光抑制条件下拟南芥叶绿体谷胱甘肽还原酶保护光合功能的机理研究

叶绿体谷胱甘肽还原酶（GR）是H2O-H2O循环中的关键酶，对胁迫条件下叶绿体中活性氧的清除和光合功能保护具有重要作用。我们已经鉴定到拟南芥叶绿体GR酶T-DNA插入突变体（gr2），初步分析表明gr2突变体对光抑制非常敏感。光抑制条件下野生型拟南芥和gr2突变体的叶绿体谷胱甘肽库氧化还原状态明显不同。这些结果表明光抑制条件下叶绿体GR的缺失引起叶绿体谷胱甘肽库的氧化还原状态发生改变，光合功能受到破坏。本研究将在此基础上综合运用分子生物学、生物化学、植物生理学和波谱学等研究方法对gr2突变体进行深入研究，揭示光抑制条件下叶绿体GR酶如何通过其调控的叶绿体谷胱甘肽库氧化还原状态影响叶绿体蛋白基因的表达，影响叶绿体中抗氧化代谢，从而影响光合功能。这些对阐释光抑制条件下叶绿体GR酶保护光合功能的分子机理具有重要意义。

摘要. 叶绿体谷胱甘肽还原酶（GR）是叶绿体中H2O-H2O循环的关键酶，对叶绿体内活性氧（ROS）的清除具有重要作用。本项目中我们主要研究光抑制条件下叶绿GR保护光合功能的机理和正常生长条件下叶绿体GR对叶片发育的影响。我们用RNAi技术抑制拟南芥叶绿体谷胱甘肽还原酶基因（gr2）的表达，获得GR2活性显著降低的转基因拟南芥。转基因拟南芥对光强特别敏感,中等光强条件就会引起光抑制。光抑制条件下，和野生型拟南芥相比，转基因拟南芥中积累大量的H2O2。光谱学等测定表明转基因拟南芥中光系统II （PSII）的功能显著降低。衰减和热发光分析PSII的功能，结果表明转基因拟南芥中PSII受体侧的电子传递受到影响，而供体侧的电子传递无明显变化。Western 和蓝绿胶试验结果表明，转基因拟南芥中PSII 的核心蛋白含量大大降低，PSII复合体含量降低。高光强下转基因拟南芥PSII的修复和D1蛋白的合成受到明显抑制。这些试验结果表明，光抑制条件下，叶绿体GR通过清除过量积累的H2O2，以稳定PSII受体侧的电子传递、维持PSII的核心蛋白含量，尤其是D1蛋白的合成、保护PSII复合物的形成。因此，光抑制条件下，叶绿体GR对PSII的光合功能具有重要保护作用。. 另外，我们还发现正常生长光强条件下，转基因拟南芥表现出叶片早衰，而且暗促衰老过程明显快于野生型拟南芥。测定整个叶片发育过程中H2O2的含量，结果表明转基因拟南芥中H2O2的含量在叶片发育早期稍高于野生型拟南芥。基因芯片分析表明，转基因拟南芥中衰老相关基因、氧化胁迫相关基因及乙烯相关基因的表达明显升高。通过遗传杂交我们获得双突变体igr2-9/ein2。和igr2-9相比，igr2-9/ein2的叶片暗促衰老过程明显延迟，且抗氧化能力也明显提高。以上这些试验结果表明正常生长条件下叶绿体GR酶活性的降低导致叶片发育早期H2O2的少量积累，扰动氧化还原平衡，从而触发了衰老的过程，ein2参与这一过程。