水稻OsSOQ1和OsSOQ2基因调控光抑制淬灭的机制研究

Non photochemical quenching (NPQ) is a photoprotective mechanism that generally exists in all photoautotroph. However, carbon gain of crop species is decreased by between 13% and 32% due to the slow relaxation kinetics of photoinhibitory quenching (qI) in NPQ. qI mechanism is normally related to photodamage repair of PSII reaction centre. At present, there is no report about the mechanism and regulation of the photoinhibition quenching of light harvesting antenna in rice. Previous studies have found that suppressor of quenching SOQ1 in Arabidopsis thaliana, is present in rice in the form of variable splicing, which is named OsSOQ1 and OsSOQ2, respectively, and their biological function and regulation mechanism has not been reported. This project predicts that OsSOQ1 and OsSOQ2 may be related to the photoinhibition quenching regulation of antenna proteins, but the regulation mechanism has not been reported. This project intends to study the photoinhibition effects of OsSOQ1 and OsSOQ2 through gene overexpression and RNAi technology in rice; and to investigate the redox property of OsSOQ1 and OsSOQ2 protein by insulin assays and Western blot analysis in rice; and to explore the molecular mechanism of OsSOQ1 and OsSOQ2 for qI in NPQ by affinity chromatography, mass spectrometry and yeast two hybrid system in rice. This project will provide guidelines to speed up the slowly recovery dynamics of qI factor in NPQ by means of genetic engineering so as to improve the photosynthetic efficiency in rice.

非光化学淬灭是光能自养生物中普遍存在的光保护机制。然而，由于非光化学淬灭中的光抑制淬灭恢复动力学相对缓慢，导致作物中的碳同化减少13-32%。光抑制通常与PSII反应中心的损伤修复相关。目前，在水稻中没有发现PSII捕光天线蛋白光抑制淬灭的相关报道。前期研究发现OsSOQ1和OsSOQ2是拟南芥SOQ1的同系物，以可变剪接体的形式存在水稻中。本项目推测OsSOQ1和OsSOQ2可能与天线蛋白光抑制淬灭调控相关，但它们的调节机制未见报道。本项目拟通过基因超表达和RNAi研究OsSOQ1和OsSOQ2基因对水稻光抑制的影响规律；通过胰岛素检测和蛋白免疫印迹研究OsSOQ1和OsSOQ2蛋白的氧还酶活性；通过亲和色谱、质谱和酵母双杂交研究OsSOQ1和OsSOQ2对水稻非光化学淬灭中光抑制淬灭的分子调控机制。本项目将为利用基因工程手段加速光抑制因子缓慢释放动力学从而提高水稻光合效率奠定理论基础。

高等植物叶绿体是一种膜细胞器，其内膜系统叫做类囊体膜或光合膜，除了执行光合作用的蛋白复合体外，类囊体膜的主要成分是脂质分子（多为糖脂），约占总质量的 50%。糖脂通过叶绿体内被膜中的原核合成途径或内质网上的真核合成途径合成后，被转运到质体中参与到叶绿体的生物发生。然而，目前关于糖脂分子合成后是如何被转运至叶绿体并组装到类囊体膜中，该方面的研究还不是很清楚。本项目预期研究水稻OsSOQ1和OsSOQ2基因调控光抑制淬灭的机制，主要研究内容及结果如下：（1）利用CRISPR-Cas9技术敲除了拟南芥光化学淬灭抑制子基因soq的水稻同源基因的两个可变剪接体（OsSOQ1和OsSOQ2），并获得了纯合突变体，突变体在正常生长条件下，表现为植株矮化，生育期延长，分蘖数减少，结实率低，籽粒干瘪等表型。（2）通过对孕穗期野生型和突变体水稻叶片总RNA进行转录组分析发现，特别是参与细胞器中内膜组分的代谢过程途径的基因发生了不同程度的上调和下调表达。（3）通过对孕穗期野生型和突变体水稻叶片进行代谢组分析发现，C18脂肪酸分子的生物含量显著下调，暗示该基因的可变剪接体参与到类囊体膜中脂质分子的代谢。（4）通过对幼苗期野生型和突变体水稻植株进行林可霉素处理，并测定植株的光化学参数发现，无处理组突变体的最大光化学效率显著低于野生型，但是处理组突变体的最大光化学效率与野生型无显著差异，这表明该基因的可变剪接体可能影响到类囊体膜中蛋白复合体和脂分子的有效组装。（5）通过酵母双杂交实验发现该基因可变剪接体的硫氧还蛋白结构域与叶绿体脂钙蛋白分子LCNP存在相互作用，而LCNP的主要作用是转运脂质分子。（6）通过外源表达硫氧还蛋白结构域蛋白并通过胰岛素检测发现，该结构域具有氧化还原活性，暗示该蛋白是通过氧化还原调控的方式参与到类囊体膜脂质分子的组装中。从本项目的研究结果可以看出，高等植物的非光化学淬灭与类囊体膜中的脂质分子组成具有重要的相关性，这是本项目最关键的发现，理论创新性较为显著。该项目对进一步揭示类囊体腔蛋白的氧化还原调控作用具有重要的理论意义。