不同进化地位的红藻藻胆体的超分子形貌及其在类囊体膜上排布模式的研究

Research on the supramolecular architecture of the protein complexes and their arrangement pattern on thylakoid membrane from the photosythetic organisms with atomic force microscopy is becoming an front and hot spot. However, the research with this technique on red algae is nearly lacking. Our team has successfully used atomic force microscopy in studing the unicellular red alga Porphyridium cruentum. Based on our previous research, we will select three red algae with different evolutionary position, and continue our further research with atomic force microscopy and other techniques. This program will carry out further research on the supramolecular architecture and arrangement pattern of phycobilisomes from unicellular red alga of Bangiophyceae, and research the supramolecular architecture and arrangement pattern of the phycobilisomes from multicellular red alga of Bangiophyceae and multicellular red alga of Florideophyceae. In the meantime, the research on the regulation of the arrangement pattern of the phycobilisomes will be carried out. This research will reveal the supramolecular architecture, the arrangement pattern, as well as the evolution of the phycobilisomes from red algae. This research will also help us to understand the co-operation of phycobilisomes and photosystems, to transfer and utilize solar energy with high efficiency.

使用原子力显微镜技术对光合作用相关蛋白复合物的超分子形貌和及其在类囊体膜上排布模式的研究，已经成为光合作用研究领域中的前沿和热点，而国内外使用该技术对红藻这一进化过程中重要的光合生物门类的研究则很少。本课题组的前期工作成功的将原子力显微镜技术应用于单细胞红藻紫球藻捕光复合物--藻胆体的研究。我们将在前期研究基础上，选择具有不同进化地位的三种红藻为材料，以原子力显微镜技术为主，对红藻藻胆体进行进一步的深入研究。本项目将继续深化对原始红藻纲单细胞红藻藻胆体的复合物貌及其排布规律的研究，同时研究并且揭示原始红藻纲大型红藻和真红藻纲大型红藻藻胆体的复合物形貌和排布模式，以及红藻藻胆体排布模式受生长条件调控的规律。本项目的研究，将可以揭示红藻藻胆体形貌和排布模式的进化规律，并且有助于阐明红藻藻胆体和光系统之间如何协同合作，实现光能的高效传递和转化。

红藻是真核光合生物演化的重要环节，其捕光复合物是位于类囊体膜表面的藻胆体。在课题组前期良好进展的基础上，本项目选取了三种不同进化地位的红藻：原始红藻纲的单细胞红藻紫球藻、原始红藻纲的大型红藻条斑紫菜和真红藻纲的大型红藻多管藻，主要使用原子力显微镜技术，结合其他实验方法，对这三种类型的红藻的藻胆体的形貌结构及藻胆体在类囊体膜上的排布规律进行了研究。同时研究了紫球藻在缺氮生长条件下的荧光动力学性质以及藻胆体在类囊体膜上的结构变化。研究发现，紫球藻的类囊体膜呈圆盘状，其藻胆体在类囊体膜上具有无序排列和成排状有序排列两种方式。高分辨率图像显示藻胆体呈半椭球状，具有长轴对称结构，中间具有S状沟回。在缺氮胁迫的生长条件下，紫球藻Chl和藻胆蛋白的含量降低，类囊体膜失去了紧密平行排布的结构。藻胆体在类囊体膜上的密度降低，且藻胆体的长宽高也显著减小，但是藻胆体的总体形貌没有变化。缺氮生长条件下类囊体膜上开始出现孔洞，且孔洞的大小和数量虽缺氮培养时间的延长而增长。当重新回补氮源之后，紫球藻类囊体膜的光谱性质得到恢复，类囊体膜上的藻胆体的数量和密度也能够得到恢复。同时使用了multi-color-PAM研究了在缺氮胁迫条件下生长的紫球藻的荧光动力学性质，结果显示，光系统II的光化学效率以及反应中心的活性下降，PS II发生了光抑制，光能转换效率下降，且缺氮后活性反应中心的密度降低，但是电子传递能力没有下降。PS II供体端的水裂解系统受缺氮影响严重，导致了放氧复合物的失活。在条斑紫菜中，分离得到的类囊体膜包括类似紫球藻的圆形膜片和不规则膜片两类，其藻胆体为半椭球形，呈紧密无序状排布。在多管藻中，分离得到的类囊体膜呈不规则膜片状，其藻胆体也是半椭球状，以紧密无序状排布为主，偶有转块状成行排列模式。条斑紫菜和多管藻的藻胆体长宽高尺寸和紫球藻藻胆体类似。