叶绿体的功能越来越受到人们的关注，著名植物期刊Plant J2020年2月份特发了一期叶绿体的特刊，李家洋院士在Trends in Plant Sciences上介绍了叶绿体的代谢如何调控线粒体活性氧的产生，体现了一个产能和耗能细胞器之前的相互关系。

叶绿体如何处理自身的过剩的还原力

叶绿体光合电子传递的一个功能就是为碳同化产生还原力NADPH，但是在一些逆境条件下，当碳同化被抑制时，导致NADPH过剩。叶绿体如何处理过剩的NADPH?叶绿体利用依赖于NADP的苹果酸酶(plNADP-MDH)和NADPH产生苹果酸，将其运出叶绿体氧化。但是发现plNADP-MDH的突变体在逆境条件下的生长未发生变化，说明还存在其它路径消化过剩的NADPH。另一条路径是依赖于NAD的苹果酸酶(plNAD-MDH)，生成的苹果酸被运往线粒体，在那里被氧化同时生成NADH,NADH在线粒体中被复合物I(NADH: ubiquinone oxidoreductase),氧化产生活性氧，在极端逆境条件下可能触发细胞死亡。负责将苹果酸运输到线粒体的是CTM转运系统。

线粒体活性氧的来源

线粒体呼吸速率的降低会引起ROS的产生，由于线粒体中AOXs系统的存在可以将电子从泛醌传递给氧分子，避免了ROS的产生，所以在光合器官中，来自线粒体活性氧的贡献比较少。但是线粒体活性氧在整合能量代谢与植物逆境相应的信号传递过程中发挥重要作用。

叶绿体调控线粒体活性氧产生的发现

mod1突变体编码的基因是叶绿体脂肪酸合成复合物的一个成员，突变体中脂肪酸的含量显著下降，在长日照条件下出现早衰、矮化等表型。为了寻求mod1的功能，在该突变体基础上创造了双突变体库，在mod1和som双突变体中，mod1的表型被逆转。som突变体是一个突变体系列，编码基因主要与线粒体复合物I有关，说明mod1突变体表型与线粒体复合物I的活性氧产生有关。基于双突变体的研究揭示了叶绿体和线粒体活性氧产生的联系。

苹果酸循环机制

在上述研究基础上，人们又发现了4个基因可以逆转mod1突变体的表型，其中三个被称为叶绿体-线粒体malate shuttle，分别是plNAD-MDH， chloroplast dicarboxylate transporter 1 (DiT1) and mitochondrial NAD-dependent malate dehydrogenase 1 (mNAD-MDH1). 至此，叶绿体中过剩NADH被利用的第二条机制被揭示：NADH在叶绿体中被plNAD-MDH氧化成苹果酸，然后苹果酸通过DiT1被输出叶绿体进入线粒体，同时草酰乙酸被输入叶绿体。苹果酸在线粒体中被mNAD-MDH1氧化，产生NADH，作为复合物I的底物被氧化产生线粒体活性氧。具体过程如图所示

另外一个突变体ndt2功能的揭示进一步印证了上面的信号通路。至此，叶绿体中2条消耗过剩NADPH的通路被揭示，plNADP-MDH只在光合过程中发挥作用，受叶绿体氧化还原状态的调控，planeload则存在于所有类型的质体中，不仅在光下起作用，在暗条件下也发挥功能。

plNAD-MDH功能的特殊性

plnad-mdh突变体呈现胚胎致死表型，说明该基因的作用非常多样化，更为重要的两个表型来自于（1）来自于其它细胞器的该酶基因不能恢复plnad-mdh突变体表型，（2）该基因虽然是编码了一个酶，但似乎其酶催化功能并不是主要的，丧失酶催化特性的plNAD-MDH基因可以逆转plnad-mdh突变体表型。最后该基因还与FtsH12及淀粉代谢相关基因相互作用，说明其还有未知的功能。

苹果酸介导的线粒体信号转导过程及生物学意义

plNAD-MDH-deficient som410 突变体在正常生长条件下其生长态势差于野生型，但是在光胁迫条件下其生长优于野生型植株。苹果酸介导的线粒体活性氧信号转导途径如下图所示

作者最后提出了关于此信号系统需要解决的几个问题：

1 What is the magnitude of the production and consumption of NADH in chloroplasts and how is this coordinated with plastidial fatty acid biosynthesis?

2 Does plNAD-MDH play a role in the regulation of protein import into chloroplasts

under stress by influencing the function of the protein import apparatus?

3 How does malate enter mitochondria, and does it directly regulate mitochondrial functions or provide signaling information?

4 How do mitochondrial Complexes I and III generate ROS and also mediate ROS signaling?

5 What are the mechanisms by which ROS initiates retrograde signaling from mitochondria to the nucleus?

6 How is mitochondrial alternative oxidase activity regulated to both modulate mitochondrial ROS production, while enabling ROS sensing to control cellular responses, and ultimately PCD?

7 Do other energy-consuming pathways in chloroplasts also regulate ROS production in mitochondria through malate circulation?

8 What are the dynamics of subcellular malate concentrations in cells under varying conditions and how does this relate to changes in lipid synthesis and plNAD-MDH activity?

个人以为，5和6两个问题尤为重要，当苹果酸进入线粒体后，为什么线粒体没有启动活性氧修复机制，而是任由活性氧的产生，而且作者在原文中指出，mod1突变体中负责清除活性氧的基因表达非但没有被诱导，反而下调表达，说明线粒体中刻意回避了mod1突变体活性氧的清楚，线粒体活性氧的产生对细胞核基因的表达起到什么作用？

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