近日，西北大学生命科学学院付爱根/李贝贝/张卫国团队在Molecular Plant（5-year IF：21.4）发表了题为“The dual-targeted transcription factor BAI1 orchestrates nuclear and plastid gene transcription in land plants”的研究论文。该研究揭示了一种在陆地植物中保守的分子调控机制：细胞核-质体双靶向转录因子BAI1，能够同时精确调控细胞核和质体基因组的转录过程。

叶绿体是植物特有的半自主细胞器，参与光合作用以及维生素、脂肪酸、氨基酸和植物激素的生物合成，其正常发育依赖于核基因组与质体基因组的协同调控，是植物生长和存活的关键。目前，虽然已鉴定到调控叶绿体生物发生中光系统复合物相关基因的核定位转录因子，但能够同时调控核基因组和质体基因组转录的因子尚未见报道。

研究团队在拟南芥中发现了一个未被报道的C2H2型锌指转录因子，该因子同时定位于细胞核和质体中。由于缺失突变体表现出子叶白化和幼苗致死等表型，研究者将其命名为BAI1（取自中文“白”）。功能分析表明，BAI1具有转录激活活性，直接与RubisCO大亚基RbcL（核编码）和小亚基RbcSs （质体编码）基因启动子的顺式调控区域结合，激活它们表达，促进RubisCO复合物的组装。此外，BAI1不但与质体转录活性染色质组分pTAC12/HMR相互作用，而且能够激活HMR表达，确保了质体编码的RNA聚合酶（PEP）的正确组装。这些结果表明，拟南芥核-质体双靶向转录因子BAI1是叶绿体生物发生过程中，调控核与质体基因转录的关键因子（图1）。值得注意的是，在细胞核中，BAI1通过特异性结合核基因顺式调控区域的CAA基序，激活靶基因转录；而在质体中，BAI1与质体基因顺式调控元件的结合既不依赖CAA基序，也不依赖典型的-35/-10区，而是通过直接参与PEP复合物的组装来启动靶基因转录。

图1. BAI1同时调控核基因组与质体基因组转录。

通过拟南芥BAI1蛋白同源比对发现，BAI1家族为植物特有，最早出现在克里藻（Klebsormidium nitens）中，而在原核蓝藻、单细胞真核衣藻、小球藻与动物中均未发现。系统进化分析表明，BAI1和HMR都起源于轮藻（Charophyta）和有胚植物（Embryophyta）的共同祖先克里藻，在植物陆生化过程中遵循保守的进化路径。进一步研究发现，单子叶植物小麦和双子叶植物大豆中的AtBAI1同源基因TaBAI1、GmBAI1a和GmBAI1b能够完全恢复拟南芥bai1突变体的缺陷，而小立碗藓PpBAI1仅能部分回补bai1突变体表型（图2）。这些结果表明，BAI1基因家族在陆生植物中功能逐渐强化。

综上所述，该研究揭示了一种依赖BA11的高效协调细胞核和质体基因组转录的分子机制，此机制在植物陆生适应过程中可能发挥关键作用。小麦、大豆与拟南芥中保守的BAI1依赖型转录调控机制的发现，为未来作物改良提供了重要理论基础。通过靶向调控BAI1家族成员，有望提高作物的光合效率、产量，并为分子育种提供新策略。

图2. BAI1家族系统发育分析与异源基因表达回补拟南芥bai1突变体。

作者团队

西北大学生命科学学院博士生秦晶和北京大学现代农业研究院科研助理单叶琳为共同第一作者。西北大学生命科学学院李贝贝副教授、张卫国副教授和付爱根教授为共同通讯作者。西湖大学郭天南/朱怡课题组与北京大学现代农业研究院陈苑课题组，对本研究提供了重要技术支持与帮助。本研究得到了国家自然科学基金面上项目(32070550；31872631)的资助。

Molecular Plant是中国科学院分子植物科学卓越创新中心与Cell Press（细胞出版社）合作出版的知名学术期刊，专注于植物科学领域的高水平研究，连续3年在植物科学领域研究类期刊中排名全球第一。