光系统II捕光天线系统在类囊体膜中动态变化的分子机制及其功能的研究

The light harvesting chlorophyll a/b complexes of photosystem II (LHCIIb), responsible for harvesting and transporting solar energy in photosynthesis, are the most important pigment-protein complexes on earth. Investigating the structure/functional relationship of LHCIIb in the thylakoid membrane is not only an key issue for illuminating the molecualr mechanisms of the function of LHCIIb, it is also an important way to realize the dream of the "artificial leaf" in harnessing and ultilizing solar energy. The aim of the project is to observe the anitoscopic circular spectrum of LHCIIb and to analyse the strutrual basis of its dynamic chiral structural changes in thylakoid membrane and to unfold the molecular mechanism for the structure/functional relationship of LHCIIb. Based on this research, we will be able to clarify the molecular basis of the high efficiency of LHCIIb in harnessing and transporting solar energy, the structural basis LHCIIb to regulate its multiple functions, and the principles for simulating the function of LHCIIb for harnessing solar energy.

叶绿体光系统II的捕光天线系统（LHCIIb）是光合作用吸收和传递太阳能的最重要的复合体，其自然环境是类囊体膜，认知LHCIIb在膜中的结构、研究其功能以及结构与功能的关系，是解决光合作用高效吸能、传能和转能分子机理的科学问题的关键，也是模拟光合作用，构建"人工叶片"，实现直接固定和利用太阳能解决能源问题之目的的重要途径。本项目拟在利用分析LHCIIb寡聚体的吸收光谱、荧光发射、圆二色谱及各向异性圆二色光谱的方法，进一步解析LHCIIb与光合膜的交互作用及其手性结构与功能的关系；发现LHCIIb感应外界条件的结构基础,调控LHCIIb手性结构变化的关键结构基元（motif）；分析LHCIIb高效吸能和传能的物理基础及调控其多重功能的分子基础；研究LHCIIb在不同膜脂环境及不同界面中的结构与功能特性；阐明LHCIIb高效吸能和传能的结构与功能的关系，为模拟光合作用，固定太阳能打下基础。

光系统II的捕光天线系统（LHCII）是植物固定太阳能最关键的色素蛋白复合体。LHCII拥有三个跨膜螺旋，共结合14个叶绿素和4个类胡萝卜素。激发能在如此稠密的色素群中能得到高效率的传递和转换的关键在于LHCII高度耦联的色素群以及精致的结构调节机制。而LHCII的结构与功能的关系又与其和类囊体膜独特的交互作用密切相关。认知LHCII与类囊体膜的交互作用及其功能调节机制是解决光合作用高效吸能、传能和转能分子机理的科学研究的关键，也是光合作用仿生模拟，打造"人工叶片"，造福人类的重要途径。本项目通过生物化学分离与蛋白组装相结合得到一系列不同结构的LHCII，并通过观察LHCII的手性结构及其与能量传递的关系，揭示了LHCII功能调节的最关键的机制：1：发现新黄素是调节LHCII功能关系的关键因素，在此基础上，揭示了在光合作用进化过程中出现在LHCII中的新黄素在植物适应陆地环境中的关键作用；2：通过LHCII的基因改造以及磷酸化规律，发现了LHCIIN端的氨基酸是决定蛋白磷酸化速率和强度的关键因素；3：通过对不同生境条件下的光合作用的观察，揭示了光合作用进化过程中不同阶段关键蛋白的进化意义，这些研究发现了光合作用进化过程中的不同结构阈演变的生物学意义，以及对光合作用仿生模拟的启发。本项目的研究揭示了光合膜高效吸能、传能和转能机制，为光合膜蛋白的修饰和改造，进而开展光合作用仿生模拟打下了基础。