植物光合作用分子机制研究进展

植物光合作用分子机制研究进展小组“学习研讨”发言报告本次研讨方向：植物光合作用分子机制研究进展本小组承担的具体学习研讨主题：1.光合膜色素蛋白复合体的研究2.重要调控因子生物学功能之PGR5/PGRL1循环电子传递途径3.光能感知和信号转导1绪论1.1光合作用光合作用是植物利用太阳能把二氧化碳和水合成有机化合物并释放出氧气的过程，是地球上最大规模的能量和物质转换过程，是地球几乎一切生命生存和发展的物质基础。四个基本过程：1）光能的吸收与传递2）原初光化学反应3）电子传递及偶联的磷酸化4）碳素同化作用类囊体膜是光合作用能量转换所需的脂质双层膜,包含捕光系统，并将光能转化为化学能所必需的色素蛋白及酶系统。由许多不同的复合物参与光合作用过程,而多数复合体是嵌入类囊体膜的,其中四个膜结合的超分子复合物直接参与光合作用:光系统I(PSI)、光系统II(PSII)、ATP合成酶复合体及细胞色素b6f复合物。1.2光合作用国际发展趋势在国际上，当前光合作用研究主要集中在三个方面并取得了多项重大突破：(1)解析光合膜蛋白复合物及其调控因子的高分辨率晶体结构，阐明其高效传能、转能的分子机理是光合作用的研究核心。（2）一系列调控光合作用效率的新基因新蛋白被迅速发掘，阐明这些重要调控因子的生物学功能是最新的国际发展趋势。例如发现PGR5和PGRL1重要蛋白可以瞬间与其他色素蛋白复合体形成超级复合体内部的直接传递，从而确保光能的有效利用。（3）光敏色素、光信号传递蛋白解析他们生理功能及相互联系和调控机制。2光合膜色素蛋白复合体的研究2.1光合作用过程和光合作用分子机器—光合膜蛋白复合物如图一所示：光合作用光反应的执行者是镶嵌在光合膜上的4个重要超分子复合物（位于叶片叶肉细胞叶绿体中的类囊体膜上）分别是光系统II（PSII）、光系统I（PSI）、细胞色素b6f、ATP合酶。图1光合膜上4个重要蛋白超分子复合物示意图2.2解析光合膜蛋白复合物结构的原因通过蛋白质晶体学手段解析这些色素-蛋白超分子复合物的晶体结构，进而在原子水平上揭示其精细结构特征，由此阐明其能量高效吸收、传递和转化的机理。2.3解析PSI-LHCI超分子复合晶体结构2015年science发表由中国科学院植物研究所解析的高等植物光系统Ｉ（PSI）光合膜蛋白超分子复合物2.8Å的世界最高分辨晶体结构。PSI-LHCI的精细结构：包括16个蛋白亚基和215个辅因子，总分子量约600kDa；首次揭示PSI-LHCI的４个不同的捕光天线在聚集状态下的结构2.4对该主题的结论通过这个主题的研究我们知道了在光合膜色素蛋白的研究、对光合膜蛋白复合物的空间结构进行高分辨率的解析，由此来揭示光合作用传能和转能机理及其调控的原理，将可能使光合系统成为第一个在原子水平上，以物理和化学概念进行解释的复杂的生物系统。PSI-LHCI是一个极高效率的太阳能转化系统，实现对光合膜蛋白复合物的结构解析为揭示高等植物PSI-LHCI高效吸能、传能和转能的机理奠定了坚实的结构基础，对于阐明光合作用机理及能源开发利用具有重大的理论和实践意义。但由于PSI-LHCI的高分辨率结构没有被解析，它高效吸能、传能和转能的分子机理也不清楚。揭示PSI-LHCI的高分辨率结构，在此基础上揭示其高效吸能、传能和转能的机理，能够进一步推动人们对光合作用高效吸能、传能和转能机理的认识，为提高作物光能利用效率及为人工模拟光合作用开辟太阳能高效利用提供新的理论依据、新的思路及新的途径。3重要调控因子生物学功能研究之PRG5蛋白3.1光合作用中PGR5/PGRL1介导循环电子传递途径3.1.1循环电子传递途径在线性电子流中,被传递的电子经过两个光系统接力合作,最终被NADP+接收,并将NADP+还原成NADPH。在循环式电子传递途径中,被传递的电子经PSⅠ传递给Fd之后,不是进一步传递给NADP+,而是重新传递给细胞色素b6/f复合物,再经PC又回到PSⅠ,形成了闭路循环。图2循环电子传递途径3.1.2PGR5/PGRL1介导循环电子传递途径在高等植物中至少存在两种确切的环式电子传递途径:NDH途径和PGR5途径。NDH途径需要一个大的多亚基复合体的组装。大量不同亚基复合体的分离和研究证实这个复合体不是一个NADPH依赖型的质体醌还原酶。它从铁氧还原蛋白直接获取电子传递给质体醌。相对于NDH途径，PGR5途径的机制还不够清楚。PGR5和PGRL1重要蛋白可以瞬间与其他色素蛋白复合体形成超级复合体内部的直接传递，从而确保光能的有效利用。3.2低浓度NaHSO2促进拟南芥PGR5/PGRL1介导的循环电子传递的转运3.2.1材料处理拟南芥野生型与叶绿体NdhD基因缺失突变体crr4、PGR5基因缺失突变体pgr5、NdhD与PGR5缺失双突变体pgr5crr4。3.2.2叶绿素荧光参数及P700氧化还原动力学分析在室温26°C条件下,先给予45μmol·m-2s-1的作用光2min30s,诱导可变荧光动力学,作用光关闭后叶绿素荧光的瞬时上升用于反映PQ库氧化还原的变化。而P700氧化还原动力学则是照射40s远红光(λ>705nm,5.2μmol·m-2s-1),致使P700氧化而远红光关闭后,P700在暗中被还原。从而获得以下图：图30.1μmol·L-1NaHSO3对拟南芥叶片远红光关闭后暗中P700+的再还原初速率的影响图40.1μmol·L-1NaHSO3对野生型和pgr5作用光关闭后叶绿素荧光瞬时上升的影响图示3.2.3毫秒延迟发光测定毫秒延迟发光慢相可以反映跨类囊体膜质子梯度(ΔpH),间接地反映光合磷酸化能力。得到下图：图5光-暗-光转换条件(15hLDL)和持续光照条件(15hL)下低浓度NaHSO3对拟南芥野生型和突变体NdhH和PGR5亚基表达量的影响图60.1μmol·L-1NaHSO3对拟南芥野生型和突变体叶绿素荧光的毫秒延迟发光的影响3.3对该主题的结论在这个主题的研究中，我们主要探讨了PGR5和PGRL1介导的循环电子传递途径，其中PGR5也叫做质子梯度调控蛋白。图3C结论：我们发现在暗光转换条件下,低浓度NaHSO3处理可增强crr4突变体的远红光关闭后暗中P700+的再还原速率,而对pgr5突变体的增强效果次之说明低浓度NaHSO3能增强NDH和PGR5依赖的循环电子传递,且以增强PGR5依赖的循环电子传递途径为主。图3D结论：持续光照下低浓度NaHSO3增强crr4突变体的远红光关闭后暗中P700+的再还原速率,但对pgr5突变体影响效果不明显(图3-D),说明持续光照下低浓度NaHSO3对NDH途径作用效果不明显,这与Wu等(2011)的结果一致,而对PGR5依赖的途径增强效果显著。图5结论：对拟南芥野生型叶片喷洒0.1μmol·L-1NaHSO3后,在15hLDL的条件下,NdhH的表达量被明显增强,PGR5表达量增强效果不明显(图5)。而在15hL的条件下,NdhH的表达量增强效果不明显甚至被抑制,而PGR5被明显增强(图5),不仅验证了低浓度NaHSO3可增强暗光转图6结论：换条件下以NDH为主的循环电子传递,而且进一步发现低浓度NaHSO3在持续光照条件下可增强以PGR5/PGRL1为主的循环电子传递。拟南芥野生型叶片的毫秒延迟发光慢相高于crr4及持续光照条件下(15hL)低浓度NaHSO3处理能更大程度地促进crr4突变体的跨类囊体膜质子梯度,说明此促进的跨类囊体膜质子梯度是由促进的PGR5/PGRL1介导的循环电子传递引起的。4光能感知和信号转导4.1光敏色素光敏色素包括远红光吸收型（Pfr）和红光吸收型（Pr）两种类型，通过远红光和红光的可逆作用调节植物的生理活动。远红光吸收型是生理激活型，不稳定，吸收远红光后逆转为红光吸收型；红光吸收型是生理钝化型，较稳定，吸收红光后转变为远红光吸收型。在黑暗中，光敏色素主要以红光吸收型形式位于细胞质中，经过光照射后便会转移到细胞核内，直接与光敏色素互作因子（phytochromeinteractingfactors，PIFs）或其他信号转导组分作用，并将光信号作用于相关反应基因的启动子上，调控相关基因表达进而影响植物光形态建成的发生。研究表明，由光敏色素感受光信号并参与调控的生理反应包括种子萌发、幼苗形成、光合系统的建立、避荫作用、开花时间和昼夜节律响应等过程。4.2蓝光和紫外光受体植物的生长发育过程除受光敏色素接受的红光和远红光调节外，还受蓝光和紫外光调节。紫外光又可分为UV-A（320～390nm）、UV-B（280～320nm）和UV-C（小于280nm）。目前研究认为UV-A和蓝光可能为同一光受体所接收，即蓝光/UV-A受体，又称隐花色素（cryptochrome）。隐花色素调控植物伸长生长，开花时间以及生物体的生理节奏而向光素则调控植物一系列运动反应，包括向光性、叶绿体运动及气孔开启。在拟南芥中有两个基因CRY1、CRY2。CRY1、CRY2的N-端发色团结合区具有同源性，而且它们的C端区域可以交换，之后仍有生物活性；C端是蛋白-蛋白结合区，具有保守性，也是蓝光信号得以向下游传递的延伸区域；CRY2的C-端较CRY1的短，它们的功能相似，即阻止下胚轴伸长、诱导CHS基因表达、促进花青素合成等。4.3光信号转导光受体通过两条途径调控基因表达。其一是CRY和PHY介导的光抑制COP1对转录调控因子HY5、HFR1、LAF1和CO等的降解。其二是光受体与转录因子PIFs等互作,直接调控光响应基因的转录。在UV-B光受体UVR8介导的信号途径中,UV-B诱导形成的COP1复合体包含UVR8,该复合体能促进HY5的稳定性和活性。4.4对该主题的结论从这个主题的探讨中我们学习到了:植物光信号转导的分子遗传学是当前国际植物学界研究的前沿和热点，取得了许多新的突破性进展，在光信号的传递过程中，光敏色素、隐花色素和紫外光受体感受外界光信号，通过特定的受体（early-signalingcomponents）如FHY1和FHY3等结合到centralswitch如光形态建成的调控因子COP/DET/FUS和HY5，接着中心信息处理因子与特定反应的效应子发生光反应，作用于目的基因，调控基因表达。在一些反应中也可能由植物激素途径传递某些信号，因为植物激素能独立影响植物的发育过