（细胞生物学专业论文）高温胁迫对螺旋藻光系统Ⅱ影响的研究.pdf

摘要 摘要 离温胁追是限制离等植物帮藻类生长嚣产量的主要环境阂子之一。光系统 i i ( p s i i ) 对环境胁遣的响应被认为是光合作瘸适应逆境过程中最重要的一个环 节。高温胁迫对螺旋藻p s i i 的研究相对较少，对p s i i 受体侧的研究更加少了。 我们借助热致发光及q a 再氧化动力学，这掰种检测完整光含生物p s i i 供体侧和 受体侧魄子传递静奢效、燕摹、无损费蕊方法，势离溢胁遣如褥影噙供俸侧嚣 受体侧的电子传递提供更直接的依据，获得高温胁迫对p s i i 功能影响的更精确 的消息。另外，有关螺旋藻在高温胁迫下的能量传递过程研究较少，希望在荧 光光谱磺究麴维采上探求萁对高溢胁遍豹适应枧理。主要研究结果如下： l 。商澄胁追捧铡螺旋藻p si l 的活性，p s i i 藏初光能转纯效率f v f m 随处理温度 的提高而下降。高温去除后f v f m 可以得到部分恢复( 5 - 1 5 ) 。 2 高温胁迫对闽光诱导的可变荧光衰减动力学有避著影响，分别代表q a 至i jq s 的 直接电子传递翻p q 分子扩教剽空豹q b 霞点藤q f 委q b 电子传递鳃抉穗( 半衰 期1 6 0m s ) 和中褶( 半衰期2m s ) 占整个可变荧光的比例，随处理温度的升高显 著降低，而代表s 2 q a 电荷重组的慢相( 半衰期约4 s ) 显著增加。显示高温导 致q a 捌q b 鳃电子传递竣及p q 与q b 短点瓣结合受阻，麸搿促进了q a - 与放氧 复合体s 2 态酌重组过程。同时我们发现，经过5 分钟的恢复，这些光系统i l 还原侧电子传递的功能抑制能够大部分得到恢复，显示高温胁迫对受体侧电子 传递的影响具有可逆性。 3 。i 蘧避采焉7 7 k 低温荧光毙谱等手段，我嚣】磷究了离溢胁遥对螺旋藻缨照光合 能量传递的影响。研究显示，高温胁迫对5 8 0 n m 和4 3 6 n m 激发的低温荧光光 谱都有显著影响。高温胁迫对p sl 的发射峰f 7 2 5 和f 7 5 1 没有显著影响，显 示高温没有影嚷藻胆_ 俸到光系统l 酶激发箍传递。露离温胁迫弓 超了p b s 对 p si l 荧光发射比值的上升，说明高温抑制了藻胆体到光系统之间的激发能 传递。但藻蓝蛋白的发射峰6 4 3 n m 在高温处理后基本没有变化，显示高温抑 制p b s 到p sl l 的能量传递不是瘫予藻蓝蛋囱到别藻蓝蛋爨之闻的能量传递受 隧造成的。结果还显示，高温胁迫对藻疆体到光系统 l 链量传递懿撺铡也不是 由于藻胆体与光系统i i 发生分离，而是抑制了别藻蓝蛋白到c p 4 3 和c p 4 7 的 能量传递，原因可能是由于藻照体内部结构的改变引起的。 摘要 4 热致发光( t l ) 和荧光衰减动力学的测定和分析结果显示，高温胁迫改变了 s 2 q a 和s 2 q b - 重组体的稳定性，其中s 2 q a 的稳定性降低，s 2 q b 的稳定性升高。 根据具有异质性的t l 信号，我们推测有活性p s i i 中有可能存在对高温胁迫敏 感度不同的两种亚基，它们具有不同的q b q a - 氧化还原势能。当高温胁迫造成 相当数量的反应中心失活，q a 到q b 正常的电子传递受阻时，光系统有可能通 过保存更多的具有较高能量的反应中心亚基，达到促进q a 到q b 的电子传递的 目的。 5 o j i p 荧光瞬态上升曲线在高温胁迫后出现标志性k 峰，说明螺旋藻的放氧复 合物受到伤害，放氧s 态引起的多次闪光下的t l 振荡，显示这个高温处理对 s l - - $ 2 的转变没有影响，却抑制了$ 2 - - $ 3 的转变，这同o j i p 荧光瞬态上升曲 线的结果相一致，说明高温对螺旋藻放氧复合体造成了伤害。 关键词：p s i i ；t l ；s 态；高温胁迫；光合作用；螺旋藻；叶绿素荧光；可变 荧光衰减； i i a b s t r a c t s t u d i e so ne f f e c t so fh e a ts t r e s so nt h ep s i io f s p i r u l i n ap l a t e n s i s w a n gj i a d e r e c t e db yp r o f w e nx i a o g a n g a b s t r a c t h e a ts t r e s si so n eo ft h em a i ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r st h a tl i m i t st h eg r o w t ha n d p r o d u c t i v i t yo fp l a n t sa n da l g a ls p e c i e s p h o t o s y s t e mi i ( p s i i ) i sb e l i e v e dt op l a ya k e y r o l ei nt h er e s p o n s eo fp h o t o s y n t h e s i st oe n v i r o n m e n t a lp e r t u r b a t i o n s ，劢oe f f e c t s o fh e a ts t r e s so np s i ih a v en o tb e e ni n v e s t i g a t e de x t e n s i v e l y , e s p e c i a l l yo nt h e a c c c p t o rs i d e t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e de f f e c t so fh e a ts t r e s so np s i if u n c t i o no f s p i r u l i n ap l a t e n s i sa n dt h et r a n s f e ro fe x c i t a t i o ne n e r g y t h ep r i m a r yr e s u l t sa l e f o l l o w i n g ： 1 f v f m ，t h em a x i m a le f f i c i e n c yo fp s i ip h o t o c h e m i s t r y , d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew h e nm e a s u r e di m m e d i a t e l ya f t e r5m i n t e m p e r a t u r et r e a t m e n t 。f 蝴陋s h o w e do n l yap a r t i a lr e c o v e r y ( 5 一l5 ) w h e nt h eh e a t t r e a t e dc e l l sw e r ec o o l e dd o w nt ot h eg r o w i n gt e m p e r a t u r ea n di n c u b a t e df o ra n o t h e r 5m i n 2 。h e a ts t r e s sa f f e c t e dc o n s i d e r a b l yt h er e l a x a t i o no ff l a s h - i n d u c e dv a r i a b l e c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e 弧ea m p l i t u d e so ft h ef a s t ( 16 0 秘s ) a n dt h em i d d l e ( 2m s ) c o m p o n e n t s ，a s s i g n e dt oe l e c t r o nt r a n s f e rf r o mq a 。t oq bs i t ea n dt h ed i f f u s i o no fp q m o l e c u l e st oa ne m p t yq 8s i t e ，r e s p e c t i v e l y , d e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r e o nt h eo t h e rh a n d ，t h es l o wc o m p o n e n t ( 4s ) d u et ot h ec h a r g e r e c o m b i n a t i o nf r o mt h es 2 q a s t a t eo ft h ew a t e ro x i d a t i o nt ot h es , q as t a t e , i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a th e a ts t r e s sl e a d st ot h ei n h i b i t i o no fe l e c t r o n i i i a b s t r a c t t r a n s p o r tf r o mq a t oq b ，t h eb i n d i n ga f f i n i t yo f ap qm o l e c u l et ot h eq b - b i n d i n gs i t e ， a n dt h ei n c r e a s e dp r o b a b i l i t yo fb a c ke l e c t r o nt r a n s f e rf r o mq a t 0s 2s t a t ea tt h e e x p e n s eo ff o r w a r de l e c t r o nf l o w h o w e v e r , t h e s ec h a n g e si nt h ef u n c t i o no ft h e a c c e p t o rs i d eo fp s l lw e r em o s t l yr e c o v e r e da f t e r5m i ni n c u b a t i o na tt h eg r o w t h t e m p e r a t u r e i ti n d i c a t e dt h a th e a ts t r e s si n d u c e sar e v e r s i b l ei n h i b i t i o no fe l e c t r o n t r a n s p o r ta tt h ea c c e p t o rs i d eo fp s i i 3 t h ee f f e c t so fh i g ht e m p e r a t u r eo ne x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rf r o mp b st op s i a n dp s l lw e r es t u d i e db ym e a s u r i n g7 7k c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r a h e a ts t r e s sh a das i g n i f i c a n te f f e c to n7 7kc h lf l u o r e s c e n c ee m i s s i o ns p e c t r ae x c i t e d e i t h e ra t4 3 6o r5 8 0n n t h e r ew a sn os i g n i f i c a n tc h a n g ei nf 7 2 5a n df 7 51 d u r i n g h e a ts t r e s s ，s u g g e s t i n gt h a th e a ts t r e s sh a dn oe f f e c t so ne x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e r f r o mp b st op s i o nt h eo t h e rh a n d ，h e a ts t r e s si n d u c e da ni n c r e a s ei nt h er a t i oo f c i l lf l u o r e s c e n c ey i e l do fp b st op s i i i n d i c a t i n gt h a th e a ts t r e s si n h i b i t se x c i t a t i o n e n e r g yt r a n s f e rf r o mp b st op s i i h o w e v e r , t h i si n h i b i t i o nw a sn o ta s s o c i a t e dw i t ha n i n h i b i t i o no fe x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rf r o mc p ct oa p cs i n c en os i g n i f i c a n tc h a n g e s i nf 6 4 3o c c u r r e da th i 曲t e m p e r a t u r e s ad r a m a t i ce n h a n c e m e n to ff 6 6 4o c c u r r i n ga t 5 2 5o ci n d i c a t e st h a te x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rf r o ma p ct ot h ep s i ic x ) r ec o m p l e x e s i ss u p p r e s s e da tt h i st e m p e r a t u r e ，p o s s i b l yd u et ot h es t r u c t u r a lc h a n g e sw i t h i nt h e p b sc o r eb u tn o tt oad e t a c h m e n to fp b sf r o mp s i i ，r e s u l t i n gi na l li n h i b i t i o no f e x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rf r o ma p ct op s i ic o r ec o m p l e x e s ( c p 4 7 - ：c p 4 3 ) a d e c r e a s ei nf 6 8 5a n df 6 9 5i nh e a t s t r e s s e dc e l l sw i t he x c i t a t i o na t4 3 6n n ls e e m st o s u g g e s tt h a th e a ts t r e s sd i dn o ti n h i b i te x c i t a t i o ne n e r g yt r a n s f e rf r o mt h ec h la b i n d i n gp r o t e i n sc p 4 7a n dc p 4 3t ot h ep s i ir e a c t i o nc e n t e ra n dt h ed e c r e a s e dc h l f l u o r e s c e n c ey i e l d sf r o mc p 4 3a n dc p 4 7c o u l db ee x p l a i n e db yt h ei n h i b i t i o no ft h e e n e r g yt r a n s f e rf r o ma p c t op s i ic o r ec o m p l e x e s ( c p 4 7 + c p 4 3 ) 4 w ec a nr e c e i v ei n f o r m a t i o nf o r mt la n dd e c a yo fc h laf l u o r e s c e n c ey i e l d a f t e ras i n g l et u r n o v e rf l a s ht h a th e a ts t r e s sm o d i f i e st h es t a b i l i t yo ft h es 2 q a 。a n d s 2 q b 。s t a t e s ，t h e r e i n t oh e a ts t r e s sw e a k e n st h es t a b i l i t yo ft h es 2 q a a n de n h a n c e s t h es t a b i l i t yt h es 2 q b s t a t e w ec o n c l u d ef r o mt h eh e t e r o g e n o u st ls i g n a l st h a tt h e r e m i g h tb et w os u b p o p u l a t i o n si nt h ea c t i v ep s i ir e a c t i o nc e n t e r sw h i c hh a v ed i f f e r e n t r e d o xp o t e n t i a la n ds h o wd i f f e r e n ts e n s i t i v i t yt oh e a ts t r e s s w h e nag r e a td e a lo fp s i v l jr e a c t l o nc e n 觚t u mt ob ei n a c t i v eu n d e r h e a ts t r e s s ，a n dt h ee l e 咖nt r 鞠s 向f 0 彻 ( ht 0q ba r em o s t l yb l o c k e d ，t h ep h o t o s y s t c mm i g h ts t o r em o r es u b p o p u l a t i o i l s0 f 坳c t i c 锄讹砌c hh a v eh i g h e n e r g yt op r o m o t et h ee l e c t r o nt r a n s f e rf o m q a t 0 q b 5 m e 廿1 0 d so fp o l y p h a s i cr i s eo ff l u o r e s c e n c et r a n s i e n t s ( o r e ) a i l dt lm e r a s e n 懿o ft u 加o v 盯n a s h e sw e r eu s e dt o i n v e s t i g a t et h ee f f e c to fh e a ts t r e s so nm e o x y g e i l 。e y o l n gc o m p l e x a p p e a r i n gs p e c i f i ck - p h a s ei no j i ps h o w s t h a th e a ts t r e s s d 锄a g e st h eo x y g e n 。e v o l v i n gc o m p l e x t h et l s i g n a l ss u 鹳e s tt h a th e a ts 纸嚣sh a s1 1 0 e 拄e c t so nt l l e 咖n s i t i o nf r o ms lt os 2b u tp r e s u m a b l yi i l l l i b i t st l l et r a n s i t i o nf r o ms ，一 s 3 w t l i c h1 sc 0 n s i s t 哪w i t ht h er e s u l to fo j i p t h e r e f o r e , h e a ts 嘶sd 锄a g c s l e k e yw o r d s ：p s i i ；t l ；s s t a t e ；h e a ts t r e s s ；p h o t o s y n t h e s i s ；s p i r u l i n 口础绷西： c h l o r o p h y l lf l u o r e s c e n c e ；d e c a yo fc h laf l u o r e s c e n c ey i e i d v 缩写词 詈皇葛詈皇皇皇曼詈皇曼皇! 鼍皇曼皇詈鼍曼皇皇皇葛! 皇詈富皇曼寡! 詈詈詈毫! 苎暑苎鼍量詈篁皇鼍! 皇! 皇! 皇鼍曼鼍! 曼詈曼皇詈鼍。 m l l , 量鼍曼曼! 皇! ! 鼍曼寡詈曼鼍詈曼 缩写词a b b r e v i a t i o n s 缩写词 o e c p b s p c p c b p e p e b p e c p h p q p s i p s i i p u b p x b q a q b t l y z d d i n u c l e o t i d ep h o s p h a t e o x y g e n - e v o l v i n gc o m p l e x p h y c o b i l i s o m e p h y c o c y a n i n p h y c o c y a n o b i l i n p h y c o e r y t h r o b i l i n p h y c o e r y t h r o b i l i n p h y c o c r y t h r o c y a n i n p h c o p h y t i n p l a s t o q u i n o n e 爆 p h o t o s y s t e mi p h o t o s y s t c m p h y c o u r o b i l m p h y c i b i l i v i o l i n p r i m a r yq u i n o n ea c c e p t o ro fp s s e c o n d a r yq u i n o n ea c c c p t o ro fp si i t h e n n o l u m i n e s c e n c e r e d o x a c t i v e t y r o s i n e s i nt h ed1 d 2 p o l y p e p t i d e s 原型辅酶 放氧复合物 藻胆体 藻蓝蛋白 藻蓝胆素 藻红蛋白 藻红胆素 藻红蓝蛋白 脱镁叶绿素 质体醌 光系统i 光系统i i 藻脲胆素 藻紫胆素 p s 原初电子受体 p s 次级电子受体 热致发光 d l d 2 多肽链中有氧化还原活 性的酪氨酸残基 v i l 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院植物研究所有关保留、使用学位论文的 规定，即：植物研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅 和借阅；学校可以提供目录检索以及公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者签名：啦 圣丑年复且主粤目 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 墟 解密时间：年月 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓f 用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：勃五 2 0 0 7 年6 月 第一章综述 第一章综述 1 1 引言 光合作用是光合生物( 包括绿色植物、藻类和光合细菌) 把太阳能转变成 化学能的过程，它被称为“地球上最重要的化学反应”，是地球上唯一大规模地 把太阳能转化为化学能，无机物转化为有机物放出氧气的过程。它与当今人类 面临的粮食、能源、资源和环境等问题密切相关。尽管光合作用的研究已有两 百多年的历史，但它仍是目前国际上亟待解决的重大科学难题之一( 汤佩松， 1 9 9 3 ) 。植物和藻类的光合作用是利用光能将大气中的c 0 2 和水合成碳水化合物 并最终放出氧气，称为o x y g e n i cp h o t o s y n t h e s i s ；而光合细菌的光合作用则是利 用光能合成有机化合物但并不释放出氧气，称为a n o x y g c n i cp h o t o s y n t h e s i 。 光合作用过程可分为原初反应、水的裂解、电子传递及其偶联的磷酸化反 应和二氧化碳的同化四个步骤，这四个步骤中除了二氧化碳的同化外，其它均 在类囊体膜上进行。研究结果显示，高等植物类囊体膜上主要分布着四种复合 物：光系统i i ( 包括核心复合物和捕光复合物l h c i i ) 、光系统l ( 包括核心复 合物和捕光复合物l h c i ) 、细胞色素b 6 f 复合物和a t p 合成酶。两个光系统是 光能吸收、传递以及转化的场所。类囊体膜上所有叶绿素均存在于这两个光系 统中，其中，叶绿素b 只结合在捕光复合物中。 1 2 高温对光合作用的影响 1 2 1 高温对光合作用的影响 植物在遭受胁迫时，不能象动物那样运动到更适合生长的环境中去，因此， 植物为了生存必须能够适应外界环境的变化。植物在整个生育期间常常会遭受 到4 0 以上的高温胁迫，会对自身的发育和生长造成多方面的不利影响。严重 高温胁迫下甚至会导致植物的死亡，因此高温是限制植物生产力的重要环境因 子之一。要提高高温胁迫下的植物生产力，必须弄清楚植物在遭受高温胁迫时 的响应，揭示高温胁迫对植物造成伤害的机理以及植物耐受高温的机理。近年 高温胁迫对螺旋藻光系统影响的研究 来，人们对高温胁迫下植物的响应及高温胁迫对植物造成伤害的机理作了大量 研究，并取得了一系列进展( b e r r ya n db j 6 r k m a n ，19 8 0 ；s a n t a r i u sa n dw e i s ，1 9 8 8 ； y o r d a n o we ta l ，19 9 2 ) 。 多数情况下，植物的生产力与光合速率直接相关，近年来的大量研究证明 光合作用是植物对高温最敏感的过程( b e r r ya n db j 6 r k m a n , 1 9 8 0 ；w e i sa n db e r r y , 1 9 8 8 ；h a r d i n g se ta 1 ，1 9 9 0 ；h a v a u xa n dt a r d y , 1 9 9 6 ) 。高温对植物光合作用的影 响，主要是通过影响其化学反应和光合作用的组织结构来实现的。高温显著降 低c 0 2 的固定速率( b e r r ya n db j s r k m a n , 19 8 0 ；m o n s o ne ta l ，19 8 2 ；f e l l e re ta l ，19 9 8 ； d a v i d l a we ta l ，19 9 9 ) ，降低光合电子传递的能力( d e t a i n i n g - a d a m se ta l ，1 9 9 2 ； h o r t o nc ta l ，1 9 9 4 ；b u k h o ve ta l ，1 9 9 0 ，1 9 9 9 ) ，破坏叶绿体的超微结构( s m i l l i ee ta l ， 1 9 7 8 ；g o u n a r i se ta l ，1 9 8 4 ) 等。在高温胁迫条件下，对光合作用的限制因素是光 反应还是暗反应的问题曾存在过争议。但人们发现，高温胁迫对光合作用最重 要的影响是高温显著降低c 0 2 固定的量子效率( b j 6 r k m a nc ta l ，1 9 7 5 ) ，而在高 温和光抑制条件下，暗反应中的酶活性受到抑制并不会影响量子效率，因此越 来越多的实验证明光反应过程对高温更加敏感( b e r r ya n db j 6 r k m a n ，1 9 8 0 ；b a k e r e ta l ，1 9 9 1 ；h a v a u xe ta l ，1 9 9 6 ；) 。而参与光反应的光系统i ( p s i ) 和光系统i i ( p s i i ) 以及电子传递体等重要复合物都位于类囊体膜上，所以高温胁迫对光合作用的 影响主要是对类囊体膜上发生的光反应过程及其组织结构的影响。 1 2 2 高温对p s i i 复合体结构与功能的影响 高等植物光合作用的反应中心可分为光系统i ( p s i ) 和光系统i i ( p s i i ) 。 近2 0 年来，p s i i 的结构和功能研究取得了令人瞩目的成就。p s i i 的各种色素及 功能单位均与各种蛋白复合在起，构成色素蛋白复合体。现已确定光合作用 光能的吸收、传递和转化均是在具有一定分子排列及空间构象、镶嵌在光合膜 上的捕光及反应中心色素蛋白复合体中进行的。与p s i i 有关的多肽现已发现的 已经超过2 0 种( h a n s s o na n dw y d r z y n s k i 19 9 0 ：h a n k a m e ra n db a r b e r , 19 9 7 ) 。 图1p s i i 复合体的结构( h a n k 一平b a r b e r , 1 9 9 7 ) 图i 足p s i i 蛋白复合体的结构图。p s i i 复台体包括三 1 1 分结构：由围绕 p 6 8 0 的c p 4 3 和c p 4 7 两个色素蛋白复合体组成的近侧天线，和主要由l h c i i 组成的远侧天线共同构成的捕光天线系统。由两个3 2 k d 多肚组成的d 1 - _ d 2 蛋白。其巾包括着原仞电子供体y z ，中心色素p 6 8 0 ，原初电子受体p h e o ，q a ， q b 和铁原子，构成反应中心的电子传递链。出3 3 2 3 及1 7 k d 三种外周多 肽以及与放氧柏关的锰簇、氮和钙离子组成的水氧化放氧复合物。另外与d 1 d 2 多肽紧密结台的9 k d ( ) 和4 k d ( b ) 两个多肽组成的细胞色素b 5 5 9 。 随着近年束，l h c i i6 a ( k f f h l b r a n d ta n dw a n g ，1 9 9 1 ) 、3 4a 分辨率的二维晶体 ( k i i h l b r a n d te ta 1 1 9 9 4 ) 和2 7 2 a 三维晶体( l i ue ta l ，2 0 0 4 ) 及2 0 a ( h a n k a m e r e ta l ，1 9 9 7 ；b o c k e m ae ta l ，1 9 9 5 ) 、8a ( r h e ee ta l ，1 9 9 8 ) 的p s i i 核心复合物、完 整的p s i i 复合物的_ 维晶体的解析成功，有关p s i i 结构的研究已太大日口进了一 步。 p s i i 的结构决定了其功能，首先是捕光天线系统吸收光能，并把光能传递 到反应中心，在反应中心发生光睡导光化学反应，通过电荷分离把光能转化为 电能，在通过一系列电子传递体把电子传递到p s i ，同时氧化水放氧。 p s i i 被认为是对高温最敏感的( b e r r ya n db i 6 r k m a v 1 9 8 0 ；h a v a u xe ta l ，1 9 9 6 ； 高温胁迫对螺旋藻光系统影响的研究 詈i 一! t a lt a ma ti t!t!ttl _i! i 葛 b a k e re ta l ，1 9 9 1 ；t a k e u c h ia n dt h o m b e r , 1 9 9 4 ；h a v a u xc ta l ，1 9 9 2 ，1 9 9 3 ，1 9 9 6 ；) 。许 多研究表明光合作用高温伤害的原发部位与p s i i 紧密有关( b e r r ya n db j 6 r k m a n ， 1 9 8 0 ；w e i sa n db e r r y , 1 9 8 8 ；h a v a u xa n dt a r d y , 1 9 9 6 ) 。而叶绿体被膜、叶绿体基质 的酶和p s i 复合物表现出相对较高的热稳定性( p e a r c ye ta l ，1 9 7 7 ；b e r r ya n d b j 6 r k m a n , 1 9 8 0 ；m c c a i oe ta l ，1 9 8 9 ；s a y c de ta l ，1 9 8 9 ；b o u c h e re ta l ，1 9 9 0 ，1 9 9 3 ； h a v a u xe ta l ，1 9 9 3 ；m a m e d o vc ta l ，1 9 9 3 ) 。 到目前为止，许多研究都认为p s i i 比p s i 对高温更敏感，这种敏感性反映 在：高温导致p s i i 的放氧复合物失活，p s i i 介导的电子传递速率下降，叶绿体 的超微结构受到伤害等。关于高温胁迫对p s i i 结构和功能的影响，目前主要有 以下几方面的观点：( 1 ) 高温胁迫导致p s i i 的外周天线复合物l h c i i 与核心复合 物的分离( a r m o n dc ta l ，1 9 7 8 ，1 9 8 0 ；g o u n a r i sc ta l ，1 9 8 4 ；m c c a i oe ta l ，1 9 8 9 ； s u n d b ye ta l ，1 9 8 6 ；p a s t e n e sa n dh o r t o n , 1 9 9 6 ) ，p s i i 反应中心功能失活( s c h r e i b e r a n da r m o n d ，1 9 7 8 ) 、天线系统构象的变化( s r i v a s t a v ae ta l ，1 9 9 7 ) 。( 2 ) 高温胁 迫导致放氧复合物的失活( y a m a s h i t aa n db u t l e r , 1 9 6 8 ；h a v a u x ，1 9 9 3 ) 。( 3 ) 高温 胁迫导致q a 到q b 的电子传递失活( b u k h o ve ta l ，1 9 9 0 ；c a oa n dg o v i n d j e e ， 1 9 9 0 ) 。 1 2 2 1 高温导致p s i i 反应中心与l h c l l 分离及其构象变化 p s i i 外周天线复合物l h c i i 与核心复合物的结合很脆弱，高温能迅速破坏 这种结合( a r m o n d e ta l ，1 9 7 8 ，1 9 8 0 ；s u n d b ye ta l ，1 9 8 6 ) 。高温下p s i i 复合体失活 的原因之一就是高温胁迫导致外周天线复合物与核心复合物的分离( a r m o n de t a l ，1 9 8 0 ；g o u n a r i se ta l ，1 9 8 4 ；s u n d b ye ta l ，1 9 8 6 ；m c c a i oe ta l ，1 9 8 9 ) 、天线系统构 象的变化( s r i v a s t a v ae ta l ，1 9 9 7 ) 。用离体的叶绿体制备物研究发现，p s i i 复合 体的耐热性与p s i i 结合的l h c i i b 的数量之间有明显的相关性( s h u t i l o v ae ta l ， 1 9 9 5 ) 。有报道认为使p s i i 核心复合物变性的温度是6 0 ，而使l h c i i 蛋白变 性的温度是7 4 ( s m i t he ta l ，1 9 8 9 ) 。 那么为什么l h c i i 从p s i i 反应中心的脱落和构象改变能使p s i i 复合体失活 呢? 为了回答这个问题，必须了解l h c i i 的功能。在类囊体膜上，l h c i i 在进 行光能吸收和传递的同时，对类囊体膜结构的维持尤其是对基粒垛叠起着非常 重要的作用，a r g y r o u d i a k o y u n o g n o ue ta l ( 1 9 7 1 ) ，a m t z e ne ta l ( 1 9 7 8 ) ，匡廷 云e ta l ( 1 9 7 9 ) 先后证明了蚕豆、豌豆和小麦发育不完善的叶绿体类囊体膜缺乏 第一章综述 l h c i i ，也缺乏垛叠的基粒。l h c i i 的存在是基粒形成的内在主导因素，而介质 中一定的阳离子浓度则是基粒形成的外在条件( 匡廷云e ta l ，1 9 7 9 ) 。 在高温强光等逆境条件下，p s i i 的捕光色素蛋白复合体( l h c i i ) 能稳定p s i i 复合体，维持放氧复合体的功能状态，对p s i i 的热稳定性有重要作用( h a v a u xa n d t a r d y , 1 9 9 7 ) 。h a v a u x 和t a r d y ( 1 9 9 7 ) 对此进行了研究，他们发现完全缺失 l h c i i b 的大麦突变体c h l o r i n a - f 2 的热稳定性比野生型要低，p s i i 开始高温失活 的温度分别为3 5 、3 8 5 c 。突变体对高温敏感的原因是当p s i i 的l h c i i 数量减 少时，p s i i 的电子供体侧抗热性变得很弱，轻微的热胁迫就使p s i i 的3 3 k d 外 周蛋白从p s i i 的放氧复合体上脱离，这项研究同时还发现突变体对强光抑制光 合作用的敏感性也显著高于野生型。 1 2 2 2 高温导致p s i i 的放氧复合物失活 p s i i 的一个重要功能是参与水裂解放氧，它发生在p s i i 的氧化侧，电子传 递涉及水裂解系统。水氧化放氧系统由3 3 、2 3 及1 7 k d 三种外周多肽以及与放 氧有关的锰族、氯与钙离子组成。 p s i i 的水裂解放氧是高等植物和藻类的光合系统中对高温最敏感的过程之 一( k a t o ha n ds a np i e t r o ，19 6 7 ；y a m s h i t aa n db u l t l e r , 19 6 8 ；s a n t a r i u se ta l ，1 9 7 5 ； t h o m a se ta l ，1 9 8 6 ；e n a m ie ta l ，1 9 9 4 ) ，中度高温就可以影响光合作用的放氧活 性。其中一个证据是外加合适的化合物( 如l ，5 - d i p h e n y l c a r b a z i d e , h y d r o x y l a m i n e ) ，这些化合物可以作为人工电子供体，使高温失活的叶绿体p s i i 电子传递得到一定程度的恢复( y a m s h i t aa n db u l t l e r , 1 9 6 8 ；v e r n o na n ds h a w , 1 9 6 9 ， s a n t a r i u se ta l ，1 9 7 5 ；p e a r c ye ta l ，1 9 7 7 ) 。 关于放氧复合物在高温胁迫下失活的机理问题，从上世纪6 0 年代开始一直 是人们感兴趣的课题。一个解释是高温处理使组成锰族并催化放氧的锰从p s i i 核心复合物上释放下来，从而导致放氧活性的丧失( c h e n i a ea n dm a r t i n , 1 9 7 0 ； k i m i m u r ak a t o h ，1 9 7 2 ；n a s he ta l ，1 9 8 5 ) 。当高温胁迫使放氧活性完全丧失，但还 没有显著的蛋白丢失时，4 个锰原子的两个已经与p s i i 复合体分离( n a s he ta l ， 1 9 8 5 ；t h o m p s o ne ta l ，1 9 8 9 ) 。3 3 k d 蛋白是放氧活性所必须的，当高浓度的c a c i 2 或者尿素使该蛋白去除时，会导致放氧活性的丧失。而且3 3 k d 蛋白对锰的稳定 有重要作用( k u w a b a r ae ta l ，1 9 8 5 ) 。又有研究报道高温使p s i i 的外在3 3 k d 蛋白 从p s i i 上释放是放氧复合物高温失活的根本原因( e n a m ie ta l ，1 9 9 4 ；y a m a n e e t 5 高温胁迫对螺旋藻光系统影响的研究 a 1 1 9 9 8 ) 。n a s he ta 1 ( 1 9 8 5 ) 已经证明高温引起菠