D1蛋白周转过程的调控机制研究-以短命植物为例

Light is a crucial environmental factor affecting photosynthesis. Excess light energy absorbed by photosynthetic pigments damages photosynthetic machinery, primarily photosystem II (PSII), and causes photoinhibition that can limit plant photosynthetic activity, growth and productivity. Plants have developed mechanisms that can quickly and effectively repair photodamaged PSII, and net photoinhibition occurs when the rate of damage exceeds that of repair. The molecular mechanism of photoinhibition has been a matter of debate, although it has been researched extensively in well characterised model organisms. It has been found that ephemerals collected from the temperate desert area possess very high photosynthetic capacities and sustain integral thylakoid membrane and stable PSII supercomplex structure even under strong light conditions. Furthermore, the process of D1 protein turnover is particular, and thus photoinhibition is avoid in the ephemerals, which make them more ideal and suitable metarials to study the phenomenon of photoinhibition compared with model plants. This project proceeds around the core of the progress of D1 protein turnover and related regulating factors with the materials of ephemerals Arabidopsis pumila, which sustains stable PSII complex via accelerated D1 protein de novo synthesis. The research will analyse and explain the molecular mechanisms of the special D1 protein turnover in ephemerals, by comprehensively analysing function of the key factors involved in regulating of the D1 turnover process and their effect on PSII structure and activity. The results are of significance in elucidating the molecular mechanisms of the ephemerals to adapt to high light environments.

光是影响植物光合作用的一个关键环境因子，过度光照会破坏光合器官，进而引起光抑制的发生。光抑制是由光系统II (PSII)复合体上D1蛋白的周转失去平衡引起的。虽然光抑制现象在模式植物中已得到广泛研究，但其分子机制仍未得到解决。研究发现，生长于荒漠生态系统中的一类特殊植物类群—短命植物具有极高的光合效率，在高光下仍可保持完整的类囊体膜系统和稳定的PSII复合体，且具有特殊的D1蛋白周转过程，避免了光抑制的发生，这一特点使得短命植物成为比模式植物更合适的研究光抑制的材料。本项目以具有快速D1蛋白周转特性的短命植物小拟南芥为研究材料，以D1蛋白周转过程及其调控因子这一核心问题为主线，对参与D1蛋白周转的辅助因子进行系统全面的分析，研究关键因子对PSII结构与功能的影响，解析短命植物进行特殊D1蛋白周转过程的分子机制，此结果对阐明短命植物PSII适应高光环境的分子机制具有重要意义。

短命植物是一类长期生存于荒漠生态系统的特殊植物类群，具有极高的光合作用效率，其中小拟南芥（Arabidopsis pumila, A.pumila）是模式植物拟南芥的一个近缘种，但与拟南芥相比，它能够适应更高光强的环境，并具有特殊的D1蛋白周转机制。本项目利用小拟南芥为研究材料，通过检测高光响应过程中小拟南芥类囊体膜蛋白及复合体的变化，研究小拟南芥适应高光环境的机制。. 本研究首先对高光处理的小拟南芥进行了转录组分析，发现编码PSII和PSI的小亚基和部分捕光天线蛋白的基因表达量上调。对高光处理的小拟南芥叶绿体蛋白进行了蛋白质组学分析，并对差异蛋白进行代谢通路分析，发现位于类囊体膜上的蛋白显著富集，说明与光合作用相关的蛋白表达量变化较大，此外，卡尔文循环在高光适应过程中也起了重要作用。通过免疫印迹验证了光反应相关部分蛋白的表达量与蛋白质组学的结果是一致的。高光处理后小拟南芥类囊体膜的结构与功能均发生了明显的变化，激发能分配发生变化，PSII峰的荧光值逐渐降低，其中内周天线CP47的峰值降低最明显；高光处理后圆二色光谱psi-type峰的降低表明小拟南芥PSII-LHCII超级复合体的量有明显减少，类囊体膜上胡萝卜素的结构发生了明显变化；温和蓝绿胶及免疫印迹的结果验证了高光处理后PSII-LHCII超级复合体逐渐降低。此外，小拟南芥发生状态转换的速率快于拟南芥，这与其LHCII具有更快的磷酸化和去磷酸化速率有关。高光处理后小拟南芥光恢复的能力比拟南芥要强，这与其具有更快的D1蛋白周转速率是一致的。. 项目利用干旱区特有植物为研究材料，解析了短命植物小拟南芥进行特殊D1蛋白周转的机制，在高光条件下短命植物的蛋白调控网络及复合体的调控方面获得了原创性的科学成果，这对于阐明高光条件下光合作用的调控机制具有重要意义，并为改进干旱荒漠区生态重建提供理论依据。