拟南芥叶绿体蛋白HL2保护光合系统II的分子机制研究

It is essential for plant to repair photosystem II (PSII) quickly and efficiently to maintain normal photosynthetic efficiency under high light irradiance. In our previous work, we identified a novel chloroplast protein HL2 in arabidopsis which containing a thimet oligopeptidase (TOP) domain involved in PSII repair. Under high light condition, two HL2 mutants showed decreased PSII activity and faster degradation rate of D1 protein, indicating the serious photoinhibition in HL2 mutants. Moreover, the accumulation of PSII core proteins and the stability of PSII-LHCII supercomplexes were obviously decreased in HL2 thylakoids. Subcelluar localization analysis indicated HL2 proteins primarily bind to thylakoid membranes; and HL2 protein directly interact with PPL1 which plays an essential role in PSII repair. The goal of this project is to to further study the regulation mechanism mediated by HL2 in PSII repair. First, we will confirm the involvement of HL2 in PSII repair in genetics, and then illustrate the interaction of HL2 with PSII complexes and PSII subunits. Besides PPL1, we will screen and identify the other target proteins of HL2 in chloroplast. Finally, the function of TOP activity of HL2 in PSII repair will be explored. Collectively, this study will illuminate the role of a novel chloroplast protein HL2 in PSII repair, and reveal the mechanism of protein degradation mediated by TOP in PSII repair.

快速有效的PSII（光合系统II）修复对于植物维持正常的光合效率至关重要。我们前期发现一个拟南芥新基因- - HL2，其缺失突变体对高光敏感，高光下表现出PSII光合活性显著降低、D1蛋白降解速率显著增加等PSII光损伤表型，并且PSII核心蛋白积累明显减少、PSII-LHCII超级复合物稳定性降低，提示HL2可能参与PSII修复。有趣的是，作为一个包含寡肽酶结构域的叶绿体蛋白，HL2主要定位于类囊体膜，而且可以与PSII修复蛋白PPL1发生互作，有可能介导了一种新的PSII修复机制，值得深入研究。本项目拟在确证HL2参与PSII修复作用的基础上，结合HL2精细定位与寡肽酶活性分析，深入探究其作用机理，包括侯选生理底物（如PPL1等）的鉴定以及寡肽酶活性在PSII修复中的作用等。本研究将鉴定一个新的叶绿体PSII修复因子，并可能揭示植物中由寡肽酶介导的蛋白降解途径参与的PSII修复调控新机制。

植物光系统通过利用光能进行光合作用，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气，是生物赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。其中，光系统II（PSII）利用光能完成水的光解和质体醌的还原，对于光合作用的开启至关重要。然而，PSII也是最敏感的光化学反应位点，极易受到自然界中不断变化光条件的损伤。因此，有效的PSII损伤修复是植物有效适应环境变化的保障，但其调控机制尚不清楚。长期以来，寻找PSII修复蛋白并阐释其功能，是理解光系统修复机制的关键。该项目通过对模式生物拟南芥突变体大规模筛选，鉴定到一个陆生植物特有的叶绿体类囊体跨膜蛋白——HL2 【后更名为HHL1（HYPERSENSITIVE TO HIGH LIGHT1）】。通过生理学、分子生物学、生物化学和遗传学等手段研究发现，HHL1基因突变导致PSII活性剧烈降低，活性氧水平明显上升，叶黄素循环速度显著加快；同时，PSII核心蛋白降解速度以及PSII复合物的重新组装受到影响。有趣的是，HHL1与PSII核心蛋白CP43存在体内和体外的直接互作，并且只和包含CP43的PSII复合物结合，提示了HHL1可能参与调控PSII修复过程中CP43的释放。进一步研究发现，HHL1和另一个陆生植物特有的PSII修复蛋白LQY1（LOW QUANTUM YIELD OF PHOTOSYSTEM II1）存在分子和遗传互作，协同参与PSII修复调控。该工作发现了新的光系统修复因子，证实了陆生植物具有复杂精细的PSII修复系统，对于理解植物生长发育与逆境响应具有重要的理论价值。这一研究成果发表于植物学领域国际权威杂志The Plant Cell【2014, 26(3)，1213-1229】，并被国家自然科学基金委以“基金要闻进行报道”。此外，本项目在完成HL2参与PSII保护相关研究的基础上，又拓展了PSII相关的功能研究，鉴定到PSII功能缺陷突变体RPA1，初步研究结果提示RPA1参与PSII生物发生，为进一步深入理解PSII生物发生调控机制打下了较好的基础。