竹子捕光色素蛋白复合体的分子结构分析及其功能调节的分子机理

竹子是非常重要的森林资源，其速生的特点使其成为将太阳能转变为生物能量的潜在能源植物。光合生物对光能的吸收、传递和转化都是在叶绿体光合膜的捕光蛋白复合体上进行的，然而竹子捕光蛋白复合体的研究尚属空白。本研究以重要经济竹种毛竹为试材，从分离竹子的捕光蛋白基因入手，利用构建原核表达载体来实现捕光蛋白基因的体外表达，对表达的捕光蛋白进行纯化并与竹子色素进行体外重组，研究重组子单体、三体的光谱特性以及结合色素的种类与数量，分析捕光蛋白复合体的结构特征，揭示其在光能的吸收、传递和转化的作用，以期进一步阐明竹子光合作用的分子机制，深入理解竹子将光能转化为生物能量的机理。研究结果具有深远的理论意义，而且对于竹子的进一步开发利用具有重要的现实意义。

竹子速生的特点使其成为非常重要的潜在能源植物，将太阳能转变为生物能量。竹子叶绿素荧光动力学参数测定结果表明，竹子具有C3植物的类似特点。显微结构观察显示，不同竹种叶肉细胞中叶绿体的形态、结构存在一定的差异；淀粉粒的变化间接反映了竹种光合特性的差异；叶绿体结构的变异程度可能是影响竹子叶片色度的重要原因之一，使叶片呈现不同的颜色。.植物捕获光能是通过叶绿体类囊体膜上的捕光复合体来实现的，其中PSⅡ捕光叶绿素a/b结合蛋白是最为丰富的一类。从麻竹(Dendrocalamus latiflorus)和毛竹(Phyllostachys edulis)中分离得到5个PSⅡ捕光叶绿素a/b结合蛋白基因的同源基因，它们分别属于lhcb1、lhcb2、lhcb3、lhcb6类基因。组织特异性表达研究表明，lhcb基因在叶片、叶鞘和幼茎中均有表达，且在叶片中最高，而在根中未检测到表达；实时定量PCR证实，在强光照射(1500 µmo1•m-2•s-1)条件下，lhcb基因的表达量均呈下调趋势，不同基因间存在着一定的差异。.生物信息学分析表明，竹子lhcb1、lhcb2和lhcb3基因所编码的蛋白均由导肽和成熟蛋白组成，其中成熟蛋白均包含4个α螺旋结构，3个类胡萝卜素结合位点以及相应的叶绿素a、b结合位点。将3个基因编码成熟蛋白的序列分别插入到原核表达载体pET-23a的多克隆位点，并在大肠杆菌中诱导表达。首次成功实现了竹子PSⅡ大量捕光叶绿素a/b复合体的脱辅基蛋白Lhcb1、Lhcb2 和 Lhcb3与竹子类囊体色素的重组。Lhcb1和Lhcb2序列相似，均能形成同源三体，而Lhcb3由于N端缺少10个氨基酸残基而不能形成同源三体。对不同重组单体和三体的蛋白序列特征、色素构成、光谱特征和热-光稳定性进行分析，结果表明： Lhcb3 的各方面特征明显不同于Lhcb1和 Lhcb2；Lhcb3具有较低的Qy传递能、2 nm的红移和较高的热稳定性；在强光下Lhcb2单体最稳定。本研究结果证实，虽然竹子与其它高等植物的Lhcb存在一定的差异，但其光谱特征及其性质是类似的。在竹子分子生物学研究基础薄弱的条件下，通过利用Lhcb的相似性，借鉴其它物种已有研究成果，对深入开展竹子光合作用分子机制研究，更好地开发利用其高效光合效率具有重要的科学意义。