了一系列线粒体复合体I活性未降低的som突变体，并鉴定到四个mod1抑制基因。其中任一基因的突变均可抑制mROS积累和mod1细胞死亡表型。四个基因中有三个基因编码的是叶绿体与线粒体之间苹果酸穿梭途径的关键组分，分别为质体NAD-依赖的苹果酸脱氢酶(plNAD-MDH)、叶绿体二羧酸转移酶1 (DiT1)及线粒体NAD-依赖的苹果酸脱氢酶(mNAD-MDH1)。进一步的深入研究表明，在mod1中，叶绿体中累积的NADH被plNAD-MDH氧化后，所产生的苹果酸通过DiT1与细胞质基质中的草酰乙酸(OAA)进行反向运输，苹果酸被转运出叶绿体，再被转运至线粒体，随后线粒体内苹果酸再被mNAD-MDH1氧化，产生NADH，NADH为线粒体电子传递链提供电子，在电子传递过程中产生mROS。在这种"苹果酸循环"中，还原当量以苹果酸的形式从叶绿体转移至线粒体。此外，研究人员还鉴定到可抑制mod1表型的新突变体，即线粒体NAD+转移酶2(NDT2)功能缺失突变，该突变可抑制mod1中mROS生成及PCD的发生，表明mod1中线粒体需要额外大量的NAD+才能保证线粒体中苹果酸被充分氧化，产生mROS和PCD。

此前认为叶绿体苹果酸阀在光合作用过程中利用plNADP-MDH消除过量的NADPH。与plNADP-MDH相比，plNAD-MDH在所有质体中均存在，对"敲除"plNADP-MDH的拟南芥的研究显示，叶绿体在氧化还原应激响应中还存在其他机制，而目前对 mod1的分析表明，plNAD-MDH在应对光照条件下叶绿体NADH积累的响应中发挥着重要的作用。

5. plNAD-MDH的多重角色

拟南芥plNAD-MDH的缺失突变体是早期胚胎致死的，这一度让人们认为plNAD-MDH的酶活功能在拟南芥早期胚胎发生中发挥着重要的代谢功能。近来有研究发现，plNAD-MDH表达量降低的植株呈现出生长不良、叶片苍白、叶绿体组织异常及呼吸作用降低的现象，表明plNAD-MDH在植物发育的多个阶段均发挥重要作用，并且缺失该酶的叶片中叶绿体发育也是受损的。但当研究人员向plnad-mdh突变体的质体中转入其他细胞器来源的NAD-MDH酶时却发现，这些NAD-MDH的酶活性并不能回补plNAD-MDH的缺失表型，而丧失酶活性的点突变plNAD-MDH却能够回补plNAD-MDH的缺失表型。这一结果说明， plNAD-MDH蛋白质本身而非其酶活性，才是质体发育所必需的。

研究人员通过进一步研究发现，plNAD-MDH与另一蛋白FtsH12可形成一种复合体，FtsH12是叶绿体内膜相关的FtsH12-FtsHi复合体的亚基，可能参与质体的蛋白质内运。此外，plNAD-MDH蛋白还与淀粉代谢相关酶互作，暗示其在质体功能方面可能还具有其他作用，即plNAD-MDH在质体生物发生及CTM苹果酸通路上均有重要意义。 

6. 叶绿体NADH代谢

突变体mod1与som的研究表明，光照条件下叶绿体中NADH的代谢是十分重要的。在生长的叶片中，脂肪酸合酶对NADH的消耗是相当可观的，因此，叶绿体中NADH的来源也值得重视。质体丙酮酸脱氢酶复合体(PDC)分解丙酮酸，产生NADH及乙酰辅酶A，NADH和乙酰辅酶A又在脂肪酸合成过程中分别被ENR和乙酰辅酶A羧化酶所消耗。

叶绿体中NADH的另一可能来源是卡尔文循环所产生的磷酸丙糖通过NAD+依赖的3-磷酸甘油醛脱氢酶(GAPCp)产生NADH。然而，GAPCp1及GAPCp2在根部的表达量均高于叶片，而且叶绿体中缺少糖酵解途径中的关键酶，因此叶绿体中是否存在完整的糖酵解途径备受怀疑。目前人们普遍认为，细胞质基质中的磷酸烯醇丙酮酸被转运至叶绿体中，并被转化为丙酮酸，丙酮酸分解产生的NADH及乙酰辅酶A用于脂肪酸合成。若叶绿体中GAPCp为激活状态，将会产生过量NADH，此时plNAD-MDH便能够氧化过量NADH，使苹果酸从质体中转运出来。

7. 从叶绿体到线粒体的苹果酸穿梭

通过plNAD-MDH生成的叶绿体苹果酸会有怎样的命运呢？它可以被DiT1由叶绿体转运至细胞质基质中，一旦进入细胞质基质，苹果酸就有了很多潜在的去向。然而，在mod1中，从叶绿体运出的苹果酸显然进入了线粒体中，成为了线粒体mNAD-MDH1的底物。

这便引发了对细胞质基质苹果酸其他可能去向的疑问。除plNAD-MDH以外，拟南芥基因组还编码另外7种NAD-依赖的MDH，其中2种位于线粒体，2种位于过氧化物酶体，3种位于细胞质基质中。来自叶绿体的苹果酸有可能被转运至过氧化物酶体，被pMDH氧化生成NADH，以支持光呼吸中的羟基丙酮酸还原酶反应。光呼吸是光下植物叶片的核心反应之一，它需要利用细胞质基质中的MDH和NADH将OAA还原回苹果酸。因此，在光照条件下，细胞质基质倾向于将OAA还原为苹果酸。

8. 叶绿体至线粒体的苹果酸循环与植物生长

正常条件下plNAD-MDH缺失突变体som410地上部生物量少于野生型，而连续光照条件下突变体地上部生长情况好于野生型，并且突变体的mROS水平更低。说明在可以导致叶绿体内还原力积累的条件下，还原当量可以通过苹果酸循环排出叶绿体，并导致mROS产生。还说明CTM苹果酸途径能够调节植物地上部分生长。

可以推测plNADP-MDH和plNAD-MDH在叶绿体中同时运作以生成苹果酸。mod1中，脂肪酸生物合成被阻断，导致NADH水平升高，促使plNAD-MDH生成苹果酸。但叶绿体存在其他方法调节NADPH水平，因此NADPH可能并不如NADH重要。

9. mROS生成与逆行信号

如前所述，细胞质基质NAD-MDH稳态倾向于OAA向苹果酸的还原反应，叶绿体中苹果酸与细胞质基质OAA的交换导致细胞质基质中苹果酸含量上升，促使苹果酸进入线粒体。我们猜想苹果酸可能是一种细胞感知叶绿体的氧化还原状态的"指示器"。

另一个需要考虑的问题是，既然线粒体存在将mROS生成最小化的诸多途径（如通过AOX），为什么苹果酸氧化还是可以导致mROS生成。AOX的转录水平可被多种胁迫诱导，AOX过表达则可以通过维持电子在mETC中的流动来抑制mROS生成，从而增强了植株的胁迫耐性。然而，令人惊讶的是，mod1中被诱导高表达的是AOX1d而非AOX中的主要异构体AOX1a。但实验表明AOX1a的过表达也可减轻mod1中的mROS积累并阻止PCD。

其他的未解之谜主要围绕mROS作为信号分子，是如何向细胞核提供信息，并调控生长和胁迫响应。另一个令人激动的可能性是，上述线粒体响应可能还包括叶绿体蛋白输入机制调节，而plNAD-MDH可能直接参与其中。

总结

先前在对CTM交流系统进行研究时，曾假设存在一种信号分子，该分子可能是脂肪酸代谢产物，能够在细胞器间穿梭，并引发mROS生成。如今，遗传学及分子生物学证据显示，正是苹果酸，作为叶绿体中氧化还原平衡的调节物，通过苹果酸循环的方式从叶绿体转运至线粒体，与运至线粒体的NAD+共同作用，导致mROS的产生。mROS则可能影响植物生长，在极端条件下引发PCD。未来应注重研究苹果酸循环在不同生长条件下的作用，以及可由mROS触发的响应，这将为突破植物在不同环境胁迫下的生长瓶颈提供新的思路。

作者专访

近期，Cell Press对李家洋院士进行了专访，就如何选择自己的科研课题，植物研究面临的挑战，青年学者如何做研究等方面李家洋院士给出了自己的建议和观点。先将专访内容全文转载，和大家分享。

Cell Press：

您是如何选择自己的科研课题的？

李家洋院士：

我觉得选择自己的科研课题，要从三个方面考虑，首先是原创性，研究的课题是引领性的前沿问题，要解决科研上的难点；其次是能否与国家的重大需求相结合，这样做出来的成果不但具有重要的科学意义，而且能产生重大的社会效益；第三是课题有没有坚实的研究基础，创新的想法不是凭空想象，一定是在符合科学规律的前提下创新，课题要具有科学上的可实现性。因此，这20多年来，我们实验室的研究工作主要就围绕如何提高我国主要粮食作物水稻的产量和品质来进行，发现株型改良是产量提高的核心，而淀粉合成途径是影响稻米品质的关键，在国内率先建立了水稻图位克隆技术体系，鉴定了控制水稻株型和稻米品质的关键基因和遗传调控网络，并通过与育种家合作进一步应用到水稻育种实践中，培育出一系列高产优质水稻新品种

Cell Press：

对于植物学研究来说，您认为未来我们面临的最大挑战将是什么？您自己的长期研究目标是什么？

李家洋院士：

在植物学研究领域我们面临的最大挑战可能是能量的综合利用效益问题。植物通过光合作用固定太阳能，提高植物的光能利用效率是提高单位面积作物产量的重要方面。我长期研究的目标，还是要保障我国的粮食安全，阐明植物生长发育和环境适应的分子机制，培育产量高、品质好、抗病抗倒耐逆的优良水稻新品种，为我国水稻的高产、优质、稳产提供保障。

Cell Press：

您希望公众对于科学的哪些方面有更多的了解?

李家洋院士：

科学研究要求实创新，服务社会。求实即不违反客观规律，实事求是；创新即推陈出新，破旧立新；服务社会即面向国家重大战略需求，提高自主创新能力，解决生产生活中的实际问题。希望公众多了解科研创新背后的故事，理解科学的内涵和精髓，尊重科学，尊重知识，关注如何推动科学研究向更广、更深、更精的方向发展。

Cell Press：

您有何建议可以与广大青年学者分享？

李家洋院士：

青年人是科学研究的中坚力量，我们实验室所有的科研成果都浸透了青年学者包括研究生们的智慧、心血与汗水，他们大有可为，前途光明。我有以下三点建议：

首先，做科研要有一个远大的理想与目标。这个目标要高于找工作、谋饭碗，也要高于对社会身份和地位的追求。事实上，每个人在潜意识里都有对理想的追求，都想做些别人做不到的事，你的目标应该是这样的理想追求。

其次，要有勇于创新的信心和锲而不舍的精神。做生命科学研究，很累很辛苦，只有对自己的研究工作抱有信心，对新成果新发现充满期待，才不会觉得辛苦疲惫。研究过程中一定会遇到很多困难、挫折和失败。如果你没有坚强的意志，很容易半途而废。

最后，要有合作共赢的团队精神。在生命科学研究中任何一个重要的发现与成果的取得都是一个群体的智慧结晶，希望广大青年学者能够精诚合作，与同行共享实验材料、方法和技术，能深入探讨想法，交流经验。

参考资料

[1]  微信公众号“CellPress细胞科学”（ID：CellPressChina），李家洋院士团队：苹果酸循环——叶绿体代谢与线粒体ROS间的“调节器”