光系统I生物发生的分子调控机理

Photosystem I (PSI) catalyzes the final step of photosynthetic electron transport: the oxidation of plastocyanin in the thylakoid lumen and the reduction of ferredoxin in the chloroplast stroma. It represents one of the largest and most complex macromolecular assemblies known in nature. In higher plants, PSI consists of at least 18 protein subunits and more than 200 cofactors. The subunits of PSI are encoded by both nucleus and plastid genes. Therefore, the biogenesis of the PSI complex is a very complicated process. It depends on the coordinated expression of both nuclear and chloroplast genes and the in time targeting of various subunits to the proper location within the thylakoid membrane as well as a large number of cofactors onto the nascent apoproteins to form a functional PSI complex. However, the molecular mechanisms of PSI biogenesis remain unclear. In this project, we will identify a set of novel important regulatory factors involved in PSI biogenesis by screening PSI-deficiency mutants in Arabidopsis thaliana by spectroscopy method. We will investigate the molecular mechanisms of these regulatory factors underlying PSI biogenesis at the levels of transcription, post-transcription, translation, post-translation, assembly and stability through a combination of approaches of plant physiology, biochemistry, molecular biology, and molecular genetics. Identification and functional elucidation of these novel regulatory factors for PSI biogenesis will provide a deeper understanding of the molecular regulatory network for PSI biogenesis.

光系统I(PSI)利用光能催化电子从类囊体膜内侧的质体蓝素到外侧铁氧还蛋白的跨膜电子传递。它是自然界中最大也最复杂的大分子组装体之一，高等植物的PSI复合物至少由18个蛋白亚基和200多个辅因子组成，而且其蛋白亚基由细胞核基因和叶绿体基因共同编码。PSI复合物的生物发生是一个极其复杂的过程，需要细胞核基因和叶绿体基因的协调表达以及各个蛋白亚基和大量辅因子精确定位在类囊体膜上，从而形成具有催化功能的完整PSI复合物。目前关于PSI生物发生的具体步骤以及分子调控机理仍不清楚。本项目通过波谱学方法筛选PSI功能缺陷突变体，结合酵母双杂交以及生物化学方法发现参与PSI生物发生的关键调控因子，采用多学科交叉的综合研究手段，研究它们在基因转录、转录后加工、翻译、复合物组装以及复合物稳定性维持等不同水平上参与PSI生物发生的作用方式和调控机制，揭示PSI复合物生物发生的具体过程以及调控网络。

光合作用与我们面临的粮食、能源及环境问题都密切相关。光合作用的光反应是由在叶绿体的类囊体膜上具有一定分子排列和空间构象的四大蛋白复合物来完成的，其中光系统I（PSI）是自然界最大、最复杂的大分子组装体之一。其生物发生需要细胞核基因和叶绿体基因的协调表达以及各个蛋白亚基和大量辅因子精确定位在类囊体膜上。目前已经发现了多个与PSI生物发生相关的辅助因子，但是其生物发生的具体步骤以及分子调控机理仍不清楚。.本项目通过波谱学方法筛选PSI功能缺陷突变体，结合酵母双杂交以及分子遗传、生物化学方法探寻参与PSI生物发生的关键辅助因子，采用多学科交叉的研究手段，研究它们在基因转录、转录后加工、翻译、复合物组装以及复合物稳定性维持等不同水平上参与PSI生物发生的作用方式和调控机制，揭示PSI生物发生的具体过程。.本项目获得了5个PSI生物发生相关突变体（pbf2、pbf5/mterf5、pbf6、pbf7和pbf8），并对这5个生物发生因子的功能进行了研究。PBF2与CAF1和CAF2协同参与叶绿体PSI组装因子ycf3基因内含子1的剪接而调控PSI的生物发生（已发表）。PBF5/MTERF5导致叶绿体编码的RNA聚合酶 (PEP) 在psbEFLJ操纵子转录过程中产生暂停，促进psbEFLJ操纵子的转录效率，进而影响到PSII的活性并对其下游的PSI的功能和生物发生产生调控作用（已发表）。PBF6和PBF7是两个与质体醌合成和累积相关的调控因子。PBF6/PAD1（Plastoquinone Accumulation Deficient 1）参与叶绿体质体醌PQ-9累积（待发表）。PBF7通过前酪氨酸脱氢酶(ADH)调控质体醌PQ合成（待发表）。PBF6和PBF7通过调节PSI电子传递从而影响PSI的功能和生物发生。PBF8是一个植物特有的PSI的组装因子，参与一个大约500 kDa PSI组装中间体的形成，从而调控PSI复合物的组装（待发表）。.对PSI生物发生过程的机理研究，不仅可以更深入的揭示PSI的功能，而且对于我们理解植物光合作用，提高农作物光能高效利用和仿生模拟提供理论依据。