THF1调控光系统II不同复合体之间动态平衡的机理研究

In higher plants, photosystem II (PSII) is a large pigment–protein supramolecular complex composed of the PSII core complex and the plant-specific peripheral light-harvesting complexes (LHCII). PSII–LHCII complexes are highly dynamic in their quantity and macro-organization under various environmental conditions. THF1 (THYLAKOID FORMATION1) is a nuclear-encoded chloroplast protein highly conserved in oxygenic photosynthetic organisms, from cyanobacteria to vascular plants. In our previous study, we found that THF1 is involved in controlling PSII–LHCII dynamics during dark-induced senescence and light acclimation in Arabidopsis. This project will continue to investigate molecular mechanisms underlying THF1-regualted PSII-LHCII dynamic changes in response to environmental cues. We will mainly investigate the following aspects using structural, genetic and molecular biological approaches: 1) THF1 structure and biochemical function; 2) the molecular mechanism for THF1-regulated PSII-LHCII dynamic change; 3) identification of novel THF1-interacting proteins. Our results will provide new ideas to improve crop resistance to stresses and photosynthetic efficiency using biotechnology in the future.

高等植物的光系统II(PSII)是由PSII核心复合体与外周天线（LHCII）组成的超大分子复合体。随着环境条件的变化，PSII-LHCII复合体会发生重组,其动态变化直接参与光系统之间的状态转换、非光化学淬灭以及反应中心D1蛋白的修复等重要生理过程。我们前期的研究结果表明在光合放氧生物中高度保守的PSII外周蛋白Thylakoid Formation 1 (THF1)在拟南芥中参与PSII-LCHII不同复合体之间的动态平衡。本项目将深入研究THF1调控PSII-LHCII动态变化的分子机理。我们将运用结构生物学、遗传学以及分子生物学等手段研究：1）THF1的晶体结构与生化功能；2）在逆境条件下THF1调控PSII-LHCII重组的功能保守性与THF1的作用机理；3）鉴定与THF1互作的新分子。本项目的研究成果将为今后运用生物技术提高作物抗逆性与光能利用效率提供新的思路。

高等植物的PSII包括核心复合物、内周天线和外周天线LHCII三个部分，也称之为PSII-LHCII超聚复合物。两个或两个以上的超聚复合物还会形成巨大复合体(megacomplex)。我们的前期研究结果表明THF1/PSB29参与PSII-LHCII超聚复合体在强光或者黑暗下的动态变化，但其作用的分子机制并不清楚。本项目是在前期的基础上深入分析THF1调控PSII-LHCII动态变化机制。为此，我们首先构建了thf1与不同lhcb的多突变体。结果表明thf1 lhcb5可以部分恢复thf1的滞绿表型，表明thf1的滞绿表型与天线LHCB5密切相关；BN-PAGE分析结果显示PSII-LHCII的水平在lhcb5和thf1 lhcb5中剧烈降低，说明LHCB5相对于THF1具有遗传上位性。蛋白免疫印迹实验表明暗处理6天后 thf1中PSII 的核心蛋白D2残留，而thf1 lhcb5中D2的残留量比thf1降低，这可能是由双突变体中PSII复合物本身的含量比较低有关，而不是因为THF1具有解聚PSII二聚体的功能。其次，我们利用外源表达并纯化的THF1蛋白加入到分离的类囊体膜溶液中，检测其在强光条件下是否具有稳定PSII-LHCII的功能。结果表明外源添加THF1具有提高PSII最大光化学效率，以及稳定PSII-LHCII超聚复合体和PSII二聚体的作用。双向电泳分析结果显示纯化THF1与PSII-LHCII超聚复合体, PSII二聚体, PSII单体和LHCII单体共定位，说明THF1在PSII各种复合体上都有结合。酵母双杂交和Pull-down实验结果均表明THF1与D1蛋白结合。同时，我们也发现过表达THF1（THF1-GFP）的株系在强光下比野生型积累更多的PSII超聚复合体。我们还研究了蓝藻中THF1的同源蛋白Psb29的功能保守性。强光条件下psb29突变体生长延迟，其PSII二聚体降解比野生型更快，说明Psb29具有维持强光条件下PSII 二聚体稳定性。最后，我们通过冷冻电镜解析THF1与PSII-LHCII形成的复合体结构，但没有观察到含有THF1的PSII-LHCII超聚复合体，因此各种PSII复合体的分离与鉴别技术需要进一步完善。