水稻PPR家族蛋白研究进展.pdf

DOI：10.11689/sc.2022121801曹近哲，许敏，张新颖，等.水稻 PPR 家族蛋白研究进展J.土壤与作物，2023，12（3）：235 246.CAO J Z，XU M，ZHANG X Y，et al.Research progress of PPR family proteins in riceJ.Soils and Crops，2023，12（3）：235 246.水稻 PPR 家族蛋白研究进展曹近哲1，许敏2，张新颖3，卜庆云2，管清杰1，王臻昱2（1.东北林业大学 生命科学学院 东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所 大豆分子育种重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150081；3.东北农业大学 生命科学学院,黑龙江 哈尔滨 150051）摘要：五肽重复序列（Pentatricopeptide repeat,PPR）家族是高等植物最大的基因家族之一，在大多数已测序的植物物种中有超过 400 个成员。水稻基因组中有 491 个 PPR 基因。越来越多的证据表明 PPR 蛋白参与叶绿体或线粒体基因的转录后调控，包括 RNA 成熟、编辑、内含子剪接、转录本的稳定性和翻译起始。RNA 代谢对叶绿体和线粒体的生物发生和功能有重要作用，因此，对光合作用、呼吸作用和植物的发育及其对环境的响应具有深远的影响。本文综述了水稻 PPR 蛋白通过对线粒体或叶绿体 RNA 编辑、剪接等作用调节水稻的多种发育途径，总结了水稻 PPR 蛋白参与生物和非生物胁迫响应的最新研究进展。关键词：水稻；PPR 蛋白；线粒体；叶绿体；RNA 编辑中图分类号：S511文献标识码：AResearch progress of PPR family proteins in riceCAO Jinzhe1，XU Min2，ZHANG Xinying3，BU Qingyun2，GUAN Qingjie1，WANG Zhenyu2（1.Key Laboratory of the Ministry of Education for Ecological Restoration of Saline Vegetation,College of Life Sciences,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China；2.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Key Laboratory ofSoybean Molecular Design Breeding,Chinese Academy of Sciences,Harbin 150081,China；3.College of Life Sciences,NortheastAgricultural University,Harbin 150051,China）Abstract：The PPR family is one of the largest gene families in higher plants,with over 400 members in most sequenced plantspecies.The rice genome consists of 491 PPR genes.The increasing evidence shows that PPR proteins are involved in post-transcrip-tional regulation of chloroplast and/or mitochondrial genes,including RNA maturation,editing,intron splicing,transcript stabiliza-tion,and translation initiation.The synergy of RNA metabolism has profound implications for both chloroplast andmitochondrial biogenesis and function,and therefore,for photosynthesis,respiration,and the development of plants and theirresponse to the environment.In this review,we summarized the recent advances in rice PPR proteins,including the regulation ofvarious developmental pathways through mitochondrial or chloroplast RNA editing and splicing,and involvement in responses tobiological and abiotic stresses in rice.Key words：rice；PPR protein；mitochondria；chloroplast；RNA editing 0前言五肽重复序列（Pentatricopeptide repeat,PPR）家族是高等植物最大的基因家族之一，在植物生长发育 收稿日期：2022 12 18；修回日期：2023 03 10.基金项目：国家自然科学基金（32171989，U20A2025）.第一作者简介：曹近哲（1996-），男，硕士研究生，主要从事水稻抗逆基因挖掘与利用.E-mail：.共同通信作者：管 清 杰（1971-），男，副 教 授，主 要 从 事 东 北 盐 碱 地 抗 性 相 关 功 能 基 因 挖 掘 及 逆 境 机 理 的 研 究.E-mail：.王臻昱（1977-），女，副研究员，主要从事水稻抗逆基因挖掘与功能解析.E-mail：.土壤与作物 2023 年 9 月 第 12 卷 第 3 期Soils and Crops,Sep.2023,12（3）：235 246中发挥重要作用。迄今为止，已在许多陆地植物中发现 PPR 蛋白。Wang 等1分析了近 30 个全基因组测序的物种，平均在每个物种中发现了大约 500 个 PPR 基因，其中罂粟（Papaver somiferum）最多，达到900 个成员。然而，在除陆生植物以外的其他真核生物中，仅含有很少的 PPR 编码基因，例如，酵母、果蝇和人类基因组分别只有 5 个、2 个和 6 个 PPR 基因，在绿藻中只含有 12 个 PPR 基因2。在陆生植物进化过程中，PPR 家族得到了极大的扩展。PPR 基因数量的迅速增长可能使 RNA 编辑得以大规模进行，而这反过来又使基因组序列漂移。这种基因漂移可能有利于早期陆生植物增强对极端温度、紫外线或陆地条件诱导的氧化应激的耐受性，由此可见，PPR 蛋白和 RNA 编辑可能在加速植物向陆地进化过程中发挥了重要作用3 4。PPR 家族蛋白因其结构特征而得名，该家族蛋白包含多个重复基序的串联结构，每个基序由 30 40 个氨基酸残基组成。根据基序结构，可将 PPR 家族成员分为 P 和 PLS 两个亚家族5 7。P 型 PPR 基序（P 基序）由 35 个氨基酸残基组成松散保守结构，PPR 蛋白通常包含 2 30 个以上 P 基序，经典 PPR 基序的结构是由两个-螺旋组成的的发夹结构 5。一个 PPR 基序可以识别单个 RNA 核苷酸，一组 PPR 结构可以识别特殊的单链 RNA 靶点（图 1）5。此外，少数 P 型亚家族成员在 P-基序之后包含一个小 MutS-结构域，将其归类为 PPR-SMR 亚组。PLS 型亚家族成员通常由一组三联体组成，即 P 基序、L 基序和 S 基序；S和 L 基序是 P 基序的变异类型，只是与 P 基序长度不同，S 基序为 31 个氨基酸，而 L 基序为 35 或 36 个氨基酸 5 7。PLS 亚家族 PPR 蛋白可以根据 PPR 基序下游的附加结构域进一步分为：E、E+和 DYW 亚组，这些基序可单独或组合出现5 7（图 1）。P 亚家族 P subfamily P 基序 P motifL 基序 L motifS 基序 S motifMutS 结构域 MutS domainE 结构域 E domain E+结构域 E+domainDYW 结构域 DYW domain PLS 亚家族 PLS subfamilyPPR-SMR 亚组 PPR-SMR subclassE 亚组 E subclass E+亚组 E+subclass DWY 亚组 DWY subclass PPR 基序 PPR motif螺旋转螺旋基序Helix turn helix motif结合 RNA 的 PPR 序列PPR tract binding to RNA图 1PPR 家族分类和结构示意图Fig.1Schematic representation of the classification and structure of the PPR family 早期报道水稻中有 477 个 PPR 家族基因6 7，但 Chen 等4通过综合分析 RGAP 和 RAP-DB 数据库，以及结合 Cheng 等7的分析结果，又鉴定到 14 个水稻 PPR 家族基因，因此，水稻基因组中共有 491 个PPR 基因，广泛地分布在 12 条染色体上（图 2）1,4。根据蛋白结构，491 个 PPR 包含 246 个 P 亚家族成员和 245 个 PLS 亚家族成员。PLS 亚家族中分别有 90 个 E 亚组和 131 个 DYW 亚组成员4。大多数 PPR 蛋白定位于线粒体或叶绿体，PPR 蛋白能与细胞器 RNA 结合，参与线粒体、叶绿体和细胞核 RNA 编辑、剪接、稳定、切割、降解和翻译等转录后过程8 13。PPR 蛋白对细胞器的稳定性，尤其是细胞器的生物发生和功能，都具有重要作用。目前已被报导的水稻 PPR 蛋白大多数定位于线粒体或叶绿体中，仅有少数定位于细胞质或细胞核中，PPR 蛋白对于水稻的线粒体或叶绿体生物学发生和功能都具有重要的作用，并通过影响线粒体或叶绿体的形成和功能，影响水稻的生长发育以及胁迫防御。本文综述了近年来水稻中 PPR 蛋白的主要研究进展。1PPR 蛋白在水稻细胞质雄性不育中的作用线粒体是细胞中非常重要的细胞器，为细胞提供 90%以上的能量，线粒体的功能障碍直接影响植物236土 壤 与 作 物第 12 卷的生长发育。线粒体基因转录本的 RNA 编辑在植物发育和进化适应过程中起着核心作用。由于线粒体RNA 丧失了自我剪接的能力，需要 PPR 蛋白行使剪接因子的功能14。植物细胞质雄性不育（CytoplasmicMale Sterility,CMS）是一种母系遗传性状，雌性配子体保持生育能力，而花粉败育。一般认为 CMS 由线粒体基因及其对应的育性恢复基因（Restoration of Fertility,Rf）共同调控线粒体中相关基因的表达15。近年来，在许多物种中克隆到 Rf 基因，大多数 Rf 基因编码 PPR 蛋白，其作用是通过特异性抑制导致不育的线粒体转录本表达，从而恢复其育性。育性恢复 PPR（Rf-PPR）蛋白的抑制作用涉及多种机制，包括RNA 切割、RNA 稳定性或翻译抑制15。在水稻中已克隆多个 PPR 家族的 Rf 基因。水稻核基因 Rf-1 是第一个从谷类作物中分离出来的具有降低 CMS 相关线粒体基因表达的 Rf 基因（表 1），可恢复 BT 型 CMS（一种以籼稻 Chinsurah Boro II 的细胞质和粳稻 Taichung 65 的细胞核为基础的 CMS 系统）的花粉育性16 19。Rf-1 编码了一个含有 16 个 35-氨基酸基序组成的线粒体靶向 PPR 蛋白16。在具有 Boro细胞质的水稻中发现一个异常的线粒体开放阅读框 orf79 与一个重复的 atp6 基因（B-atp6）共转录，并编码一种细胞毒肽17。在 CMS 和转基因水稻植株中 orf79 的表达可引起雄性不育17。在保守位点 Rf-1 上鉴定到两个生育恢复基因 Rf1A 和 Rf1B，均编码PPR 家族成员，并证明 Rf-1 位点是 PPR 基因家族的一个重复基因簇。Rf1A 和 Rf1B 均靶向于线粒体（表 1），可以通过不同的机制沉默 orf79 mRNA 来恢复雄性孢子生育能力18。另一项研究显示，恢复系中加工后的 orf79 转录本水平降低，达到 CMS 系中未被加工的 atp6-orf79 转录本水平的 50%，推测加工后的 orf79 转录本容易降解。在降解后仍然保留一些加工后的 orf79 转录本，但保留下来的这些 orf79 转录本中约 90%不能与核糖体关联，也不能参与翻译。通过加工后 orf79 转录本的降解以及减少 orf79 转录本的翻译，从而降低 orf79 的表达19。之后，在水稻中相继克隆到 Rf4、Rf5、Rf6、Rf19、PPR762 等 PPR 家族的 Rf 基因，这些基因均靶向于线粒体（表 1）20 24。RF4 可能与其他辅助因子相互作用，识别 WA352 mRNA 并将其靶向降解20。AB0.2P 亚家族 P SubfamilyPLS 亚家族 PLS Subfamily注：A,水稻 491 个 PPR 基因的系统发育树。蓝色代表 P 亚家族，红色代表 PLS 亚家族，绿色代表混合 PLS 和 P 亚家族。采用ClustalX 进行全长蛋白多重序列比对，采用 MEGA7.0 邻接法构建系统发育树，比例尺表示每个位点有 0.2 个氨基酸替换。B,水稻PPR 基因的共线性分析。1-12 号染色体以不同的颜色和圆形表示，不同颜色的曲线代表了水稻基因组中 PPR 基因的共线性关系。Note:A,Phylogenetic tree of 491 PPR genes in rice.The blue represented the P subfamily and the red represented the PLS subfamily,while the greenrepresented the mixture of PLS proteins and P subfamily genes.Multiple sequence alignment of full-length proteins was performed by ClustalX.Thephylogenetic tree was constructed using MEGA7.0.Scale bar represents 0.2 amino acid substitutions per site.B,Synteny analysis of PPR genes inrice.Chromosome 1 to 12 are shown with different colors and in a circular form.The different color curves represent the synteny relationship of PPRgenes in the rice genome.图 2水稻 PPR 家族成员的系统发育分析4Fig.2Phylogenetic analysis and synergy analysis of the PPR genes in rice第 3 期曹近哲等：水稻 PPR 家族蛋白研究进展237 RF5 不能与 CMS 相关的转录本结合，但 RF5 的一个互作蛋白（GRP162，编码 162 个氨基酸的富含 gly 的蛋白）能与 atp6-orfH79 结合。GRP162 与 RF5 相互作用，并通过 RNA 识别基序与 atp6-orfH79 结合。此外，RF5 和 GRP162 都是生育复合体（Restoration of Fertility Complex,RFC）的组成部分，RFC 可在体外切割 CMS 相关转录本21。HL-CMS 是水稻不育系的三大类型之一，HL-CMS 性状与一个异常的嵌合线粒体转录本 atp6-orfH79 有关，导致花粉不育，可以通过两个非等位基因的 Rf5 或 Rf6 来恢复22。RF6 和己糖激酶 6 在线粒体中共同作用，促进异常 CMS 相关转录本 atp6-orfH79 的加工，从而恢复 HL-CMS 水稻的育性22。RT98 型 CMS 系 RT98A 和育性恢复系 RT98C 含有野生稻（Oryza rufipogon）的细胞质和Taichung 65 栽培稻（Oryza sativa L.）的核基因组23。通过基因定位和互补试验表明，PPR 基因 PPR762是 RT98 型 CMS 的重要生育恢复基因23。张启发团队24鉴定了一种具有稳定的孢子体雄性不育性 CMS 和完全恢复杂种育性的核恢复基因（CMS-FA）。CMS-FA 水稻线粒体基因组中特异的嵌合开放阅读框FA182 突变导致 CMS。恢复基因 OsRf19 在线粒体中介导 FA182 转录本的切割（表 1），从而恢复雄性小孢子生育能力。比较序列分析表明，OsRf19 起源于野生稻近缘种的重复序列，与 Boro 和 HL-CMS 的育性恢复基因 OsRf1a/OsRf5 具有共同的祖先。通过将 OsRf19 导入 CMS-WA 优良杂交种亲本，获得 6 个恢复系，与以 CMS-WA 体系为对照的杂交种相比，这些杂交种表现出同等或更好的农艺性状与生产性能24。水稻 CMS 与其保持系之间的 RNA 编辑存在差异，这可能是导致它们在环境胁迫下表现不同的原因之一。罗利军团队25利用野生 CMS（Huhan-1A）及其保持系（Huhan-1B）研究了其对氧化应激的响应性能，以及对 6 个线粒体基因转录本的 RNA 编辑效率。结果显示，CMS 系 Huhan-1A 在氧化胁迫下完全抑制生长，确保较高的成活率，而保持系 Huhan-1B 则抑制生长作用较弱，导致成活率较低。CMS-WA 及其保持系在 ccmB 和 ccmC 转录本上的 RNA 编辑效率存在巨大差异，这可能导致它们二级结构的显著改变。CMS-WA 与其保持系之间 PPR 基因的 DNA 序列和表达差异可能是导致其相应 RNA 编辑不同的原因25。通过对籼稻和粳稻的 PPR 基因家族进行系统发育比较，以及分析 PPR 基因在籼稻和粳稻 CMS/Rf 系统中的功能，结果表明：（1）不平等交叉参与了新进化的 PPR 基因在籼稻和粳稻基因组中扩增；（2）单子叶和双子叶的 CMS/Rf 系统不同；（3）BT 型 CMS/Rf 系统在籼稻和粳稻中都存在；（4）PPR 基因家族和 BT 型 CMS/Rf 系统可能在籼稻和粳稻分化之前就已经存在26。CMS 通常由线粒体基因组决定，但可以被核编码的 Rf 基因抑制或抵消。CMS/Rf 系统广泛应用于许多作物杂交种子的商业化生产，也为研究植物线粒体-核相互作用和共同进化提供了一个极好的模型。自 表 1参与水稻 CMS 育性调控的 PPR-Rf 蛋白Table 1PPR-Rf proteins involved in the regulation of fertility in rice CMS蛋白名称Protein name亚细胞定位LocalisationPPR 类型PPR subclass作用方式Mode of action参考文献ReferencesRf-1线粒体MitochondriaPorf79转录本的加工RNA processing of orf7916-17Rf1A/Rf1B线粒体MitochondriaPorf79转录本的加工RNA processing of orf7918Rf4线粒体MitochondriaP识别并降解WA352 mRNATo recognize the WA352 mRNAs and arget them for degradation20Rf5线粒体MitochondriaPatp6-orfH79转录本的加工RNA processing of atp6-orf7921-22Rf6线粒体MitochondriaPatp6-orfH79转录本的加工RNA processing of atp6-orf7922Rf19线粒体MitochondriaFA182转录本的剪切Cleavaging of FA182 transcripts24PPR762线粒体Mitochondria23238土 壤 与 作 物第 12 卷20 世纪 70 年代以来，CMS 杂交水稻已成功开发出包含雄性不育系、保持系和恢复系的三系体系，为世界粮食生产做出了巨大贡献。CMS 是一种自然选择机制，以增加进化的机会和过程，目前对于 CMS 及其育性恢复的分子机制尚需进一步深入研究，这将有助于理解杂种优势的进化和利用。2PPR 蛋白调节水稻花粉发育在水稻 PPR 家族成员中，除了在 CMS 中鉴定到一些水稻 PPR 家族 Rf 基因，通过调控线粒体中相关基因的转录后修饰，从而参与 CMS 育性恢复的调控，还有一些 PPR 基因通过对线粒体、质体或细胞质RNA 的编辑或剪接，直接参与调控水稻花粉发育，但调控机制还不清楚。水稻 PPR 的一个 PLS 亚家族蛋白 PPR756，参与 atp6、ccmC 和 nad7 的 RNA 编辑（表 2）。PPR756 功能缺失可导致水稻花粉发育失败27。另一个水稻 P 亚家族 PPR 蛋白 PPR939 通过调节线粒体nad5 内含子 1、2 和 3 的剪接来调节植物生长和花粉发育（表 2），而 OsS6K1 能够磷酸化 OsPPR939 的N 端线粒体靶向序列的第 12 个氨基酸 Ser，该氨基酸的磷酸化对于 OsPPR939 导入线粒体起着重要作用28。此外，含有 DYW 基序的 PPR 蛋白 PPS1 与线粒体中 nad3 的 5 个相邻保守 RNA 编辑位点相关（表 2），所有这些位点都涉及从脯氨酸到亮氨酸的转化。PPS1 RNAi 和杂合子植株在营养期和生殖期均具有发育迟缓和部分花粉不育的特点29。表 2参与水稻花粉发育调控的 PPR 蛋白Table 2PPR proteins involved in the regulation of rice pollen development蛋白名称Protein name亚细胞定位LocalisationPPR 类型PPR subclass作用方式Mode of action参考文献ReferencesPPR756线粒体MitochondriaPLSatp6、ccmC和nad7的RNA编辑RNA editing of atp6,ccmC and nad727PPR939线粒体MitochondriaPnad5内含子1、2、3的剪接Splicing of mitochondrial nad5 introns 1,2,and 328PPS1线粒体MitochondriaDYWnad3的RNA编辑RNA editing of nad329PPR676质体PlastidSMR30CPPR1细胞质CytoplasmP结合并切割OsGLK1 mRNABinding and cleaving the OsGLK1 mRNA31 在花粉发育过程中，已报道的 PPR 家族蛋白多数定位于线粒体。然而，Liu 等30发现一个水稻植株生长和花粉发育所必需的 PPR-SMR 蛋白 OsPPR676，定位于质体（表 2），OsPPR676 与新生多肽相关复合体（-subunit of nascent polypeptide-associated complex,-NAC）-亚基 Osj10gBTF3 相互作用，表明这两个蛋白可能参与花粉发育的同一调控通路。OsPPR676 在花药中弱表达，在花粉发育的 Mei 期和 YM 期，在绒毡层中表达较强。OsPPR676 基因敲除导致植株生长迟缓和花粉部分不育30。大多数植物 PPR 蛋白定位于质体和线粒体内并行使功能，然而，Zheng 等31发现水稻中一个定位于细胞质中的 PPR 蛋白 OsCPPR1（表 2），敲低 OsCPPR1 转录水平可导致绒毡层细胞质体发育异常，延长绒毡层程序性细胞死亡（PCD）和绒毡层降解时间，花粉育性降低31。目前已发现参与水稻花粉发育 PPR 基因，几乎都是在花粉发育缺陷突变体中发现的，但关于 PPR 蛋白如何调控花粉发育的分子机制尚不清楚，对于水稻花粉发育调控机制的研究，将为水稻改良提供了新的思路。3PPR 蛋白在水稻叶绿体形成中的作用叶绿体是光合作用的主要场所，为光合作用提供相对独立的空间和光合过程关键组分，从而构建了植物的光自养条件。叶绿体基因的表达对于叶绿体发育及其正常功能的维持是必不可少的，PPR 蛋白通过影第 3 期曹近哲等：水稻 PPR 家族蛋白研究进展239 响叶绿体基因类内含子的剪接来调节叶绿体基因的表达，对叶绿体的形成具有重要作用，因此，PPR 蛋白的功能缺陷可产生与叶绿体功能障碍类似的表型。影响叶绿体发育的 PPR 家族基因的突变体中，最严重的一种是幼苗白化致死表型，比如，最近报道的 OsSLC1、ASL3、OsPPR16、WAL3、OsSLA4、OsPPR1、OsPPR6、OspTAC2、SSA1 等基因的突变，均会导致叶绿体发育异常，光合功能严重缺陷，在幼苗期出现白化致死表型32 40。其中，OsSLC1、ASL3、OsPPR16、OsSLA4 和 WAL3 的功能缺失影响多个类内含子的剪接（表 3），导致叶绿体核糖体 RNA 和叶绿体发育相关基因以及光合作用相关基因的转录水平变化32 36。SSA1 功能缺失破坏了 ndhB-737 的 表 3参与水稻叶绿体形成的 PPR 蛋白Table 3PPR proteins involved in chloroplast formation in rice蛋白名称Protein name亚细胞定位LocalisationPPR 类型PPR subclass作用方式Mode of action参考文献ReferencesOsSLC1叶绿体ChloroplastPrps16 内含子的剪接Splicing of transcript rps16 intron32ASL3叶绿体ChloroplastP33OsPPR16叶绿体ChloroplastDYW叶绿体RpoB-545的mRNA编辑Editing of RpoB-545 mRNA34WAL3叶绿体ChloroplastPLSatpF、petB、rps12、rpl2和ndhA 的RNA剪接Splicing of transcript of atpF,petB,rps12,rpl2 and ndhA35OsSLA4叶绿体ChloroplastDYWatpF、ndhA、petB、rpl2、rpl16、rps12-2和 trnG 的剪接Splicing of atpF,ndhA,petB,rpl2,rpl16,rps12-2,and trnG36OsPPR1叶绿体ChloroplastE37OsPPR6叶绿体ChloroplastDYWndhB的RNA编辑和ycf3转录本的剪接Editing of ndhB and splicing of ycf3 transcripts38OspTAC2叶绿体ChloroplastSMR39SSA1叶绿体ChloroplastPndhB-737的RNA编辑及atpF和ycf3-2的内含子剪接RNA editing of ndhB-737 and intron splicing of atpF and ycf3240WSL1叶绿体ChloroplastPLSrpl2转录本的拼接Splicing of rpl2 transcripts41WSL4叶绿体类核Chloroplast nucleoidsPatpF、ndhA、rpl2和rps12的RNA剪接Splicing of atpF,ndhA,rpl2,and rps1242PGL12叶绿体ChloroplastPLS16S rRNA加工和质体转录本ndhA拼接16S rRNA processing and splicing of the plastid transcript ndhA43MPR25叶绿体ChloroplastEnad5-1 580位点RNA编辑RNA editing of nad5-1 580 locus44YSA叶绿体ChloroplastP45PGL1叶绿体Chloroplast/线粒体MitochondriaDYW叶绿体ndhD-878 和线粒体ccmFc-543位点RNA编辑Chloroplast RNA editing of ndhD-878 and mitochondrialRNA editingof ccmFc-54346CDE4叶绿体ChloroplastPrpl2、ndhA和ndhB的转录本剪接Intron splicing of rpl2,ndh,and ndhB transcripts47TCD10叶绿体ChloroplastP48OsATP4叶绿体ChloroplastSMRrps8 的RNA编辑Editing of rps8 RNA59DUA1叶绿体ChloroplastDYWrps8-182 位点编辑RNA editing of rps8-182 locus50240土 壤 与 作 物第 12 卷RNA 编辑和质体基因组中 atpF 和 ycf3-2 的内含子剪接（表 3）40。而 OsPPR6 和 OspTAC2 的功能缺失会导致叶绿体中不能形成类囊体膜（表 3）38 39，OsPPR6 参与 ndhB 的编辑和 ycf3 转录本的剪接38，而osptac2 突变体中，所有质体编码 RNA 聚合酶（Plastid-encoded Polymerase,PEP）依赖基因的转录水平都显著降低，而核编码聚合酶（Nucleus-encoded Polymerase，NEP）依赖基因的转录水平则升高39。另一类 PPR 家族基因的突变体表现为在叶片发育早期出现白色条纹叶片，如水稻白色条纹叶突变体wsl 和 wsl4，其特征是叶绿素含量降低和叶绿体畸形41 42。WSL 和 WSL4 基因均编码 PPR 蛋白，WSL 靶向叶绿体41，而 WSL4 定位于叶绿体类核（表 3）42。在 wsl 突变体中，PEP 依赖的质体基因表达显著下调，质体 rRNA 和翻译产物积累水平非常低，叶绿体转录本 rpl2 剪接缺陷，导致突变体中异常转录本积累以及翻译产物减少。wsl 对 ABA、盐度和糖的敏感性增强，H2O2积累量高于野生型41。与之类似，wsl4突变体导致叶绿体 RNA 中 atpF、ndhA、rpl2 和 rps12 的类内含子剪接缺陷42。此外，还有一类水稻 PPR 家族基因的突变表现为浅绿色叶片，如 pgl12、mpr25 和 ysa（表 3）43 45。pgl12 突变体在苗期叶片呈黄绿色，随着植株的生长，叶片逐渐变成淡绿色43；突变体 mpr25 在植株发育早期表现出生长迟缓和叶绿素含量降低的淡绿色叶片44；ysa 突变体在三叶期之前产生白化叶片，之后叶片逐渐变绿，在六叶期恢复正常绿色45。影响水稻叶绿体发育的 PPR 蛋白大多数定位于叶绿体中，然而，Xiao 等46发现了一个水稻双定位 PPR 蛋白 OsPGL1，OsPGL1 的功能缺失导致 ndhD-878 的叶绿体 RNA编辑和 ccmFc-543 的线粒体 RNA 编辑都出现错误（表 3)，ccmFc-543 进行了同义编辑，但 ndhD-878 的编辑错误导致丝氨酸向亮氨酸的转化失败，进而导致叶绿体功能障碍和光合复合体的缺陷46。有些参与叶绿体发育的 PPR 基因受温度调控，相应的突变体在低温条件下叶绿素含量低，叶绿体发育异常，而在高温条件下发育正常。比如，突变体 cde4 和 tcd10 在叶片发育早期表现为白化表型，在 20低温下叶绿素含量降低，叶绿体发育异常，而在 32 生长时表型正常47 48。CDE4 编码叶绿体中的 P 型PPR 蛋白，CDE4 直接与叶绿体基因 rpl2、ndhA 和 ndhB 的转录本结合（表 3）。在 cde4 突变体中，这些转录本的内含子剪接在 20 时存在缺陷，但在 32 时正常。此外，CDE4 与鸟苷酸激酶 VIRESCENT 2（V2）相互作用，过表达 V2 增强了 CDE4 蛋白的稳定性，从而恢复了 20 环境下的 cde4 表型47；TCD10 基因编码 PPR 蛋白的，主要定位于叶绿体（表 3），TCD10 的提前终止导致叶绿体相关基因在 20冷胁迫下的表达明显减少，而在 32 高温下的表达则恢复到正常水平48。另一个低温褪绿突变体 osatp4，在低温条件下出现失绿和质体核糖体缺陷表型，OsATP4 是玉米 PPR-SMR 蛋白 ATP4 的同源基因，对于 rpl16-rpl14 转录本的积累必不可少（表 3）49。此外，籼稻品种 Dular 中克隆的一种 RNA 结合蛋白DUA1，该蛋白在低温条件下发育的早期阶段表现出叶绿体发育的缺陷。DUA1 低温条件下参与质体RNA 编辑（表 3），RNA 编辑辅助因子 WSP1 作为 DUA1 的互作蛋白，也参与了低温下叶绿体的发育，WSP1 增强了 DUA1 在低温下的稳定性50。叶绿体的生物发生是高度复杂的，其复杂的分子机制尚未完全阐明。尽管大量研究表明 PPR 蛋白可以通过多种作用方式和功能类型直接或间接地影响叶绿体的生物发生或发育过程，但 PPR 蛋白在调控叶绿体转录本的转录后修饰中的作用仍不清楚。克隆和更深入地研究 PPR 蛋白将有助于破译水稻基因表达的转录后调控网络。4PPR 蛋白调节水稻胚和胚乳发育线粒体的正常功能对于胚和胚乳发育至关重要，许多 PPR 蛋白通过参与线粒体 RNA 的编辑、剪接等，调控线粒体功能，从而影响胚和胚乳的发育。万建民团队51 55鉴定了多个胚乳发育突变体，都是由于 PPR 家族基因功能缺失而导致线粒体功能被破坏，从而影响胚乳正常发育。突变体 flo14 具有白垩质胚乳和种子致死表型，FLO14 编码了一个 P 型第 3 期曹近哲等：水稻 PPR 家族蛋白研究进展241 PPR 蛋白，包含 10 个 PPR 基序，将该基因命名为 OsNPPR3，定位于细胞核，OsNPPR3 参与调控线粒体中少数基因的表达和 RNA 剪接（表 4）51。此外，该团队还鉴定到多个粉状胚乳突变体，包括 frg1、flo10、flo18 和 flo22 等52 55，这些突变体中线粒体发育都受到影响。如 frg1 由于一个核定位的 PPR 蛋白编码基因的单碱基替换导致的，将其命名为 OsNPPR1，OsNPPR1 可与 CUCAC 基序结合，在突变体 fgr1中检测到多个内含子剪切异常的情况，可能影响线粒体发育的调控（表 4）52；而突变体 flo10、flo18 和flo22 中线粒体电子传递链中复合物的组装和活性减少，引起线粒体形态和功能改变，FLO10、FLO18和 FLO22 均为定位于线粒体的 P 型 PPR 蛋白（表 4），它们通过影响线粒体基因 nad1 内含子的剪接，进而影响复合物的组装和活性，或通过线粒体基因 nad5 转录本的编辑，从而影响线粒体的发育53 55。此外，FLO22 不仅能调控 nad1 转录本的成熟，还能与另一个 PPR 蛋白 DYW3 一起参与多位点 RNA 编辑55，这对正常的线粒体功能以及植物生长和胚乳淀粉合成至关重要。表 4参与调节水稻胚或胚乳发育的 PPR 蛋白Table 4PPR prote