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

3.1.2 PGR5/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2 min 30 s, 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40 s远红光(λ>705 nm,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3 0.1μmol·L-1 NaHSO3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4 0.1μmol·L -1 NaHSO3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