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光合作用和呼吸作用是植物细胞内两大非常重要的产能过程。植物在叶绿体中进行光合作用,在线粒体中进行呼吸作用。质体末端氧化酶（plastid terminal oxidase,PTOX）的发现,证实了植物叶绿体也存在耗氧的呼吸电子传递链。叶绿体类囊体膜上的PTOX作为有效的电子安全阀负责维持PQ库的氧化还原平衡,保护植物免受伤害。目前对PTOX的生理功能有一定的了解,但仍然知之甚少。本文以拟南芥PTOX缺失的杂斑化突变体immutans（im）为材料进行研究,分析了 PTOX与线粒体同源蛋白AOX（alternative oxidase）的功能相关性,发现进入叶绿体的AOX可以替代PTOX的功能;在此过程中,意外发现His标签对AOX替代PTOX功能有增强作用;此外,以两个叶绿体发育缺陷突变体为切入点,对PTOX参与的叶绿体早期发育调控进行了分析。线粒体AOX在进化上与PTOX具有同源性。将添加RbcS 1A叶绿体前导肽的各AOX靶向定位至叶绿体,发现AOX1b、1c、1d和AOX2能够完全回补im的杂斑化表型,而AOX1a可部分挽救im的突变表型,说明各AOX进入叶绿体后可不同程度地发挥PQH2氧化酶的功能。将各全长AOX在im中表达,发现AOX1b和AOX2可回补im的表型缺陷,而过表达AOX1a、AOX1c和AOX1d的im转基因植株仍呈现杂斑化。为了探究过表达的全长AOX在植物中的亚细胞定位,我们采用荧光共定位分析和叶绿体分离实验进行研究。荧光共定位分析显示,过表达的AOX1b和AOX2可部分进入叶绿体,而AOX1a、AOX1c和AOX1d存在于线粒体中。然而叶绿体分离实验结果显示,除了AOX1b和AOX2,有少量的AOX1a也出现在叶绿体中。为了进一步确定AOX1a在拟南芥中的亚细胞定位,我们在im突变体中过表达了各AOX前导肽与PTOX成熟肽的融合蛋白,发现AOX1a、AOX1b和AOX2的前导肽确实可将PTOX靶向定位于叶绿体,而AOX1c和AOX1d的前导肽则不能。综合以上结果说明,叶绿体定位的AOX可参与调节类囊体膜的氧化还原平衡,回补因PTOX缺失导致的杂斑化表型。AOX和PTOX之间的功能相关性揭示了线粒体和叶绿体的相互作用及植物蛋白双定位的复杂机制。在研究AOX和PTOX的功能相关性时,意外发现C末端带His标签的各全长AOX均可回补im的突变表型。对带His标签的转基因植株进行叶绿体的提取和蛋白免疫印迹分析,发现所有AOX均能进入叶绿体,且在叶绿体中的积累明显增多。对带His标签的AOX1b转基因植株进行叶绿体亚组分分离,发现AOX1b存在于类囊体膜上。在im突变体中过表达各AOX前导肽与C末端带His标签的PTOX成熟肽的融合蛋白,发现PTOX的定位不受His标签的影响,可能由于PTOX与AOX在C末端的结构差异造成。由此说明,C末端His标签促进了 AOX向叶绿体的转运,并且这种促进作用具有一定的特异性。ZDS（zeta-carotene desaturase）是类胡萝卜素生物合成中去饱和反应的关键酶,与PTOX共享PQ库。zds弱突变体呈现渐绿表型,发育初期叶片显示轻微的淡黄色斑点,六周龄后突变体与野生型外观无明显差别。为了研究叶绿体早期发育中PTOX介导的PQ氧化还原平衡与类胡萝卜素生物合成的关系,将im与zds弱突变体进行杂交,获得了im zds纯合双突变体。im zds双突变体呈现非常严重的白化表型,强光致死,生长迟缓,结种困难。显微镜下观察杂合体（imim/ZDSzds）植株的种子发育情况,发现果荚内绿色胚珠（基因型imim/ZDS）与白色胚珠（基因型imim/zdszds）的数量比例约为3:1。说明ZDS的缺失是im的遗传增强子,加重了im细胞中叶绿体的发育缺陷。由此推测在im zds双突中类胡萝卜素的合成可能严重受阻,相比于PTOX和ZDS介导的PQ库的氧化还原平衡,足量的类胡萝卜素的合成可能对植物的生长发育占主导地位。arc6（accumulation and replication of chloroplast 6）是叶绿体分裂受阻的突变体,其成熟叶肉细胞中只有2个体积显著增大的叶绿体,但arc6的生长、发育及外观与野生型植株无明显区别。为了探究PTOX参与的叶绿体早期发育的调控机制,将im与arc6突变体进行杂交,获得im arc6纯合双突变体。im arc6纯合双突呈现严重的白化表型,叶片显示极少的绿色斑点。这说明当im突变体的细胞只含有少量叶绿体时,植物的生长发育严重受阻。由此推测PTOX介导的叶绿体早期发育严格受光调控,im arc6双突可能由于叶绿体数量少不能互相重叠,从而使每个叶绿体都处于光胁迫下产生更严重的光损伤。综上所述,im zds和im arc6双突变体的创建与表型分析为PTOX响应外界光胁迫、参与叶绿体早期发育的调控提供了重要的依据,也为PTOX功能机制的深入探究开拓了思路。