植物光合作用为生物提供物质、能量和氧气，光合作用相关的生物过程必须与生物钟紧密协调，才能最大限度地提高光合效率。镁是光合作用的重要元素，2020年福建农林大学陈志长课题组报道了一个水稻叶绿体镁离子转运蛋白OsMGT3，负责向叶绿体节律性输入镁离子，进而调节光合碳固定（Li et al., Nature Plants, 2020），然而，OsMGT3是如何受到生物钟调控来影响光合过程还不清楚。
2022年9月16日，陈志长课题组在国际学术期刊Molecular Plant在线发表了题为“Two central circadian oscillators OsPRR59 and OsPRR95 modulate magnesium homeostasis and carbon fixation by regulating rhythmic expression of OsMGT3 in rice”的研究论文，发现了两个核心昼夜节律振荡器OsPRR59和OsPRR95负向调控水稻OsMGT3的节律性表达。该研究认为OsMGT3介导的碳固定通过糖信号正向调节ROS水平，而ROS又通过诱导OsPRR95和OsPRR59的表达来抑制OsMGT3。这种反馈回路为增强植物生物钟和光合作用之间的相互作用提供了一种新的途径。
该研究首先通过酵母单杂交筛选试验，发现PRR家族蛋白能与OsMGT3上游启动子结合。考虑到PRR家族在植物生物钟调节中的重要作用，研究者将水稻中所有的PRR进行酵母单杂交和EMSA验证。随后，研究者利用CRISPR/Cas9技术产生各种PRR突变体，发现只有在osprr95 59双突变体中才能观察到OsMGT3表达水平的显著变化，暗示OsPRR95和59之间可能存在功能冗余。此外，osprr95 59双突变体中OsMGT3表达水平升高，而OsPRR95和OsPRR59过表达系中OsMGT3表达水平下降，进一步证实了OsPRR95/59对OsMGT3转录的抑制作用。
OsPRR1, 95和59结合OsMGT3启动子抑制其转录
由于OsMGT3介导了水稻叶绿体中的镁转运和随后的碳固定，因此本研究进一步对OsPRRs是否也参与叶绿体镁稳态和光合作用进行了分析。与野生型相比，osprr95 59双突变体的碳同化速率（An）显著提高，与OsMGT3过表达株系的An水平相当。过表达OsPRR95或59会降低An在日周期内的水平，与osmgt3突变体的水平相似。另外，叶绿体中镁的含量也是与An呈现出一致的水平。研究者利用基于荧光共振能量转移（FRET）的荧光蛋白MARIO来检测叶绿体中游离镁离子的含量，发现OsMGT3和OsPRR95/59的表达变化在黎明时对基质中游离镁离子的影响很大。这表明OsPRR95和59通过调控镁转运蛋白基因OsMGT3参与叶绿体中游离镁离子的动态变化，进而调控光合碳固定。
随后，研究者通过外源添加不同糖源和各种影响ROS水平的化学物质，发现OsPRRs-OsMGT3调控模块与细胞体内的糖和ROS水平密切相关。OsPRR95、OsPRR59以及OsMGT3的昼夜节律性表达都受到了蔗糖和超氧阴离子的显著影响。同时，osprr95 59双突变体和OsMGT3过表达系在白天内源性蔗糖和超氧阴离子水平均升高，而osmgt3突变体和OsPRR95/59过表达系在白天内源性蔗糖和超氧阴离子水平均降低。以上结果表明糖信号和ROS信号参与了OsPRRs-OsMGT3调控模块，并形成负反馈回路。
鉴于OsPRRs-OsMGT3-sugar-ROS反馈回路需要镁转运的参与，因此研究者进一步调查了该回路与缺镁胁迫的关系。结果显示，缺镁胁迫显著降低了光合碳固定，但是增强了ROS以及蔗糖在水稻体内的大量积累。缺镁胁迫处理后OsMGT3的表达被显著抑制，而OsPRR95和59的表达则显著升高。有趣的是，添加DPI来抑制超氧阴离子后，导致缺镁诱导的光合抑制和基因表达量的改变被减弱，但对蔗糖积累影响不大。以上结果表明，水稻通过整合缺镁信号与这个反馈回路来对缺镁胁迫做出生理响应，也说明OsPRRs-OsMGT3调控途径可以提高水稻在不利环境中的生存适应性。
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