条斑紫菜β-胡萝卜素羟化酶基因表达与光保护间的协同关系

Pyropia spp. bear incredible capabilities against high light stress, and the underlying mechanisms are one of the research highlights in Plant Stress Biology. We found that zeaxanthin (Zx) was present in the thalli of Pyropia yezoensis, and by contrast to other photosynthetic pigments, e.g. chlorophyll a, the content of Zx was stimulated by high light， implying the photoprotective role of Zx in P. yezoensis. It is noteworthy, that violaxanthin was not found in the thalli, suggesting that the accumulated Zx was not converted from violaxanthin via xanthophyll cycle. Furthermore, our recent sequencing results also showed that P. yezoensis contains multiple copies of gene encoding β-carotene hydroxylase (CHY). We propose that the expression of CHY was closely correlated with the photoprotection capabilities in P. yezoensis. In this project, the correlation between the expression of CHY and photoprotection would be extensively investigated in P. yezoensis. By silencing CHY, we intend to confirm the key role of CHY in photoprotection. To reveal the binding sites of increased Zx during high light stress, the photosynthetic supramolecular complexes in the thylakoid membrane would be isolated, and the Zx content in respective complex would be quantified. The fluorescence lifetimes of these complexes with various Zx content would be determined to reveal the effects of Zx binding on the quenching of chlorophyll fluorescence. The accomplishment of this project would deep our understanding of the algal photoprotection mechanisms, and also provide valuable information for guiding the aquaculture of P. yezoensis.

紫菜对高光具有极强的自我保护能力，其光保护机制是植物逆境生物学的重要研究内容。我们研究发现，条斑紫菜中含有玉米黄素（Zx），且高光诱导Zx积累。然而，紫菜中几乎检测不到紫黄素，说明高光下积累的Zx不是经叶黄素循环形成的，可能是通过其它代谢途径，如由β-胡萝卜素经过羟化形成。我们近期的全基因组测序结果表明条斑紫菜含有多拷贝β-胡萝卜素羟化酶基因(CHY)。我们推测紫菜适应高光与CHY的表达有关。为此，本项目拟从多角度阐释CHY表达与条斑紫菜光保护间的协同关系，通过沉默CHY的表达进一步验证该基因在光保护中的作用；通过分离不同光强处理的条斑紫菜类囊体膜光合作用超分子复合体、测定各复合体中Zx的含量，确定高光下积累的Zx的具体结合位点；测定不同Zx含量的各复合体的荧光寿命，确定Zx含量对这些组分热耗散的影响。本项目的完成不仅可以丰富光合生物光保护机制的内容，而且为条斑紫菜的生产实践提供理论指导。

条斑紫菜（Pyropia yezoensis）是一种生长于潮间带的大型红藻，具有与复苏植物相似的抗逆性能。作为潮间带海藻，周期性干出以及由此导致的高光、失水、高盐、低温等胁迫都会直接或间接影响到光合过程，引起光损伤。目前，对条斑紫菜光合作用过程如何适应潮间带恶劣环境的具体机制还不清楚。本项目主要以条斑紫菜为实验材料，围绕类胡萝卜素的合成以及光合过程对高光逆境的响应调控机制开展研究工作。研究结果显示，条斑紫菜主要含有两种类胡萝卜素，叶黄素（lutein）和玉米黄素（zeaxanthin），且两种色素的相对含量与环境光强之间具有明显的相关性。在适应高光环境的过程中，叶黄素和玉米黄素的相对含量都显著增加，特别是玉米黄素的积累非常明显。但是，玉米黄素积累的速度相对较慢，且积累的玉米黄素在低光或黑暗阶段仍然存在。同时，α-胡萝卜素和β-胡萝卜素的相对含量也发生了明显的变化，α-胡萝卜素的相对含量在高光下明显下降，而β-胡萝卜素的相对含量则明显增加。分子生物学结果显示，胡萝卜素羟化酶基因的表达在高光下明显较高，这解释了玉米黄素在高光下积累的现象。以上结果表明，条斑紫菜的光保护机制与其它藻类和高等植物相比，既有普遍性，也具有其特殊性：普遍性在于，条斑紫菜在响应高光时也积累玉米黄素——一种在植物和藻类中普遍存在、具有光保护功能的类胡萝卜素物质；特殊性在于条斑紫菜还没有进化出玉米黄素的其它代谢途径，高光时积累的玉米黄素在低光和黑暗时未被降解。因此这种玉米黄素的积累与绿藻、褐藻以及高等植物的叶黄素循环在高光下积累玉米黄素有很大的区别，条斑紫菜对玉米黄素光保护功能的利用效率较低。以上研究结果对探讨光合生物响应高光胁迫时光保护机制的演化具有参考意义，同时，条斑紫菜丝状体响应高光胁迫的研究数据对指导条斑紫菜育苗厂贝壳丝状体育苗也具有一定生产指导意义。