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镁离子螯合酶是叶绿素生物合成途径中的第一个酶。它催化镁离子插入原卟啉Ⅸ中形成镁原卟啉Ⅸ,对叶绿素的合成起到决定性的调控作用。镁离子螯合酶由三个亚基组成,分别是I (BchI/CHLI)、D (BchD/CHLD)和H (BchH/CHLH)亚基。本研究首先探讨豌豆镁离子螯合酶I亚基(PsCHLI)氨基酸不同结构域的功能；其次利用病毒介导的基因沉默(VIGS)技术分别获得I和D亚基的沉默(VIGS-CHLI和VIGS-CHLD)豌豆植株,并以此为材料对镁离子螯合酶的生物学功能进行系统地研究；最后初步阐明叶绿体硫氧还蛋白(TRXs)对镁离子螯合酶I亚基的氧化还原调控以及对镁离子螯合酶活性的调控机制。本研究主要结果如下：PsCHLI氨基酸氨基端(PsCHLI-N,从Va163到SerTM)介导I亚基形成同源聚合体以及与豌豆镁离子螫合酶D亚基(PsCHLD)的相互作用；PsCHLI氨基酸羧基端(PsCHLI-C,从Ser337到Ser422)虽不参与相互作用,却与酶活性紧密相关。只有当PsCHLI氨基酸氨基端和羧基端串联在一起时(PsCHLI-NC,从Va163到Ser422),I亚基才能发挥ATP酶活性和镁离子螯合酶活性。与VIGS-GFP对照植株相比,VIGS-CHLI和VIGS-CHLD植株出现黄化表型,并且所检测的各种生理生化指标都发生变化：叶片中镁离子螯合酶活性和叶绿素含量都下降90%,5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,ALA)合成速率下降50%。叶绿体内囊体膜系统发育不全,叶绿体类核的结构发生改变并且光合作用效率下降。活性氧物质(ROS)的产生和抗氧化系统对ROS的清除能力之间的动态平衡被打破,从而造成ROS的积累。VIGS植株叶片代谢组学分析结果表明,镁离子螯合酶活性与叶绿体和线粒体等细胞器中的初级代谢途径密切相关。此外,CHLD参与调控光合作用相关的核基因(photosynthesis-associated nuclear genes, PhANGs)的转录。沉默CHLD和CHLI基因都会导致沉默植株叶片中光捕获叶绿素结合蛋白含量的下降,同时影响四吡咯生物合成相关蛋白在叶片中的含量。酵母双杂交和双分子荧光互补实验结果表明PsTRX-F和PsCHLI在体内具有相互作用。在镁离子螫合酶三个亚基和GUN4中,I亚基是硫氧还蛋白F唯一的靶蛋白。在体外,还原的PsTRX-F能够激活PsCHLI的ATP酶活性,并且增强CHLI,CHLD和CHLH以及调控蛋白GUN4重组的镁离子螯合酶活性。在体内,单独沉默PsTRX-F基因(VIGS-TRX-F)并没有引起沉默植株的表型、叶绿素含量、镁离子螯合酶活性以及体内I亚基的氧化还原状态的明显变化。但是,共沉默PsTRX-F和PsTRX-M基因(VIGS-TRX-FITRX-M)的豌豆植株出现黄绿色表型,镁离子螯合酶活性下降30%,叶绿素含量降低60%,ALA合成速率下调20%并且22%的I亚基处于氧化状态。在VIGS-TRX-FITRX-M中,叶绿体氧化还原状态的变化导致ROS的积累,产生氧化还原信号来介导叶绿体到细胞核的反向信号传导,从而引起PhANGs转录的变化。此外,TRX-F和TRX-M还作为重要的调控蛋白参与调控四吡咯生物合成相关蛋白在叶片中的稳定性。综上所述,镁离子螫合酶不仅参与叶绿素生物合成,而且是四吡咯生物合成代谢途径的关键调控酶,其活性还与ROS的动态平衡,叶绿体和细胞器之间的初级代谢以及反向信号传导有关。此外,叶绿体硫氧还蛋白在氧化还原水平,转录水平以及翻译后水平对镁离子螯合酶活性进行调控。这一系列结果揭示了镁离子螯合酶在植物细胞中的生物学功能和活性调控机制。